上官文斌;莫伟标;署恒涛;虞宁;贺频艳;竺菲菲
【摘 要】基于试验测试与计算流体动力学(CFD)分析的方法,研究发动机环形冷却风扇的结构与参数对其气动性能的影响.首先对一款环形风扇和一款开口风扇进行了气动性能试验,对比分析了两者气动性能的差异.然后建立了与试验情况一致的环形风扇气动性能的计算模型,计算分析了试验的环形风扇的气动性能,并与试验结果进行了对比分析,对比结果验证了模型的正确性.使用建立的模型,分析了环形风扇的圆环结构及尺寸参数对其气动性能的变化规律的影响.分析结果表明:环形风扇的圆环采用圆角结构可提高风扇的静压效率;圆环的相对轴向尺寸参数对环形风扇的气动性能有较大的影响,每款环形风扇都有一个叶片开口率使风扇的静压效率达到最佳;而圆环的相对径向尺寸参数对环形风扇的静压效率影响较小.%Based on the experimental testing and computational fluid dynamics analysis, a study on the effect of structure and parameters of an engine annular cooling fan on its aerodynamic performance was carried out.Firstly, the measurements of aerodynamic performances of an annular fan and an ordinary fan were conducted respectively, and the performance difference between t he two type of fans was analyged.According to the test conditions of aerodynamic performance of the annular fan, a calculation model was developed and used to calculate the aerodynamic performance of the tested annular fan, which was verified by comparing the measured and the calculated data.By using the calculation model, the influence of circular ring structure and dimension parameters of annular fan on its aerodynamic performance was analyged.Results show that the fillet structure of annular fan's circular ring can improve the static pressure efficiency.The relative axial dimension parameters of the circular ring have great influence on the aerodynamic performance of the annular fan, and each annular fan has a blade exposure rate to make the static pressure efficiency achieve the best.However, the relative radial dimension parameters of the circular ring have little influence on the static pressure efficiency of the annular fan.
雪莲生发液【期刊名称】《内燃机工程》
【年(卷),期】2017(038)001
银触点标准
【总页数】7页(P56-62)
【关键词】内燃机;环形风扇;计算流体动力学;气动性能;风扇性能曲线
【作 者】上官文斌;莫伟标;署恒涛;虞宁;贺频艳;竺菲菲
【作者单位】华南理工大学 机械与汽车工程学院,广州 510641;华南理工大学 机械与汽车工程学院,广州 510641;华南理工大学 机械与汽车工程学院,广州 510641;宁波雪龙集团股份有限公司,宁波 315806;宁波雪龙集团股份有限公司,宁波 315806;宁波雪龙集团股份有限公司,宁波 315806
【正文语种】中 文
【中图分类】TK414.2
随着环保法规的日益严格和发动机性能的提高，对发动机冷却系统的要求越来越高。发动机冷却风扇作为发动机冷却系统的重要组成部分，其性能直接影响发动机的能耗、排放与噪声。发动机冷却风扇可分为开口风扇和环形风扇。环形风扇由于制造成本高和结构复杂，未能在发动机冷却系统中得到广泛使用；但是随着发动机性能的强化，环形风扇由于具有高静压和低能耗的特性，越来越受到重视。在中重型商用车上，环形风扇的使用率不
断提高。环形风扇叶尖部分通过圆环连接，在运行过程中可以减少风扇外端部的涡流回流损失，同时降低风扇非连续性空气摩擦及冲击损失，在提高风扇静压效率的同时也增加了风量，并可有效降低风扇的运转噪声[1]。
