譚禮斌,袁越錦,王 萍,冷小麗,唐 琳,黃 燦,余千英

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710021；2.重慶隆鑫通用動(dòng)力股份有限公司 技術(shù)中心基礎(chǔ)研究所CFD研究室,重慶 400039 )

0 引言

工程機(jī)械如輸送泵、挖掘機(jī)、壓路機(jī)等、輕工機(jī)械如造紙機(jī)、多烘缸紙張干燥機(jī)、通用發(fā)電機(jī)組等設(shè)備使用工況都比較惡劣，且運(yùn)行時(shí)間特別長(zhǎng).長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行工作容易造成機(jī)械產(chǎn)品灰塵累積、溫度高等問(wèn)題，從而使產(chǎn)品壽命降低.因此，對(duì)工程機(jī)械、輕工機(jī)械使用的發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到人們的重視[1].其中，冷卻風(fēng)扇是發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中最核心部件之一，其工作性能的好壞直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能及使用壽命[2].冷卻風(fēng)扇的主要功能是以風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)控制冷卻風(fēng)流量，合理地實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)周圍各高溫部件的冷卻，從而使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠在最佳狀態(tài)下運(yùn)行，功率最大化[3].冷卻風(fēng)扇在發(fā)動(dòng)機(jī)不同轉(zhuǎn)速下的流量是評(píng)估風(fēng)扇性能的一個(gè)重要指標(biāo)，合理的風(fēng)扇風(fēng)量值才能更好地保證發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)備總體的工作性能及其運(yùn)行可靠性.

采用試驗(yàn)測(cè)試的方法可以獲取冷卻風(fēng)扇性能，為風(fēng)扇設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供參考，但由于試驗(yàn)周期較長(zhǎng)、成本高，在產(chǎn)品前期開(kāi)發(fā)及性能評(píng)估應(yīng)用越來(lái)越少.隨著計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真(CFD:Computational Fluid Dynamics)技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展與運(yùn)用，基于CFD數(shù)值仿真方法來(lái)預(yù)測(cè)冷卻風(fēng)扇性能已成為旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)品行業(yè)的趨勢(shì).國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)冷卻風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)及其性能分析進(jìn)行了大量的仿真模擬及實(shí)驗(yàn)研究[4-18]，如陳慧敏等[19]利用ANSYS Workbench軟件對(duì)風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了靜壓、功率、效率與風(fēng)扇風(fēng)量間的關(guān)系；張代勝等[20]利用流體分析軟件Fluent對(duì)冷卻風(fēng)扇進(jìn)行了流場(chǎng)和氣動(dòng)噪聲數(shù)值模擬分析，得出在降低噪聲的同時(shí)必須保證冷卻風(fēng)扇的性能;Pogorelov等[21]利用商業(yè)流體分析軟件CFX研究了葉片葉頂間隙尺寸對(duì)風(fēng)扇流場(chǎng)的影響；Gallonia等[22]利用ANSYS Fluent研究了葉片形狀和數(shù)量對(duì)某電動(dòng)摩托冷卻用徑向風(fēng)扇的工作性能的影響，為葉片優(yōu)化提供了初步建議.由此可見(jiàn)，依據(jù)數(shù)值仿真分析的仿真預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品性能的評(píng)估和優(yōu)化方案的尋找已經(jīng)在旋轉(zhuǎn)機(jī)械產(chǎn)品領(lǐng)域得到廣泛的運(yùn)用.

