扇葉安裝角對冷卻風扇性能影響的研究

李超，原梅妮，袁會靈，孫明，魏文菲(1.長城汽車股份有限公司技術中心河北省汽車工程技術研究中心，河北保定071000；2.中北大學機電工程學院，山西太原030051)0引言近年來，隨著汽車發動機逐步趨向小型化、輕量化和高升功率化，以及渦輪增壓、缸內直噴、缸蓋集成排氣歧管等技術的廣泛應用，發動機的散熱需求明顯提高，對冷卻系統的能力考驗更加苛刻.冷卻風扇作為車輛冷卻系統中的核心部件，能對機艙進行強制補風，實現發動機及其他散熱模塊的冷卻降溫，其性能將直接影響整個冷卻系統的實際效率[1].由于機艙環境復雜，國外較多采用冷卻風扇與冷卻系統的一體化設計，而國內廠家多考慮制作成本，加之設計技術不完善，導致一些汽車廠家多從市場選購扇葉，性能較差.特別是一些進口車的國內改款，其冷卻風扇存有較多問題，這是由于其它部件的改動改變了機艙環境，使得風扇風量表現不足[2].習羽[3]提出，影響冷卻風扇性能的因素眾多，究其敏感度由大到小依次為安裝角、扇葉弦長、曲率半徑以及輪轂比.許多學者也針對扇葉安裝角展開了深入研究.Yan等[4]將計算流體力學(ComputationalFluidDynamics,CFD)和實驗方法相結合，研究了改變扇葉安裝角對軸流風扇性能及其流場分布的影響，Wei等[5]研究了扇葉安裝角和軸向間隙對正反向水力渦輪的效率影響，二人研究結果均表明，適當的增加扇葉安裝角會不同程度地改善風扇或渦輪效率.李俊[6]以動葉可調軸流式風機為研究對象，提出該風機可隨不同工況調節扇葉安裝角，使其具有較寬的高效區間而得到廣泛應用；Zhu[7]證明了不同的扇葉安裝角和使用工況將嚴重影響動葉可調軸流式風機的使用壽命；徐甫榮[8]提出，由于動葉可調軸流式風機優越的氣動特性，其節能性最佳.以上研究大多以動葉可調軸流式風機為研究對象，雖然車用冷卻風扇與風機形似，但整車散熱系統對風扇的風量需求并非越大越好，尤其是新能源車輛，在滿足整車散熱需求的情況下，更需降低能耗.本文以汽車冷卻風扇為研究對象，在不改變扇葉形狀的前提下，借助Star-CCM+流場分析，研究了扇葉安裝角對冷卻風扇氣動性能的影響，同時考慮整車在高速行駛工況下的風量需求，進一步研究了垂直扇葉安裝角的可行性.1模型建立1.1風扇模型如圖1(a)所示為通過逆向建模技術得到的某車型冷卻風扇數模.通過將扇葉與護風圈切斷并改變扇葉安裝角，得到如圖1(b)～(e)所示的風扇模型.其他參數與廠家數據保持一致，即風扇直徑為430mm，最高轉速為2100r/min.圖1風扇模型示意圖Fig.1Diagramoffanmodels1.2風洞模型建立如圖2所示，為能準確測量和表述風扇性能，模型建立了較長的入口管路，便于形成穩定流場，并在管路中間介入監測面用于測量入口壓力和流量；由于風扇出口無監測數據，故建立了直徑為4m，長為5m的平順過渡出口區[9].圖2風洞模型Fig.2Diagramofwindtunnelmodel1.3湍流運動湍流運動是一種十分復雜，難以用公式直接表達的流動形式，其運動特點表現為非線性.但通過對湍流運動進行簡化，并借助計算機進行有限元分析，得到了一些同實際問題相近的結論和結果[10].目前，k-ε湍流模型已在工程項目中得到廣泛應用，本文選取Star-CCM+中的Realizablek-εTwo-Layer模型進行研究和表述，其中k為湍動能，ε為耗散率[11].1.4邊界條件由于風扇出口與環境相通，故模型出口使用表壓為0Pa的壓力出口(PressureOutlet)邊界條件；為消除風道內表面附面層的影響，風洞內表面邊界均使用壁面、滑移邊界(Wall、Slip)條件；而風扇表面使用壁面、無滑移邊界(Wall、No-Slip)條件來模擬其表面摩擦力；由于風速較低，將空氣視為不可壓縮流體，密度為1.128kg/m3.