目前发动机冷却风扇的研究主要针对开口风扇，风扇几何尺寸、叶片安装角、叶片数、轮毂比等众多因素影响着风扇的气动性能[2-3]。国内对于环形风扇性能上的研究甚少。国外的研究[4-6]表明：叶片上增加了叶尖小翼的开口风扇及由其演变得到的环形风扇能有效地减少叶尖的涡流强度，提高风扇静压效率和降低噪声。
本文建立了发动机冷却环形风扇气动性能的CFD模型，计算分析了环形风扇的流量、静压、轴功率及静压效率等性能参数，并和试验结果进行对比分析，验证了本文中建模方法与计算方法的正确性。基于建立的仿真计算模型，研究了环形风扇的圆环结构、圆环相对轴向尺寸参数和相对径向尺寸参数对环形风扇气动性能的影响。本文的计算分析方法和结论对环形风扇的设计与选型具有参考意义。
发动机冷却风扇的气动性能为流量与静压、轴功率和静压效率的关系，可以通过试验测试和计算分析的方法得到。
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1.1 冷却风扇气动性能试验
对冷却风扇进行气动性能测试的试验台根据国家标准《GB/T 1236—2000 工业通风机用标准化风道进行性能试验》[7]建立，带有进口侧试验管道，其结构示意图如图1所示。
风扇气动性能试验台主要由进口侧管道、机械传动部分和试验控制台三部分组成。管道的出口直接与大气相连。通过改变驱动电机的转速和流量加载板的过流面积，可以得到风扇在不同转速下的性能曲线。试验台通过两个U型管压力计和转速、转矩传感器分别得到管道进口处的静压值psi、管道监测面的静压值ps0和驱动电机的输出转矩值T，通过这3个参数计算得出风扇的4个性能参数。
1.1.1 风扇流量q
风扇流量是指单位时间内流过风扇出口截面的气体容积。在风扇气动性能试验中，它等同于试验管道某一截面的流量，风扇流量可由试验台管道进口处的静压值求得的，公式[7]见式(1)。
式中，αε为复合流量系数，对于试验中的锥形进口管道αε≈0.96；d为进口处的管道直径，
m；psi为管道进口处的静压值，Pa，由图1中U型管压力计测量得出；ρ为试验工况下的空气密度，kg/m3。野苹果园
1.1.2 风扇静压ps
气体在平直流道中流动时，流道某一截面上的气体压力分为静压与动压，两者之和称为气体的全压。风扇全压是指风扇出口截面全压与进口截面全压的差值[8]，表示为：
式中，下标t、s和d分别代表全压、静压和动压；下标1和2分别代表风扇进口和出口截面。
风扇静压是指风扇全压与风扇出口截面动压之差[8]，表示为：
由于风扇出口与大气相连，故风扇出口截面静压值为p0=0 Pa；风扇进口截面的全压由管道监测面静压ps0(由图1中U型管压力计1测量获得)、监测面动压pd0和监测面到风扇进口截面的管道压力损失值Δp计算得出。所以管道试验中的风扇静压ps表示为：
式中，A0为管道监测截面面积，m2。
1.1.3 风扇轴功率P
风扇轴功率是指单位时间内驱动电机传递给风扇的能量，即风扇的输入功率，其公式为：
式中，T为驱动电机的输出转矩值，N·m；n为风扇的转速，r/min。这两项数据均由图1中转速、转矩传感器测量得出。
1.1.4 风扇静压效率η
风扇静压效率为风扇静压有效功率与风扇的输入功率的比值，计算公式为：
1.2 试验模型的建立与计算
1.2.1 试验模型的建立
本文选取了一款开口风扇和一款环形风扇分别在图1所示的试验台上进行了风扇气动性能试验。风扇的直径均为760 mm，轮毂直径都为290 mm，风扇的8个叶片为等间距分布，而且两款风扇的叶型参数基本一致。利用UG软件对环形风扇进行三维建模，并对风扇轮毂处做了简化处理。根据图1中试验台的结构，建立了管道流场模型，如图2所示。由于在CFD仿真过程中，进口流量可以根据实际情况任意设置，而且管道监测面的静压值可以直接获
取，因此在模型中未构建锥形进口和管道内的板栅结构；在风扇区域，建立大小适中的旋转流体区[9-10]；与大气相连的出口建立一个直径4 m、长度4 m的圆柱管道，其中还包含进出口平顺过渡的过渡区域。为提高计算精度和减少网格数量，旋转流体区及过渡区采用四面体网格，而进出口管道采用六面体网格进行划分。其中，环形风扇和过渡区的四面体网格与进出口区域的六面体网格，通过在Fluent软件中定义非一致网格边界，使不同类型的网格得以结合，从而满足软件计算要求。
1.2.2 模型参数的设置
由于多重参考系法(MRF)是稳态算法，占用计算资源较少且精度满足工程要求，故利用Fluent软件的MRF法进行风扇气动性能的计算[10-12]。因为风扇性能试验中用流量加载板改变管道的通过流量，所以在仿真模型中进口平面设为质量流量进口边界，在该边界上可改变模型的质量流量；出口平面设为压力出口边界；静压监测面设为内部边界；风扇表面设为旋转壁面边界，并根据使用情况设定转速为1 500 r/min；其余表面设为静止壁面边界。由于模型内的流体运动属于湍流运动，且属于低速流动范畴(马赫数小于0.3)，故将流场内空气视为不可压缩介质；压力-速度的耦合方程组采用SIMPLE算法；湍流模型选择RN
G k-ε模型；近壁区域采用壁面函数法进行处理；求解器设置为分离式求解[13]。当进出口流量差小于0.5%时，认为计算收敛。
>恶劣的太阳
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