目前國(guó)產(chǎn)摩托車采用的強(qiáng)制風(fēng)冷發(fā)動(dòng)機(jī)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能檢測(cè)工作中都普遍存在熱負(fù)荷過(guò)高的問(wèn)題，因此，摩托發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇性能的評(píng)估對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)散熱性能的評(píng)測(cè)極其重要[23].摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積較小，工作性能的好壞對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果具有極大的影響.目前對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建及仿真分析對(duì)比的相關(guān)研究較少.采用實(shí)驗(yàn)分析研究冷卻風(fēng)扇的性能可以評(píng)估冷卻風(fēng)扇對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻效果，同時(shí)利用實(shí)測(cè)的參數(shù)來(lái)標(biāo)定仿真計(jì)算模型，可以驗(yàn)證仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，對(duì)冷卻風(fēng)扇結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和優(yōu)化具有非常重要的指導(dǎo)意義.因此，本文以某摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇為研究對(duì)象，搭建摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的測(cè)試平臺(tái)；同時(shí)，基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(CFD)創(chuàng)建與測(cè)試平臺(tái)等比例的流體計(jì)算域物理模型，利用商業(yè)流體分析軟件STAR-CCM+11.06對(duì)冷卻風(fēng)扇的內(nèi)部流場(chǎng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，預(yù)測(cè)其在運(yùn)行工況下的風(fēng)扇性能，并與實(shí)驗(yàn)測(cè)試的風(fēng)扇風(fēng)量值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證分析，驗(yàn)證CFD數(shù)值仿真的可靠性，同時(shí)評(píng)估實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠性.本文研究結(jié)果可為后續(xù)冷卻風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)改進(jìn)及性能提升提供相應(yīng)的優(yōu)化思路和理論參考.

1 冷卻風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)測(cè)試

某型發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)測(cè)試在某司工程研究中心完成，測(cè)試方法和測(cè)試步驟完全按照GB/T 1236-2000《工業(yè)通風(fēng)機(jī)用標(biāo)準(zhǔn)化風(fēng)道進(jìn)行性能試驗(yàn)》執(zhí)行[24].冷卻風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備圖如圖1所示.

圖1 冷卻風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置圖

將用于測(cè)試的冷卻風(fēng)扇樣件安裝在圖1所示的測(cè)試工裝上(按照冷卻風(fēng)扇大小制定等比例的安裝工裝)，并連接到風(fēng)扇測(cè)試風(fēng)洞裝置上進(jìn)行測(cè)試.測(cè)試過(guò)程中給定風(fēng)扇輸入電源為12 V，冷卻風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速通過(guò)紅外轉(zhuǎn)速儀測(cè)定.測(cè)試不同風(fēng)壓時(shí)風(fēng)扇的流量、轉(zhuǎn)速、功率，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)時(shí)采集測(cè)試結(jié)果.風(fēng)壓通過(guò)測(cè)定噴嘴前后的靜壓值來(lái)設(shè)定，靜壓值通過(guò)內(nèi)外壓差變送器(日本橫河公司生產(chǎn))來(lái)控制，壓差變送器測(cè)試精度為±0.175%FS,控制精度為±2 Pa.通過(guò)多噴嘴流量測(cè)試系統(tǒng)可以獲得冷卻風(fēng)扇不同風(fēng)壓下的流量大小.其中，單個(gè)噴嘴的流體流量(風(fēng)量)與噴嘴流量系數(shù)、噴嘴喉部面積、噴嘴前后靜壓差、流體密度有關(guān)系，其中噴嘴流量系數(shù)與流體物理屬性有關(guān)[24].通過(guò)單個(gè)噴嘴的流體流量按下式計(jì)算：

(1)

式(1)中：Q為通過(guò)噴嘴的流體流量，m3/h；C為噴嘴流量系數(shù)，根據(jù)雷諾數(shù)可以獲得流量系數(shù)[24]；A為噴嘴喉部面積m2；Δp為噴嘴前后的靜壓差，Pa；ρ為噴嘴喉部的流體密度，kg/m3.

冷卻風(fēng)扇測(cè)試風(fēng)洞原理簡(jiǎn)圖如圖2所示.冷卻風(fēng)扇測(cè)試過(guò)程及評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試流程一一執(zhí)行，獲取的冷卻風(fēng)扇風(fēng)量實(shí)測(cè)結(jié)果具有一定可靠性，用于與仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證分析，驗(yàn)證基于CFD數(shù)值仿真方法預(yù)測(cè)冷卻風(fēng)扇工作性能的可靠性.表1為測(cè)試得到的冷卻風(fēng)扇在不同風(fēng)壓下對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速及冷卻風(fēng)扇流量值.

