基于Fluent的風(fēng)扇流場(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊 歡 李慶武

（1．常州劉國(guó)鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇 常州 213100；2．河海大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

0 引言

冷卻風(fēng)扇作為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的核心部件，其流量直接決定了汽車的散熱性能。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)通常采用理論公式與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在周期長(zhǎng)、成本高以及參數(shù)與性能匹配性差等問(wèn)題[1]。

隨著仿真技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）研究了風(fēng)扇不同的設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)其流量、功率以及效率等氣動(dòng)性能參數(shù)的影響[1-8]。張若楠等[1]基于Fluent分析風(fēng)扇的3種不同參數(shù)對(duì)散熱器進(jìn)風(fēng)量和風(fēng)扇有效功率的影響規(guī)律。金漲軍[2]基于CFD采用正交試驗(yàn)法研究葉片安裝角、弦長(zhǎng)和拱高對(duì)風(fēng)扇靜壓和功率的影響并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。鄭智方等[3]采用正交試驗(yàn)研究風(fēng)扇性能，以降低噪聲。由此可見，基于Fluent采用正交試驗(yàn)法對(duì)風(fēng)扇葉片進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)可以有效地提高風(fēng)扇的綜合性能。

該文以提高冷卻風(fēng)扇的流量為目的，采用UG建立冷卻風(fēng)扇的三維模型，基于Fluent進(jìn)行葉片流場(chǎng)仿真分析，并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行理論驗(yàn)證。采用正交試驗(yàn)法，以背壓為350 Pa時(shí)的流量為優(yōu)化目標(biāo)，以葉片數(shù)量、安裝角以及葉片長(zhǎng)度為優(yōu)化參數(shù)，從而優(yōu)化風(fēng)扇的性能。

1 風(fēng)扇流場(chǎng)建模與分析

1.1 風(fēng)扇流場(chǎng)建模與網(wǎng)格劃分

以某企業(yè)某型號(hào)冷卻風(fēng)扇為原型（如圖1所示），采用UG建立簡(jiǎn)化后的三維幾何模型。模型主要包括葉片、輪轂和外環(huán)3個(gè)部分。其中，冷卻風(fēng)扇的安裝角為35°，葉片數(shù)為7，葉片長(zhǎng)度為76 mm。

圖1 冷卻風(fēng)扇幾何模型

為了與風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，CFD仿真模型的構(gòu)建根據(jù)實(shí)際風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行設(shè)置。 為了使模擬狀態(tài)下的氣流更均勻，整個(gè)流場(chǎng)分為3個(gè)部分（進(jìn)口域、旋轉(zhuǎn)域和出口域）。

1.1.1 旋轉(zhuǎn)域

試驗(yàn)中的葉片始終處于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，為了更好地模擬氣體的流動(dòng)情況，在風(fēng)扇周圍建立圓柱形包絡(luò)體作為內(nèi)流域，半徑大小與實(shí)際風(fēng)扇外殼大小相同，圓柱體前后表面稍微超出風(fēng)扇端面（便于網(wǎng)格劃分），如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)域

1.1.2 外流場(chǎng)

根據(jù)實(shí)際模型，實(shí)驗(yàn)臺(tái)外部區(qū)域?yàn)檫M(jìn)口，內(nèi)部區(qū)域?yàn)槌隹?，因此將外流?chǎng)分為2個(gè)部分（進(jìn)口區(qū)域和出口區(qū)域），如圖3所示。

圖3 進(jìn)口域與出口域

由于風(fēng)扇葉片造型復(fù)雜，因此采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為了更好地捕捉葉片周圍區(qū)域的氣流情況，對(duì)葉片處的旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，添加膨脹層和面網(wǎng)格。通過(guò)開展網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，分別計(jì)算當(dāng)背壓為350 Pa、網(wǎng)格數(shù)量不同（約為210萬(wàn)、320萬(wàn)和400萬(wàn)）時(shí)的流量，結(jié)果表明，網(wǎng)格數(shù)為210萬(wàn)與320萬(wàn)的流量相差較大，約為3.5%；網(wǎng)格數(shù)為320萬(wàn)與400萬(wàn)的流量相差較小，約為1.0%。綜合考慮計(jì)算精度和效率，采用網(wǎng)格數(shù)約為320萬(wàn)的網(wǎng)格（如圖4所示）。

圖4 整體網(wǎng)格

1.2 邊界條件設(shè)置

該文冷卻風(fēng)扇模型所用到的邊界條件包括壓力進(jìn)口、壓力出口、壁面和交界面。由于空氣為不可壓縮流體，進(jìn)、出口分別與大氣相連通，因此將進(jìn)、出風(fēng)口邊界條件分別設(shè)置為壓力進(jìn)口和壓力出口。入口為大氣壓力，因此在多種工況條件下的相對(duì)壓差均為0 Pa。根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)，將出口壓力的背壓分別設(shè)置為0～500 Pa。將長(zhǎng)方體其余表面和圓柱外表面設(shè)置為壁面，將圓柱體與長(zhǎng)方體的交界面設(shè)置為交界面。

