基于計(jì)算流體力學(xué)冷卻風(fēng)機(jī)性能參數(shù)設(shè)計(jì)分析

王 凱，王瑞紅，王彥婷

（黃河交通學(xué)院，河南 焦作 454950）

1 引言

電動(dòng)輪車輛的輪邊牽引電機(jī)封閉在驅(qū)動(dòng)橋殼內(nèi)，需要采用強(qiáng)制通風(fēng)進(jìn)行冷卻。目前，最常用的方案是，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)輸出端為風(fēng)機(jī)提供動(dòng)力，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)冷卻空氣，經(jīng)過(guò)冷卻管道對(duì)輪邊牽引電機(jī)進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。冷卻風(fēng)機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力源，風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量、風(fēng)壓等直接影響到系統(tǒng)的冷卻效果，進(jìn)而影響牽引電機(jī)的冷卻效果和使用壽命[1]。一個(gè)優(yōu)良的冷卻系統(tǒng)是此類車輛輪邊牽引電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保證，而冷卻風(fēng)機(jī)則是系統(tǒng)的核心單元。根據(jù)整機(jī)冷卻系統(tǒng)的需求，對(duì)冷卻風(fēng)機(jī)的參數(shù)和流場(chǎng)分布進(jìn)行分析，對(duì)此類車輛設(shè)計(jì)具有重要意義。

學(xué)者們進(jìn)行了一定的研究：文獻(xiàn)[2]對(duì)空冷狀態(tài)下，輪邊電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，獲取單元的最大負(fù)載工況；文獻(xiàn)[3]針對(duì)牽引電機(jī)表面的熱交換進(jìn)行模擬分析，獲取最佳的參數(shù)設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[4]采用建模仿真分析方法，分析自然冷卻工況下，牽引電機(jī)的溫度場(chǎng)分布情況；文獻(xiàn)[5]分析不同負(fù)載工況下，牽引電機(jī)的散熱量進(jìn)行分析，以匹配合適的冷卻系統(tǒng)；文獻(xiàn)[6]根據(jù)牽引電機(jī)對(duì)冷卻風(fēng)量的需求，進(jìn)行熱交換分析，獲取不同工況冷卻風(fēng)量的需求量。

針對(duì)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，牽引電機(jī)的冷卻需求，對(duì)影響風(fēng)機(jī)冷卻風(fēng)量和壓差的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)；在此基礎(chǔ)上，基于CFD搭建風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)分析模型；采用差異化網(wǎng)格劃分技術(shù)，對(duì)不同區(qū)域選取不同網(wǎng)格尺寸；對(duì)整機(jī)和葉片靜壓場(chǎng)進(jìn)行分析，并對(duì)整機(jī)全壓場(chǎng)和流道區(qū)域速度場(chǎng)進(jìn)行分析，獲取關(guān)鍵參數(shù)值，并與設(shè)計(jì)值進(jìn)行對(duì)比，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和模擬分析的準(zhǔn)確性。

2 冷卻風(fēng)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

電動(dòng)輪式車輛，輪邊電機(jī)包裹在車橋內(nèi)，需要通過(guò)強(qiáng)迫式通風(fēng)進(jìn)行冷卻。冷卻空氣被離心風(fēng)機(jī)通過(guò)通風(fēng)管道吹入驅(qū)動(dòng)電機(jī)一端的入口，流經(jīng)電機(jī)內(nèi)部與轉(zhuǎn)子，定子和繞組等發(fā)熱元件進(jìn)行熱交換[7]，經(jīng)電機(jī)另一端的出口排出進(jìn)入周圍環(huán)境。系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)由離心風(fēng)機(jī)、通風(fēng)管道和驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成，如圖1所示。

圖1 冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure Diagram of Cooling System

風(fēng)機(jī)的三維模型，如圖2所示。

圖2 風(fēng)機(jī)三維模型Fig.2 Three Dimensional Model of Fan

為了工業(yè)生產(chǎn)方便，選取等厚圓弧板平前盤的葉片。根據(jù)已有的試驗(yàn)證明，平前端的前向葉輪中采用斜切時(shí)段不但不會(huì)提高效率，通風(fēng)機(jī)壓力反而降低，所以采用無(wú)始端葉片[8]，葉片進(jìn)口直徑與出口資金相等：D0=D1。

（1）確定入口幾何角β1

入口速度為：

葉片入口前氣流角β'1：

由于葉輪流道形狀不理想，特別是通風(fēng)機(jī)在非設(shè)計(jì)流量下工作時(shí)，葉道內(nèi)的氣流會(huì)產(chǎn)生附面層分離[9]。至于分離區(qū)的位置和大小，葉片的型式與入口沖角的大小有關(guān)。所謂入口沖角是指葉片入口角與入口相對(duì)速度與圓周切線所成角度之差。因?yàn)闆_角i目前無(wú)法計(jì)算，一般按照經(jīng)驗(yàn)公式取（3～6）°，則：