圖2 風(fēng)扇測(cè)試風(fēng)洞原理簡(jiǎn)圖

表1 冷卻風(fēng)扇風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

2 物理模型

某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇實(shí)物圖及等比例繪制的3D模型圖如圖3所示.將等比例繪制的3D模型在ANSYS SPACECLAIM 2016軟件中進(jìn)行前處理及流體計(jì)算域物理模型的創(chuàng)建，完成后將計(jì)算域物理模型導(dǎo)入通用流體分析軟件STAR-CCM+11.06，采用多面體網(wǎng)格和邊界層網(wǎng)格類型對(duì)風(fēng)扇計(jì)算域模型進(jìn)行初步網(wǎng)格劃分，獲得相應(yīng)的計(jì)算域網(wǎng)格模型圖(如圖4所示).該計(jì)算域模型主要分為進(jìn)口半球面區(qū)域、旋轉(zhuǎn)流體域區(qū)域、出口區(qū)域(非旋轉(zhuǎn)域)三個(gè)部分.考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇計(jì)算域模型中不同區(qū)域的流場(chǎng)變化不同，旋轉(zhuǎn)區(qū)域的流場(chǎng)變化較劇烈，因此采用分區(qū)域劃分網(wǎng)格的方法對(duì)冷卻風(fēng)扇計(jì)算域模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，旋轉(zhuǎn)流體域的網(wǎng)格尺寸較小，進(jìn)口半球面區(qū)域的網(wǎng)格尺寸較大，非旋轉(zhuǎn)區(qū)域的網(wǎng)格尺寸最大.依據(jù)網(wǎng)格參數(shù)控制策略經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置初始網(wǎng)格尺寸并執(zhí)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分完成后整個(gè)計(jì)算域模型的初始網(wǎng)格數(shù)量約為590萬(wàn).流體計(jì)算域物理模型按照實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置進(jìn)行等比例繪制搭建，其中非旋轉(zhuǎn)域半球形面的直徑約為風(fēng)扇葉片外徑的4倍.

(a)實(shí)物圖 (b)3D模型圖3 冷卻風(fēng)扇模型示意圖

圖4 冷卻風(fēng)扇流體計(jì)算域物理模型示意圖

3 數(shù)學(xué)模型

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)基本控制方程包括連續(xù)性方程(質(zhì)量守恒方程)、Navier-Stokes方程(動(dòng)量守恒方程)、能量守恒方程[25,26].本文假設(shè)冷卻風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)氣流流動(dòng)狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，流體介質(zhì)為不可壓縮流體，整個(gè)流動(dòng)過(guò)程模擬中不考慮熱量的交換，因此本文冷卻風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)的數(shù)值模擬只需求解流體連續(xù)性方程和動(dòng)量方程.在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇數(shù)值模擬研究中，k-ε模型具有較高求解精度和收斂速度的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用[27].因此，本文選定STAR-CCM+中Realizablek-ε湍流模型進(jìn)行摩托發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)特性的數(shù)值模擬計(jì)算.依據(jù)上述計(jì)算模型的簡(jiǎn)化，冷卻風(fēng)扇數(shù)值模擬過(guò)程中涉及的相關(guān)數(shù)學(xué)方程表達(dá)如下：

(1)連續(xù)方程(質(zhì)量守恒定律)

(2)

(2)Navier-Stokes方程(動(dòng)量守恒定律)

(3)

式(3)中：ui、uj是平均速度分量，m/s，xi、xj為坐標(biāo)分量，m；p是流體微元體上的壓力，Pa；μeff是湍流有效黏性系數(shù)，Pa·s.

(3)k-ε兩方程湍流模型

(4)

式(4)中：Gk為速度梯度產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)，Gb為浮力產(chǎn)生的湍動(dòng)能項(xiàng)，YM表為脈動(dòng)擴(kuò)張項(xiàng)，C1ε,C2ε,C3ε為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)，σk,σε分別為與湍動(dòng)能k和耗散率相對(duì)應(yīng)的Prandtl數(shù)，Sk和Sε為用戶自定義的源項(xiàng).