針對風洞模型的入口邊界，目前存在兩種設定方式：①曹久瑩[12]、習羽[3]等使用的壓力入口邊界條件；②唐釗[13]、李博[14]等使用的質量流量(MassFlowInlet)入口邊界條件.為提高仿真精度，分別使用兩種邊界條件對原始風扇模型進行CFD仿真，并與風扇臺架數據對比，得到如圖3所示的仿真對比結果.圖3仿真結果對比Fig.3Comparisonofsimulationresults如圖3(a)所示，隨著流量Q的減小，靜壓p均出現先增大后減小再增大的“駝峰”性能曲線.究其原因，發現隨著流量的變化，流體進入葉型的沖角發生改變，繼而使葉型的升力系數產生波動，最終表現出“駝峰”性能曲線[15].圖3(b)為流量入口邊界條件下的流體流向仿真圖，分別與圖3(a)中的位置(1)，(2)，(3)相對應.當流量處在位置(3)時，為風扇的設計工況，此時流體流動均勻，效率較高；當流量逐漸向位置(2)降低時，由于沖角增大，葉片升力系數增加，靜壓值上升；當流量繼續向位置(1)降低時，葉片背部產生邊界層分離，阻力增大，靜壓表現為下降趨勢；如若流量低于位置(1)并持續減小，能量沿葉高方向偏差較大，形成二次流，使從葉頂溢出的流體重新返回至葉根，并增加其流體能量，從而表現出靜壓值反彈并持續增大的效果.從流向圖可以看出，風扇在流體流量低于位置(2)時，處于非穩定工作狀態，相反，在風扇的穩定工作區，隨著流量的逐步增大，更多流體開始向輪轂方向偏轉并產生回流，能量損失增大，效率降低.通過對比圖3(a)中的仿真和試驗數據可以看出，在風扇的非穩定工作區域，仿真數據和試驗數據偏差較大，但在位置(2)處，使用質量流量為入口邊界條件的仿真結果與試驗值誤差較小，因此本文以質量流量為入口邊界條件進行仿真驗證.2扇葉安裝角影響分析將圖1(b)～(e)所示的風扇分別置入風洞模型中，在邊界條件保持一致的情況下，驗證扇葉安裝角對風扇氣動性能的影響.圖4為各風扇的p-Q特性曲線.當扇葉安裝角逆時針旋轉時，由于葉型沖角降低，造成升力系數減小，使p-Q曲線的靜壓、流量整體表現出下降趨勢；相反，當扇葉安裝角順時針旋轉5°時，p-Q曲線的靜壓值在穩定工作區域表現出明顯的增強趨勢，在低壓狀態下，流量Q得到提高，而在非穩定工作區域，流量較低，由于葉型沖角增大，流體與扇葉因碰撞損失和摩擦產生的動能損失增大[16]，p-Q曲線出現明顯波動；隨著扇葉安裝角的持續增加(水平夾角增大)，流體與扇葉間因撞擊產生的動能損失明顯增大，p-Q曲線在穩定工作區域的流量增長緩慢.圖4不同扇葉安裝角風扇的p-Q特性曲線Fig.4Thep-Qcharacteristiccurvesofdifferentbladeinstallationangles圖5為各風扇的軸功率對比曲線.由于扇葉安裝角增大，流體與扇葉因撞擊產生的阻力增大，為克服阻力，冷卻風扇軸功率隨扇葉安裝角的增加而顯著提高.圖5不同扇葉安裝角風扇的軸功率曲線Fig.5Theshaftpowercurvesofdifferentbladeinstallationangles圖6為各風扇的靜壓有效功曲線，對比發現，各曲線前半段一致性較高，當流量較低時，氣體主要依靠風扇獲得有效能量，因此靜壓有效功隨空氣流量的增大而增大，且較符合線性增長趨勢；當有效功增至最大點時，隨著流量的持續增大，風扇前后靜壓差逐漸降低，氣體從風扇獲得的有效能量逐漸減少，扇葉的促進作用逐漸降低，因此各風扇的靜壓有效功均會在曲線后半段呈拋物線狀逐漸降低；隨著扇葉安裝角的增加，曲線的線性增長區間逐漸擴大，其擴大范圍尤以逆時針旋轉5°至順時針旋轉5°的范圍區間內最為明顯，此時如若扇葉安裝角繼續增大，氣體從風扇獲得的大部分能量因與扇葉間的碰撞損失而被消耗，致使靜壓有效功的增長趨勢變緩.圖6不同扇葉安裝角風扇的靜壓有效功曲線Fig.6Theeffectivestaticpressurepowercurvesofdifferentbladeinstallationangles圖7為各風扇的靜壓效率(靜壓有效功：軸功率)對比曲線.