1.3 計(jì)算方法設(shè)置

由于風(fēng)扇的各個(gè)葉片表面都存在彎曲、扭轉(zhuǎn)的情況，導(dǎo)致流體的運(yùn)動(dòng)并不規(guī)則，因此選擇更貼合實(shí)際情況的Realizablek-ε模型，近壁處理選用增強(qiáng)壁面處理（Enhanced Wall Treatment）；當(dāng)設(shè)置求解器時(shí)，采用SIMPLEC算法，以提高收斂速度；動(dòng)量守恒方程、湍流動(dòng)能和湍流耗散率均設(shè)置用二階迎風(fēng)格式來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

1.4 仿真結(jié)果及分析

對(duì)原始風(fēng)扇實(shí)物進(jìn)行CFD流場(chǎng)仿真分析，當(dāng)背壓為350 Pa、轉(zhuǎn)速為4 425 r/min時(shí)，風(fēng)扇的靜壓云圖如圖5所示。由圖5可知，葉片的壓力只有在尾緣處為負(fù)值，其余部分為正值，最大壓力值為1 200 Pa，最小壓力值為-1 270 Pa。在葉片的吸力面，處于葉片前緣靠葉片中間位置的表面靜壓值最小，同時(shí)向兩側(cè)逐步擴(kuò)張；外環(huán)與葉片前緣相交處表面的靜壓值最大，并朝輪轂方向呈逐漸減小的趨勢(shì)。

圖5 冷卻風(fēng)扇表面靜壓圖

原始風(fēng)扇表面的速度云圖如圖6所示。由圖6可知，風(fēng)扇表面速度隨直徑的變大逐漸變大。風(fēng)扇葉片在工作時(shí)受旋轉(zhuǎn)離心力的作用，隨著半徑逐漸變大，風(fēng)扇表面的旋轉(zhuǎn)速度也開始變大，葉片表面的動(dòng)壓也逐漸增加。

圖6 冷卻風(fēng)扇表面速度云圖

通過(guò)改變出口邊界條件，賦予風(fēng)扇不同的背壓值，可以得到不同背壓下的風(fēng)扇流量，如圖7所示。當(dāng)靜壓為350 Pa時(shí)，風(fēng)扇的流量為0.38 m3/s。流量隨靜壓的增大而逐漸減小。當(dāng)靜壓為0 Pa時(shí)，冷卻風(fēng)扇的流量最大，約為0.99 m3/s；當(dāng)靜壓為500 Pa時(shí)，流量達(dá)到最小值，約為0.28 m3/s。

圖7 不同背壓下風(fēng)扇的流量

2 風(fēng)洞試驗(yàn)驗(yàn)證

企業(yè)提供的風(fēng)扇氣動(dòng)性能風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖如圖8所示。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用定靜壓的方式來(lái)測(cè)量相關(guān)參數(shù)和風(fēng)量。首先，設(shè)定靜壓值，采用PID儀表測(cè)得靜壓值。其次，讀取當(dāng)前靜壓下的各項(xiàng)數(shù)值，例如大氣壓、差壓、靜壓以及出風(fēng)口風(fēng)速等數(shù)值，以計(jì)算流量。最后，得到不同背壓下的流量數(shù)據(jù)。

圖8 風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)臺(tái)

背壓為100～400 Pa的流量試驗(yàn)值與數(shù)值解對(duì)比如圖9所示。對(duì)比試驗(yàn)值與數(shù)值解可以看出，隨著背壓的增大，二者均變小。數(shù)值解均小于測(cè)試值，平均誤差約為8.8%；當(dāng)背壓為200 Pa時(shí)，誤差最小，約為2%。造成誤差的原因主要有2點(diǎn)：1） 實(shí)驗(yàn)臺(tái)存在一定的測(cè)試誤差。2） 仿真分析時(shí)對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，導(dǎo)致模型存在一定誤差。綜合考慮誤差的原因和結(jié)果，可以認(rèn)為仿真模型和結(jié)果是準(zhǔn)確、可靠的。

圖9 數(shù)值解與風(fēng)洞試驗(yàn)值對(duì)比

3 正交試驗(yàn)法優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 正交試驗(yàn)表

以企業(yè)提供的風(fēng)扇原型為參考，采用正交試驗(yàn)法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的風(fēng)扇要求在尺寸限制的條件下，盡可能提高各背壓下的流量。由于實(shí)際應(yīng)用中最常用的為高背壓段（300 Pa～450 Pa），因此選取背壓為350 Pa時(shí)的流量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。所設(shè)計(jì)的風(fēng)扇內(nèi)徑、外徑尺寸已限制，當(dāng)風(fēng)扇葉片過(guò)長(zhǎng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致成本增加、風(fēng)扇安裝困難；當(dāng)葉片過(guò)短時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氣流在葉片尖部產(chǎn)生過(guò)大的渦流，因此風(fēng)扇的葉片長(zhǎng)度變動(dòng)范圍較小，取75 mm、76 mm以及76.5mm。由于當(dāng)葉片數(shù)過(guò)多時(shí)會(huì)導(dǎo)致摩擦損失增大，降低效率，因此葉片數(shù)取5片、6片以及7片。原始葉片的安裝角為35°，試驗(yàn)中變換安裝角，取33°、35°以及37°。