4 邊界條件

冷卻風(fēng)扇流體計(jì)算域物理模型中主要分為風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域和非旋轉(zhuǎn)域兩個(gè)計(jì)算域，計(jì)算前需要將邊界類型及邊界數(shù)值賦予指定的邊界，從而可以真實(shí)還原冷卻風(fēng)扇的測(cè)試工況，進(jìn)行冷卻風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果的對(duì)比驗(yàn)證分析.本文的邊界條件設(shè)置如下：

(1)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)域：針對(duì)風(fēng)扇的數(shù)值模擬，STAR-CCM+中通常有滑移網(wǎng)格(Sliding Mesh)、風(fēng)扇動(dòng)量源(Fan Momentum Source)和運(yùn)動(dòng)參考系法(Moving Reference Frame，簡(jiǎn)稱MRF)，其中滑移網(wǎng)格用于瞬態(tài)模擬，動(dòng)量源法用于無(wú)風(fēng)扇實(shí)體的模擬[11,28,29].本文有風(fēng)扇實(shí)體模型，且為穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬，因此本文采用運(yùn)動(dòng)參考系法對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇性能進(jìn)行數(shù)值模擬分析.通過(guò)MRF方法實(shí)現(xiàn)動(dòng)-靜面間的數(shù)據(jù)傳遞，給旋轉(zhuǎn)葉片區(qū)域(旋轉(zhuǎn)域)設(shè)定旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向，即可實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn).冷卻風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)及旋轉(zhuǎn)方向如圖5所示，風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)速度為實(shí)驗(yàn)測(cè)試中風(fēng)扇實(shí)際工況下的運(yùn)行轉(zhuǎn)速.

圖5 冷卻風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)及旋轉(zhuǎn)方向示意圖

(2)非旋轉(zhuǎn)域入口邊界：設(shè)置為滯止入口(stagnation inlet)，相對(duì)大氣壓力的總壓為0 Pa.

(3)非旋轉(zhuǎn)域出口邊界：設(shè)置為壓力出口(pressure outlet)，相對(duì)大氣壓力的靜壓值按照實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境下各工況的測(cè)試風(fēng)壓值進(jìn)行設(shè)定.

(4)固壁邊界：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的葉片、輪轂面和非旋轉(zhuǎn)區(qū)域(除去入口、出口)與流體域所有的接觸面都設(shè)置為壁面(WALL)邊界，采用絕熱無(wú)滑移壁面條件，計(jì)算域壁面參數(shù)采用 STAR-CCM+推薦的Two-Layer All Y+Wall Treatment ，對(duì)近壁區(qū)進(jìn)行處理.

本文采用迭代仿真的方法進(jìn)行冷卻風(fēng)扇內(nèi)部穩(wěn)態(tài)流動(dòng)特性的數(shù)值模擬分析，即采用場(chǎng)函數(shù)(Field Function)進(jìn)行變工況邊界條件的設(shè)置，計(jì)算冷卻風(fēng)扇在不同風(fēng)壓不同轉(zhuǎn)速下對(duì)應(yīng)的風(fēng)量值.具體設(shè)置如下：

(1)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)速度邊界場(chǎng)函數(shù)設(shè)置如下：${Iteration}<=5000?4213:(${Iteration}<=10000?4167:(${Iteration}<=15000?4172:(${Iteration}<=20000?4196:(${Iteration}<=25000?4194:(${Iteration}<=30000?4026:4000)))))

(2)壓力出口邊界條件場(chǎng)函數(shù)設(shè)置如下：${Iteration}<=5000?0:(${Iteration}<=10000?9.9:(${Iteration}<=15000?19.9:(${Iteration}<=20000?39.8:(${Iteration}<=25000?50.9:(${Iteration}<=30000?60:80)))))

整個(gè)冷卻風(fēng)扇仿真計(jì)算中，共計(jì)算六個(gè)工況點(diǎn).每個(gè)工況點(diǎn)迭代求解步為5 000步，六個(gè)工況點(diǎn)的計(jì)算總步數(shù)為30 000步，即完成冷卻風(fēng)扇在0 Pa、9.9 Pa、19.9 Pa、39.8 Pa、50.9 Pa、60 Pa六個(gè)不同風(fēng)壓下進(jìn)出口流量的計(jì)算.計(jì)算中采用STAR-CCM+的Auto-Save功能或Solution history對(duì)每個(gè)計(jì)算工況點(diǎn)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)，存儲(chǔ)設(shè)置為每5 000計(jì)算步存儲(chǔ)一次Auto-Save File或Solution History.

