轴流式发动机冷却风扇气动性能与气动噪声数值分析.pdf

文章编号：2 0 9 5 1 2 4 8 ( 2 0 1 7 ) 0 l 一0 0 5 0 0 7 轴流式发动机冷却风扇气动性能与 气动噪声数值分析 赵立杰1 ，王新玲1 ，署恒涛2 ，段耀龙3 ，竺菲菲3 ( 1 沈阳航空航天大学机电工程学院，沈阳1 1 0 1 3 6 ；2 华南理工大学机械与汽车工程学院， 广州5 1 0 6 4 1 ；3 宁波雪龙集团股份有限公司技术研发中心，浙江宁波3 1 5 8 0 0 ) 摘要：基于商用软件F l u e n t ，I ) A ( G B T 1 2 3 6 2 0 0 0 工业通风机用标准化风道进行性能试验中C 型装置为标准建立了风扇气动性能试验台，介绍了风扇气动性能的计算方法与相关模型参数的设 置。以某款风扇为例，计算了静压、功率和效率与流量的关系及噪声水平。并与试验结果进行对 比，静压、功率、效率的误差均在6 以内；噪声误差虽然较大，但趋势一致，可用于不同风扇噪声对 比。通过研究风扇内部流场，分析了风扇表面压力与速度分布规律以及噪声形成的主要原因，结 果表明：叶尖间隙是风扇效率低下的主要原因，同时叶尖涡是风扇涡流噪音的主要贡献者，如果能 减小叶尖间隙不仅可提高效率，还可有效控制叶尖涡流，达到降噪的目的。 关键词：冷却风扇；计算流体力学；气动性能；气动噪声 中图分类号：T K 4 1 4 2文献标志码：A d o i ：1 0 3 9 6 9 j i s s n 2 0 9 5 1 2 4 8 2 0 1 7 叭0 0 8 C a l c u l a t i o na n da n a l y s i so na e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c ea n d a e r o d y n a m i cn o i s eo fc o o l i n gf a ni na x i a l - f l o we n g i n e Z H A OL i - j i e l ，W A N GX i n l i n 9 1 ，S H UH e n g t a 0 2 ，D U A NY a o l o n 9 3 ，Z H UF e i f e i 3 ( 1 S c h o o lo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r i c a lE n g i n e e r i n g ，S h e n y a n gA e r o s p a c eU n i v e r s i t y ，S h e n y a n g1 1 0 1 3 6 ，C h i n a ；2 S c h o o lo f M e c h a n i c a la n dA u t o m o t i v eE n g i n e e r i n g ，S o u t hC h i n aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u5 1 0 6 4 1 ，C h i n a ；3 T e c h n o l o g y R e s e a r c ha n dD e v e l o p m e n tC e n t r e ，N i n g b oX u e l o n gG r o u pC o ，L t d ，N i n g b o3 1 5 8 0 6 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：At e s t - b e n c hf o ra e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fc o o l i n gf a ni na x i a l - f l o we n g i n ew a ss e tu pb a s e d o nat y p eCd e v i c ei nG B - T 1 2 3 6 2 0 0 0 ( S t a n d a r d i z e dd u c tf o ri n d u s t r i a lv e n t i l a t o r sc o n d u c t sp e r f o r m a n c e t e s t s ) u s i n gac o m m e r c i a ls o f t w a r e ( F l u e n t ) Am e t h o dc a l c u l a t i n ga e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ef a na n d s e t t i n gr e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h em o d e lw a si n 仃o d u c e d T a k i n gac e r t a i nf a na sa ne x a m p l e n o i s e1 e v e la n d r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nf l o wr a t e sa n do t h e rp a r a m e t e r s ( i e s t a t i cp r e s s u r e ，p o w e r ，a n de f f i c i e n c y ) w e r ec a l c u 一 1 a t e d T h ec a l c u l a t e dr e s u l t sw e r ec o m p a r e dw i t ht h em e a s u r e dd a t a T h ec o m p a r i s o n ss h o wt h a tt h ec a l