綜上所述，選取葉片長(zhǎng)度、數(shù)目以及安裝角作為試驗(yàn)因子，每個(gè)試驗(yàn)因子各取3個(gè)水平。不考慮因子間的交互作用，共形成9種試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄒ姳?），查詢正交表格選擇L9（33）（正交表，共9列（三水平三因素））進(jìn)行正交試驗(yàn)。

表1 正交試驗(yàn)表

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)給定的模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，結(jié)果見表2。K1、K2以及K3分別代表在各個(gè)因素、各個(gè)水平下的流量的總和，單位為m3/s；ki（i=1，2，3）表示任一列上因素取水平i時(shí)所得流量的算術(shù)平均值,單位為m3/s。極差Rm為各個(gè)因素的不同水平對(duì)冷卻風(fēng)扇流量的影響，極差值越大表示該因素的變動(dòng)對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響越大。

由表2可知，葉片數(shù)量、安裝角和葉片長(zhǎng)度3個(gè)因素及3個(gè)因素所對(duì)應(yīng)的水平值對(duì)流量均有不同程度的影響。通過(guò)極差分析3個(gè)因素的顯著性和各因素的最優(yōu)水平值可得，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響最大的是葉片數(shù)目，其次是葉片長(zhǎng)度，影響最小的是安裝角。由分析結(jié)果可知，第三個(gè)模型的流量為0.434 m3/s，比原始設(shè)計(jì)模型的流量增加了14.2%。最優(yōu)葉片的參數(shù)為安裝角33°，葉片長(zhǎng)度76.5 mm，葉片數(shù)7片。

表2 正交試驗(yàn)結(jié)果極差分析

為了更直觀地看出因素與指標(biāo)的關(guān)系，以因素水平為橫坐標(biāo)，流量平均值ki（i=1，2，3）為縱坐標(biāo)，得出流量隨葉型參數(shù)的變化規(guī)律。風(fēng)扇安裝角與流量的關(guān)系如圖10（a）所示，隨著安裝角的增加，風(fēng)扇的流量先減少增加，在安裝角為35°時(shí)取得最小值。風(fēng)扇葉片長(zhǎng)度與流量的關(guān)系如圖10（b）所示，當(dāng)葉片長(zhǎng)度由75.0 mm增至76.5 mm時(shí)，葉片的流量由0.334 8 m3/s逐漸增至0.385 6 m3/s。其原因是隨著葉片長(zhǎng)度的增加，葉片與流體區(qū)域的接觸面積變大，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)與流體的相互作用面積變大，從而使流量增大。流量隨風(fēng)扇葉片數(shù)的變化關(guān)系如圖10（c）所示，隨著葉片數(shù)由5片增至7片，風(fēng)扇的流量呈持續(xù)增加的趨勢(shì)，當(dāng)葉片數(shù)目為7片時(shí)，流量達(dá)到最大值；當(dāng)葉片數(shù)目為5片時(shí)，流量達(dá)到最小值，二者流量相差0.140 9 m3/s。其原因是隨著葉片數(shù)目的增加，葉片與流體之間的接觸面積呈倍數(shù)增加，因此風(fēng)扇的流量呈正比例增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

圖10 流量與安裝角、葉片長(zhǎng)度和葉片數(shù)的關(guān)系

3.3 不同背壓下優(yōu)化前后對(duì)比

通過(guò)試驗(yàn)得到當(dāng)背壓為350 Pa時(shí)的流量最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，以此為基礎(chǔ)，改變背壓，得到不同背壓下優(yōu)化后的風(fēng)扇的流量值，并將結(jié)果與原始結(jié)構(gòu)的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果如圖11（a）所示，背壓從0 Pa增至500 Pa，優(yōu)化后的流量變化趨勢(shì)與優(yōu)化前的流量變化趨勢(shì)基本一致，隨著背壓的增大而減少；且在各背壓下，優(yōu)化后的流量均優(yōu)于優(yōu)化前的流量。在實(shí)際應(yīng)用中最常用的300 Pa、350 Pa以及400 Pa背壓下，流量分別提高了約10.744%、14.830%和2.780%。

圖11 原始風(fēng)扇與優(yōu)化風(fēng)扇流量對(duì)比圖

4 結(jié)語(yǔ)

該文基于Fluent對(duì)風(fēng)扇葉片流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，并采用正交試驗(yàn)法，以提高葉片流量為優(yōu)化目標(biāo)，以葉片安裝角、長(zhǎng)度以及數(shù)目為優(yōu)化參數(shù)對(duì)葉片進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)論如下：1） 葉片表面靜壓值最高在葉片前緣，隨著出口背壓的不斷增大，流量逐漸降低。2） 優(yōu)化后的冷卻風(fēng)扇在不同背壓下的出口流量均有所提高，在實(shí)際應(yīng)用中最常用的300 Pa、350 Pa以及400 Pa背壓下，流量分別提高了約10.744%、14.830%和2.780%，有效地提高了風(fēng)扇的工作性能。3） 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了數(shù)值仿真模型和方法的可靠性，對(duì)風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。