5 模擬結(jié)果及分析

5.1 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性研究

冷卻風(fēng)扇計(jì)算域網(wǎng)格的劃分方法和網(wǎng)格參數(shù)控制策略對(duì)計(jì)算域模型的網(wǎng)格數(shù)量和網(wǎng)格質(zhì)量有著直接的聯(lián)系，而網(wǎng)格質(zhì)量地好壞對(duì)數(shù)值仿真預(yù)測(cè)的結(jié)果具有一定的影響[30].采取分區(qū)域網(wǎng)格的劃分方法和合適的網(wǎng)格參數(shù)對(duì)主要流動(dòng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密細(xì)化處理的策略相結(jié)合可提高網(wǎng)格質(zhì)量，減小因計(jì)算域網(wǎng)格質(zhì)量而引起的仿真計(jì)算誤差.因此，本文對(duì)19.9 Pa、39.8 Pa兩個(gè)風(fēng)壓下的冷卻風(fēng)扇計(jì)算模型進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證研究，以確定合適的網(wǎng)格劃分策略.本文相關(guān)體加密示意圖如圖6所示.非旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響不大，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)影響的主要是旋轉(zhuǎn)主流區(qū)域和風(fēng)扇葉片網(wǎng)格.因此，本文非旋轉(zhuǎn)域體網(wǎng)格加密尺寸設(shè)置為16 mm，過(guò)渡區(qū)域?yàn)楸ＷC較好的網(wǎng)格過(guò)渡，block加密的基本尺寸設(shè)置為8 mm.

圖6 不同區(qū)域網(wǎng)格加密示意圖

STAR-CCM+11.06中自帶的網(wǎng)格生成工具可生成多面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、切割體網(wǎng)格三種非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，也可生成薄板網(wǎng)格、拉伸網(wǎng)格、周期網(wǎng)格等2.5D結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.本文對(duì)比分析多面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格、切割體網(wǎng)格三種非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法對(duì)冷卻風(fēng)扇風(fēng)量計(jì)算結(jié)果的影響(風(fēng)扇葉片基本尺寸設(shè)置為1 mm).圖7表示不同網(wǎng)格類型對(duì)冷卻風(fēng)扇風(fēng)量計(jì)算結(jié)果的影響.從圖7可以看出，不同網(wǎng)格類型下冷卻風(fēng)扇的風(fēng)量計(jì)算結(jié)果差異不大.三種網(wǎng)格類型的網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間排序?yàn)椋憾嗝骟w網(wǎng)格<切割體網(wǎng)格<四面體網(wǎng)格.因此，選擇多面體網(wǎng)格作為后續(xù)網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性研究和分析計(jì)算.

網(wǎng)格數(shù)量無(wú)關(guān)性研究則是通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)域加密尺寸來(lái)研究不同網(wǎng)格數(shù)量對(duì)冷卻風(fēng)扇風(fēng)量計(jì)算結(jié)果的影響.圖8所示為不同旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格加密尺寸下風(fēng)扇葉輪局部網(wǎng)格示意圖.圖9為不同網(wǎng)格數(shù)量下冷卻風(fēng)扇風(fēng)量計(jì)算結(jié)果.當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量超過(guò)600萬(wàn)(旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格加密尺寸1 mm，葉尖加密尺寸0.25 mm時(shí)，網(wǎng)格數(shù)量約為640萬(wàn))，冷卻風(fēng)扇風(fēng)量的仿真計(jì)算值幾乎沒(méi)變化.