（2）葉片數(shù)目z

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，葉片數(shù)可寫作：

式中：D2—葉輪外援直徑。

（3）葉片進(jìn)口阻塞系數(shù)

則，氣流進(jìn)入葉片后的徑向分速和氣流角為：

（4）葉片出口后徑向分速

葉片出口阻塞系數(shù)：

葉片出口前的徑向分速：

無(wú)限葉片數(shù)氣流出口圓周分速c2u∞：

（5）葉輪流道中的相對(duì)速度，是由不旋轉(zhuǎn)的敞開葉道中的速度與軸向渦流速度相疊加的結(jié)果，有限多葉片時(shí)的理論全壓與無(wú)限多葉片時(shí)的理論全壓比值為K，稱為環(huán)流系數(shù)或壓力減小系數(shù)[10]，可寫作：

則，有限葉片數(shù)氣流出口圓周分速c2u=K c2u∞。

（6）根據(jù)速度三角形，確定葉片圓弧半徑Rk和中心圓半徑R0：

式中：r1、r2—葉輪內(nèi)、外徑。

（7）蝸殼寬度B

根據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：

（8）壓力損失

通風(fēng)機(jī)中的損失可分為流動(dòng)損失、輪阻損失、泄露損失和機(jī)械損失等。通風(fēng)機(jī)總損失為：

式中：Δp1—葉輪由軸向變徑向的損失；Δp2—葉輪葉片通道中的損失；Δp3—蝸殼中的損失；ρ—空氣密度；ξ—壓力損失系數(shù)。則，流動(dòng)效率為：

式中：p—風(fēng)機(jī)提供風(fēng)壓。

綜上，可得通風(fēng)機(jī)所需的有效功率為：

式中：q—風(fēng)機(jī)流量；ηms—機(jī)械效率；ηin—空氣傳遞效率。

3 風(fēng)機(jī)流場(chǎng)特性分析

3.1 風(fēng)機(jī)模型

根據(jù)風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)所得數(shù)據(jù)，采用Solidworks完成風(fēng)機(jī)的模型設(shè)計(jì)，如圖3所示。

圖3 風(fēng)機(jī)模型Fig.3 Fan Model

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格尺寸對(duì)結(jié)果影響較大，對(duì)于葉輪以及蝸殼是主要區(qū)域，也是流動(dòng)十分復(fù)雜區(qū)域，所以采用比較精細(xì)的網(wǎng)格劃分方式，這樣才能夠得到更加準(zhǔn)確的結(jié)算結(jié)果。最終獲得的總數(shù)約135萬(wàn)。

3.3 流場(chǎng)分析

3.3.1 流場(chǎng)模型以及邊界條件

所選用的風(fēng)機(jī)為離心式，內(nèi)部流場(chǎng)復(fù)雜，為了更好的模擬葉片作用下的內(nèi)部流場(chǎng)，選用了k-e 湍流模型，出入口均為壓力邊界；采用SIMPLE算法對(duì)場(chǎng)耦合進(jìn)行分析[13]。風(fēng)機(jī)運(yùn)行工況是轉(zhuǎn)速設(shè)置為3000rpm。

3.3.2 整機(jī)靜壓分析

整機(jī)靜壓分布，如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)整機(jī)靜壓分布Fig.4 Static Pressure Distribution of Fan

由圖可知，風(fēng)機(jī)的靜壓從進(jìn)口至出口是一個(gè)逐漸增大的過(guò)程，由于出口存在流動(dòng)損失而使此處的靜壓有所下降。當(dāng)氣流在進(jìn)氣口由軸向變向轉(zhuǎn)變?yōu)橄驈较蛄鲃?dòng)時(shí)，產(chǎn)生了很大的損失，因此靜壓有所降低。在蝸舌附近，由于該處的形狀突然發(fā)生很不規(guī)則的變化，氣流擾動(dòng)嚴(yán)重，導(dǎo)致靜壓較低。葉片靜壓分析，如圖5所示。

圖5 葉片靜壓分布Fig.5 Blade Static Pressure Distribution

由圖可知，葉片壓力面的靜壓與非壓力面的靜壓有明顯差別，吸力面的靜壓分布很不均勻，這是由于葉型的不夠合理造的，在葉片壓力面進(jìn)口處，氣流在進(jìn)入流道后與旋轉(zhuǎn)的主氣流方向不一致，發(fā)生較大的擾動(dòng)，因而靜壓急劇上升。這是由于氣流在進(jìn)入葉輪流道后經(jīng)歷了一個(gè)先減速，再加速的過(guò)程。