c u l a t i o ne r r o r so fs t a t i cp r e s s u r e p o w e ra n de f f i c i e n c ya r el e s st h a n6 ，C h a n g e 吮n do ft h ec a l c u l a t e dp a r a m e t e r si sc o n s i s t e n tw i t ht h a to ft h em e a s u r e dv a l u e sd e s p i t et h eh i g hn o i s ee r r o r T h ec a l c u l a t i o nm e t h o dc a nb e u s e dt oc o m p a r en o i s eo fd i f f e r e n tc o o l i n gf a n s T h ed i s t r i b u t i o no fp r e s s u r ea n dv e l o c i t yo ns u r f a c eo ft h e f a na n dm a i nc a u s e sf o rn o i s ew e r ef u r t h e ra n a l y z e db ys t u d y i n gf l o wf i e l di n s i d et h ef a n T h er e s u l t si n d i c a t e t h a tt i pc l e a r a n c ei st h em a i nc a u s ef o rl o we f f i c i e n c yo ft 1 1 ef a n a n dt i pv o r t e xl e dt ot h ev o r t e xn o i s eo f f a n I ft i pc l e a r a n c ei sr e d u c e d ，c o o l i n ge f f i c i e n c yw i l lb ei m p r o v e da n dt I l et i pv o r t e xw i l la l s ob ec o n 仃o l l e d 收稿日期：2 0 1 6 1 1 1 8 作者简介：赵立杰( 1 9 6 4 一) ，男，辽宁沈阳人，副教授，主要研究方向：智能材料与智能结构，E - m a i l ：z h a o l j s a u e d u e l l 。 万方数据 第1 期赵立杰，等：轴流式发动机冷却风扇气动性能与气动噪声数值分析 5 1 e f f e c t i v e l yt or e d u c en o i s e K e yw o r d s ：c o o l i n gf a n s ；C F D ；a e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ；a e r o d y n a m i cn o i s e 由于轴流式风扇重量轻、成本低、结构简单， 在现代汽车中得到了普遍采用。作为发动机冷却 系统的重要组成部分，其性能的好坏将直接影响 发动机的散热、功耗与噪声状况。1 。冷却风扇 的主要性能参数为流量、静压、功率、静压效率与 风扇转速的关系，风扇设计是在保证一定的静压 下，尽可能降低功率和噪声，提高风扇效率旧4 1 。 文献 5 运用C F D 计算与粒子图像测速技 术( P I V ) 对风扇流场进行研究，研究表明，C F D 可 成功地预测风扇实际流场细节问题。文献 7 中 运用多重参考系方法( M u l t i p l eR e f e r e n c eF r a m e ， M R F ) ，对冷却风扇及旋转域大小进行了研究。 文献 7 利用C F D 技术对发动机轴流冷却风扇 的气动性能进行了研究，并探讨了计算声学 ( C A A ) 在噪声控制中的应用。文献 8 基于L E S 大涡模型与F W H 方程，用瞬态计算方法对风 扇进行C A A 数值模拟。文献 9 用稳态计算方 法与F W H 模型对风扇进行气动噪声的计算， 验证了稳态计算风扇噪声的方法可以用于风扇设 计初期噪声的计算；文献 1 1 用宽频噪声模型研究 了叶尖间隙、人口形状以及翼形形状对噪声的影响。 本文建立了发动机冷却风扇性能计算的 C F D 模型，介绍了风扇气动性能与气动噪声的计 算方法、求解技术以及模型参数的选择，计算并分 析了发动机冷却风扇的静压、功率、效率与流量的 关系以及噪声水平。将计算结果与实验值进行对 比，验证了计算模型的正确性。同时对风扇内部 压力场、速度场以及噪音分布进行分析，分析了风 扇效率低下的原因与影响风扇涡流噪音的主要因 素，并提出了改进方法。 1 发动机冷却风扇性能试验 为获得发动机冷却风扇气动性能参数，实验 采用以 G B T 1 2 3 6 2 0 0 0 工业通风机用标准化 风道进行性能试验为标准建立的风扇性能试验 台。由于发动机冷却风扇无前、后导叶，同时压力 较低，因此采用管道进口一自由出I X l 型测试装 置1 1 1 ，如图1 所示。 1 锥形进E l ；2 流量加载板；3 , 5 整流格栅；4 试验管道 6 冷却风扇；7 转速、扭矩传感器；8 驱动电机； 9 1 0 U 型管压力计 图1 风扇气动性能试验台示意图 该装置主要由可变供气系统、管道、驱动电机 等组件组成。其中：锥形进口1 和流量加载板2 组成可变供气系统来调控进口流量g ( 单位：m 3 S ) ；整流格栅3 、5 用于稳定气流；U 型压力计9 、 l O 测试管道进口处及监测面位置气流压力，进而 得到风扇静压力P 。( 单位：P a ) ；驱动电机8 调控 风扇转速n ( 单位：r m i n ) ；转速、扭矩传感器7 测 量驱动电机扭矩值丁( 单位：N m ) ；定义风扇轴功 率P ( 单位：k W ) 和静压效率叼如式( 1 ) 和式( 2 ) 所示13 |