綜合網(wǎng)格類型和網(wǎng)格數(shù)量的研究結(jié)果，考慮到計(jì)算資源和計(jì)算精度問(wèn)題，本文選擇多面體網(wǎng)格類型進(jìn)行冷卻風(fēng)扇流體計(jì)算域物理模型的網(wǎng)格劃分.冷卻風(fēng)扇計(jì)算域模型的網(wǎng)格參數(shù)控制策略為：非旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格尺寸16 mm，過(guò)渡區(qū)域網(wǎng)格尺寸8 mm，旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格尺寸1 mm，葉尖加密尺寸0.25 mm，邊界層層數(shù)6層，邊界層增長(zhǎng)比1.5，風(fēng)扇邊界層厚度0.4 mm，其余邊界層厚度1 mm.

圖7 不同網(wǎng)格類型下冷卻風(fēng)扇風(fēng)量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

圖8 冷卻風(fēng)扇葉片網(wǎng)格局部圖

圖9 不同網(wǎng)格數(shù)量下冷卻風(fēng)扇風(fēng)量計(jì)算結(jié)果對(duì)比

5.2 仿真收斂性判定

仿真計(jì)算結(jié)果收斂與否要通過(guò)查看通過(guò)STAR-CCM+的Reports功能監(jiān)測(cè)的相關(guān)參數(shù)量進(jìn)行判斷.本文重點(diǎn)關(guān)注的是冷卻風(fēng)扇的風(fēng)量值，因此監(jiān)測(cè)了冷卻風(fēng)扇進(jìn)口、出口流量隨迭代步數(shù)的變化情況及殘差曲線圖.圖10～11所示為風(fēng)壓19.9 Pa下仿真計(jì)算文件的殘差曲線圖和質(zhì)量流量監(jiān)測(cè)曲線圖，從圖中可以看出，冷卻風(fēng)扇風(fēng)量值已經(jīng)趨于平穩(wěn)，仿真預(yù)測(cè)的冷卻風(fēng)量值為180.24 m3/h，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值間的誤差約為3.5%；且各個(gè)殘差曲線都低于10-6以下，收斂性較好，表明本文采用的網(wǎng)格及每個(gè)工況點(diǎn)的計(jì)算迭代步數(shù)5 000步可以獲得一個(gè)較準(zhǔn)確的仿真預(yù)測(cè)值.

圖10 殘差曲線圖

圖11 質(zhì)量流量監(jiān)測(cè)曲線圖

5.3 冷卻風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

5.3.1 速度場(chǎng)分布

圖12～13為冷卻風(fēng)扇葉片矢量圖和表面速度分布云圖.從圖中可以看出，空氣從半球面入口(虛擬大氣入口環(huán)境)被冷卻風(fēng)扇吸入后，流經(jīng)風(fēng)扇葉片吸風(fēng)面，經(jīng)過(guò)風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)的作用，氣流流動(dòng)方向發(fā)生改變，呈現(xiàn)螺旋形流動(dòng)；氣流隨葉片旋轉(zhuǎn)，且在冷卻風(fēng)扇葉尖處存在最大的旋轉(zhuǎn)氣流速度.經(jīng)過(guò)風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)加速后的氣流流入出口域自由方腔中，最后從出口邊界面流出.冷卻風(fēng)扇葉尖旋轉(zhuǎn)氣流速度越大，葉片受到的氣流沖擊效應(yīng)越大，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)發(fā)生氣流沖擊腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致葉片葉尖及其附近區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重變形或腐蝕斷裂；同時(shí)，葉尖處高壓側(cè)氣流與低壓側(cè)氣流的交互作用導(dǎo)致葉尖渦流的形成[31].

(a)風(fēng)扇葉片吸風(fēng)面速度矢量圖

(b)風(fēng)扇葉片背風(fēng)面速度矢量圖圖12 冷卻風(fēng)扇葉片速度矢量圖

(a)風(fēng)扇葉片吸風(fēng)面表面速度分布云圖

圖14表示冷卻風(fēng)扇流體計(jì)算域進(jìn)口處某截面速度矢量圖.從圖中可以看出，冷卻風(fēng)扇外圈因風(fēng)扇罩設(shè)計(jì)的缺陷導(dǎo)致產(chǎn)生嚴(yán)重回流現(xiàn)象，從而會(huì)引起冷卻風(fēng)扇工作效率的降低.后續(xù)研究可以考慮進(jìn)行風(fēng)扇罩的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)提升該冷卻風(fēng)扇的運(yùn)行效率.