3.3.3 整機(jī)全壓分析

整機(jī)全壓分析結(jié)果，如圖6所示。

圖6 壁面全壓圖Fig.6 Wall Total Pressure Diagram

圖中清晰表明全壓的變化分布情況。葉輪流道區(qū)域內(nèi)葉片對(duì)氣流做功，全壓在葉道內(nèi)先升高又逐漸降低，在葉片工作面1∕4處上達(dá)到最大，對(duì)每個(gè)葉輪流道來(lái)說(shuō)，在不同的物理位置處的流動(dòng)也有不同，這是由于蝸殼的非對(duì)稱結(jié)構(gòu)造成的，說(shuō)明在氣流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，上游的葉輪流道的流動(dòng)情況會(huì)對(duì)下游的氣體流動(dòng)情況產(chǎn)生一定的影響。

因此在研究整機(jī)的氣動(dòng)性能來(lái)說(shuō)，不能用傳統(tǒng)的只分析某一個(gè)葉輪流道的方法來(lái)反映整個(gè)通風(fēng)機(jī)的性能，并且單個(gè)流道的邊界條件也很難給出合理的定義，這使計(jì)算的合理性和準(zhǔn)確性受到了很大的影響，甚至是錯(cuò)誤的。

3.3.4 流道區(qū)域速度分析

Z=5mm截面處的速度分布圖，如圖7所示。

圖7 Z=5mm截面速度圖Fig.7 Velocity Diagram of Z=5mm Section

圖中可以看到，在氣流流出葉輪后的小部分環(huán)形區(qū)域速度突然減小，因?yàn)樵诖颂帤饬魍蝗贿M(jìn)入一個(gè)近乎封閉寬敞的區(qū)域，靜壓突然升高。在蝸舌出有個(gè)很明顯的渦流產(chǎn)生，這是由于該處受蝸舌形狀影響，使得氣流方向與出口的主氣流方向不一致發(fā)生的局部擾動(dòng)。風(fēng)機(jī)葉輪中截面上的速度分布，如圖8所示。

圖8 Z=80mm（葉輪中截面）處的速度圖Fig.8 Velocity Diagram of Z=80mm Section

從圖中看出，流體在該界面上流動(dòng)十分充分，幾乎沒(méi)有渦流和二次流的產(chǎn)生。氣流速度從葉輪進(jìn)口到葉輪出口方向速度逐漸增大，但是從葉輪邊緣流出后后速度逐漸降低，而壓力卻逐漸升高，這是由于葉輪的相對(duì)速度減小，導(dǎo)致氣體的靜壓能升高，這正符合氣流在葉輪內(nèi)的流動(dòng)特點(diǎn)。

YZ面距離-285mm處的速度圖，如圖9所示。YZ面上的速度趨勢(shì)圖，如圖10所示。

圖9 距YZ面-285mm處的速度圖Fig.9 Velocity Diagram at -285mm From YZ Plane

圖10 YZ面（X=0mm）處的速度圖Fig.10 Velocity Diagram at YZ Plane（X=0mm）

圖9可以看出，在蝸舌出口的下方有渦流產(chǎn)生，這是由于蝸舌處的形狀的突然變化，使氣流與出口處的主體氣流發(fā)生擾動(dòng)產(chǎn)生的二次流。圖10中可以看出，從渦流的物理位置來(lái)看，上端的渦流比較靠近蝸殼的前壁面處，下端的渦流比上端渦流劇烈，位置也略有不同，靠近蝸殼的后壁面處。結(jié)合圖7、圖8的流線圖綜合分析，可以看到在流體在蝸殼與葉輪外緣的區(qū)域內(nèi)，并不是呈二維趨勢(shì)沿蝸殼壁的形狀規(guī)則流動(dòng)的，而是呈麻花狀的形態(tài)旋轉(zhuǎn)流出。分析獲得風(fēng)機(jī)的流量和功率，與設(shè)計(jì)值對(duì)比，如表1所示。

表1 關(guān)鍵參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of Key Parameters

模擬所得結(jié)果的流量3.86m3∕s 與設(shè)計(jì)流量4m3∕s 誤差為3.63%，模擬結(jié)果功率29.4kW與設(shè)計(jì)功率29.92kW誤差為1.77%。二者結(jié)果一致，結(jié)果是合理的。同時(shí)，對(duì)流場(chǎng)的分析也為風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)并對(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)進(jìn)行檢驗(yàn)，以檢查它是否符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

（1）風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流場(chǎng)十分復(fù)雜，多處存在二次流和尾流-射流現(xiàn)象，但是流動(dòng)趨勢(shì)符合流體力學(xué)原理；

（2）模擬所得風(fēng)機(jī)流量為3.86m3∕s，其與設(shè)計(jì)流量4m3∕s誤差為3.63%，模擬結(jié)果的功率為29.4kW，其與設(shè)計(jì)功率29.92kW誤差為1.77%，二者結(jié)果一致，表明設(shè)計(jì)和分析結(jié)果是合理的；

（3）理論計(jì)算和模型仿真結(jié)果一致性，為風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)提供一定的參考依據(jù)。