可以看出，在非穩定工作區域，隨著扇葉安裝角的增大，風扇軸功率不斷增加，而靜壓有效功卻無明顯差異，導致靜壓效率隨扇葉安裝角的增大而逐漸降低；同時，隨著扇葉安裝角的增加，風扇的非穩定工作區間明顯擴增，風扇進入穩定工作區域時的氣體流量變大，使得風扇的靜壓有效功和靜壓效率轉入降低趨勢時的流量閾值增加，導致在各風扇的穩定工作區間內，風扇的靜壓效率隨扇葉安裝角的增大，均不同程度地得以提高.而當扇葉安裝角從順時針5°繼續增大時，鑒于軸功率和氣體徑向速度的大幅增大，增加了氣體和壁面、扇葉間的碰撞損失，同時二次流作為碰撞帶來的另一能量損耗源，限制了靜壓有效功的提升，使得扇葉安裝角在順時針旋轉8°時，其靜壓效率在絕大部分工作區域表現較差，僅當風扇流量需求過大時，其靜壓效率才逐漸優于安裝角順時針旋轉5°的風扇，但該區間范圍較小且功耗過高.圖7不同扇葉安裝角風扇的靜壓效率曲線Fig.7Thestaticpressureefficiencycurvesofdifferentbladeinstallationangles綜上所述，通過改變風扇的扇葉安裝角，可有效增大風扇的可提供風量，然而隨著安裝角的增大，風扇所需軸功率隨之增大，風扇在非穩定工作區域的靜壓效率會不斷減小，在其穩定工作區域，靜壓效率會同靜壓有效功的提高而不同程度的得到改善.3垂直扇葉安裝角的應用討論已知車輛在高速行駛(大于100km/h)工況下，自然進風較大，冷卻風扇僅需較低轉速便可滿足整車散熱需求.本文示例風扇設定轉速為1600r/min.如將扇葉安裝角調至如圖8所示的垂直狀態(與流體流向接近平行)，風扇的擋風(正投影)面積可有效降低50.5%(原風扇擋風面積為663cm2，垂直安裝角風扇擋風面積為328cm2).現討論在高速行駛工況下，使用轉速為0的垂直安裝角風扇，是否仍能滿足整車風量需求.圖8垂直安裝角冷卻風扇Fig.8Theverticalinstallationanglefan3.1邊界條件當風扇轉速為0時，靜壓有效功為0，氣體無法從風扇獲得有效能量，風扇對流場起阻礙作用，此時風洞內靜壓值沿氣體流動方向逐漸降低.已知原風洞模型出口表壓為0，因此本次仿真風洞入口壓力為高壓，與原模型相反，p-Q特性曲線將位于y軸負方向位置，為穩定工作區域.為使兩風扇進行有效對比，將原始風扇和垂直安裝角風扇引入新風洞模型進行仿真，分別設定垂直安裝角風扇轉速為0,原始風扇轉速為0和1600r/min.3.2分析結果如圖9所示為原始與垂直安裝角風扇p-Q特性曲線.圖9原始與垂直安裝角風扇p-Q特性曲線Fig.9p-Qcharacteristiccurveswithoriginalandverticalinstallationangles通過對比原始風扇在不同轉速下的特性曲線，當風扇靜壓值為負時，表明風扇對氣流起阻礙作用，然而隨著風扇轉速的提高，風量得到明顯提升，亦證明提高風扇轉速有利于降低風扇對流場的阻礙作用.通過對比垂直安裝角風扇的特性曲線發現，由于該風扇的擋風面積得到大幅減少，曲線斜率變緩，明顯降低了風扇在高進風量條件下的阻礙作用，但其阻礙作用仍高于原始風扇在1600r/min轉速條件下的本體特性.由于風扇轉速不同，在風洞或機艙內所處的靜壓環境不同，故僅依靠圖9曲線，無法對比原始風扇和垂直安裝角風扇的具體流量.借助整車CFD仿真分析，在110km/h的車速下，使用原始風扇(1600r/min)的散熱器進風量為3626m3/h，而使用垂直安裝角風扇的散熱器進風量為3166m3/h，兩者相差約12.7%.從垂直安裝角風扇的流量變化趨勢來看，如在風扇框架上增加風門設計，有利于增大該風扇在高速行駛狀態下的冷卻風量.值得考慮的是，為增大冷卻風扇進風量、提高效率、降低能耗，有必要針對動葉可調冷卻風扇進行研發設計，尤其在高速行駛工況下，通過增加風門設計、使用垂直扇葉安裝角并限制風扇轉動，即有望在降低風扇聲噪、能耗的同時，實現整車冷卻.4結論1)