圖14 冷卻風(fēng)扇外圈速度矢量圖

圖15為風(fēng)扇葉片速度局部放大云圖及線探針(Line Probe)示意圖.從圖中可以看出，風(fēng)扇葉尖的速度較大.Line Probe由30個(gè)探測(cè)點(diǎn)組成，可以獲得葉片上不同點(diǎn)處的速度曲線圖(如圖16所示).圖16中橫坐標(biāo)表示各探測(cè)點(diǎn)到坐標(biāo)軸X軸的垂直距離.圖16(a)中表示隨著距離的增大，速度基本上呈現(xiàn)出增加的趨勢(shì)，表明從葉片尾部到葉尖處的速度逐漸增大.同理，圖16(b)中可以反映出葉尖處往葉尾處的速度逐漸減小.通過(guò)線探針取點(diǎn)監(jiān)測(cè)葉片速度的方法可以反映葉片表面各點(diǎn)的速度.圖17中17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的速度分布基本反映了風(fēng)扇單個(gè)葉片大致的速度變化趨勢(shì)，該方法也常用于溫度場(chǎng)計(jì)算的取值計(jì)算，可為后續(xù)對(duì)整體流場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供對(duì)比參考.

圖15 風(fēng)扇葉片速度云圖及Line Probe示意圖

(a)Line1上各點(diǎn)速度變化曲線圖

(b)Line2上各點(diǎn)速度變化曲線圖圖16 風(fēng)扇葉片表面線探針監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度分布曲線

圖17 風(fēng)扇葉片表面17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)速度分布

5.3.2 壓力場(chǎng)分布及噪聲源預(yù)測(cè)

圖18為冷卻風(fēng)扇葉片壓力分布云圖.由風(fēng)扇葉片吸風(fēng)面的壓力云圖可以看出，半徑較大處的葉片表面的壓力數(shù)值較大(壓力的絕對(duì)值)，沿著葉片半徑方向，整個(gè)葉片的壓力呈現(xiàn)出階梯式的變化.風(fēng)扇吸風(fēng)面存在大量的負(fù)壓區(qū)域，在葉片尾緣與風(fēng)扇外圈交接處，此處負(fù)壓數(shù)值最大.由風(fēng)扇葉片背風(fēng)面的壓力云圖可以看出，在葉尖和葉片邊緣處存在部分負(fù)壓區(qū)域，風(fēng)扇背風(fēng)面大部分都是正壓區(qū)域，即風(fēng)扇的做功區(qū)域，風(fēng)扇葉片前緣的壓力最大.

(a)風(fēng)扇葉片吸風(fēng)面壓力分布云圖

(b)風(fēng)扇葉片背風(fēng)面壓力分布云圖圖18 冷卻風(fēng)扇葉片壓力分布云圖

圖19為兩個(gè)線探針上各點(diǎn)壓力變化曲線圖.圖19(a)中大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力都為負(fù)值，圖19(b)中大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力都為正值，原因是線探針1各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于風(fēng)扇吸風(fēng)面，線探針2各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于風(fēng)扇背風(fēng)面.

(a)Line 1上各點(diǎn)壓力變化曲線圖

(b)Line 2上各點(diǎn)壓力變化曲線圖圖19 風(fēng)扇葉片表面線探針監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力分布曲線

圖20中17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力分布基本反映了風(fēng)扇單個(gè)葉片大致的壓力變化趨勢(shì)，葉尖處及其附近區(qū)域壓力為負(fù)值.冷卻風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)壓力場(chǎng)存在的壓力脈動(dòng)與固體壁面間產(chǎn)生相互摩擦作用，從而導(dǎo)致風(fēng)扇在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行中形成離散噪聲，該現(xiàn)象稱為風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)噪聲[32].風(fēng)扇葉尖及其附近區(qū)域的壓力變化較大，產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)噪聲越明顯.

圖20 風(fēng)扇葉片表面17個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力分布曲線

通過(guò)仿真計(jì)算已獲得冷卻風(fēng)扇穩(wěn)態(tài)壓力場(chǎng)，此時(shí)，選擇聲學(xué)模塊Acoustic中Broadband Noise Sources模型，就可對(duì)冷卻風(fēng)扇面噪聲源(Curle surface)和體噪聲源(Proudman)進(jìn)行初步預(yù)測(cè).圖21表示冷卻風(fēng)扇噪聲源預(yù)測(cè)分布云圖.從圖中可以看出，葉尖處及其附近區(qū)域的噪聲源較大，在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的離散噪聲或旋轉(zhuǎn)噪聲就會(huì)越明顯.

圖21 冷卻風(fēng)扇表面噪聲源分布云圖

5.4 仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比

圖22表示不同風(fēng)壓下冷卻風(fēng)扇風(fēng)量的數(shù)值仿真預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的對(duì)比及誤差分析.從圖中可以看出，冷卻風(fēng)扇的數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果比較吻合.從仿真值與實(shí)測(cè)值間的相對(duì)誤差來(lái)看，最大誤差約為4.9%，總體平均誤差為2.94%，表明本文按照實(shí)驗(yàn)測(cè)試裝置等比例搭建的仿真計(jì)算模型可以真實(shí)可靠地還原冷卻風(fēng)扇的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，且預(yù)測(cè)的風(fēng)扇風(fēng)量值具有一定的精度.驗(yàn)證了本文搭建的冷卻風(fēng)扇風(fēng)量數(shù)值仿真計(jì)算域物理模型和計(jì)算方法是有效可行的，可以有效地預(yù)測(cè)冷卻風(fēng)扇內(nèi)部流場(chǎng)特性.

圖22 冷卻風(fēng)扇風(fēng)量仿真計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線

6 結(jié)論

(1)利用風(fēng)洞測(cè)試平臺(tái)對(duì)摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的工作風(fēng)量進(jìn)行了測(cè)試，并運(yùn)用STAR-CCM+搭建了冷卻風(fēng)扇工作性能測(cè)試試驗(yàn)的仿真計(jì)算模型，利用運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系法對(duì)冷卻風(fēng)扇不同風(fēng)壓下的風(fēng)量進(jìn)行了數(shù)值模擬，形成了基于實(shí)際測(cè)試工況進(jìn)行仿真對(duì)比分析的標(biāo)準(zhǔn)方法.

(2)冷卻風(fēng)扇風(fēng)量的仿真預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合，兩者間最大誤差約為4.9%，總體平均誤差為2.94%，仿真精度在可接受的范圍內(nèi)，驗(yàn)證了本文搭建的冷卻風(fēng)扇性能仿真計(jì)算域物理模型和計(jì)算方法具有一定的可靠性.

(3)冷卻風(fēng)扇葉片速度呈現(xiàn)出沿葉片方向逐漸增大的趨勢(shì)，葉尖處的旋轉(zhuǎn)氣流速度最大；冷卻風(fēng)扇吸風(fēng)面存在大量的負(fù)壓區(qū)域，在葉片尾緣與風(fēng)扇外圈交接處，負(fù)壓數(shù)值最大；風(fēng)扇背風(fēng)面大部分為正壓區(qū)域，葉尖和葉片邊緣處存在部分負(fù)壓區(qū)域.

(4)基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇流場(chǎng)數(shù)值仿真方法可以有效地預(yù)測(cè)冷卻風(fēng)扇在不同工況下的流場(chǎng)特性，可為冷卻風(fēng)扇的前期設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供相應(yīng)的理論依據(jù)及分析數(shù)據(jù)支撐，從而減小產(chǎn)品實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本，且能夠保證產(chǎn)品在最佳工況點(diǎn)進(jìn)行工作.