摘 要：通过CFD（Computational Fluid Dynamics）对冷却系统电子风扇进行流体动力学计算，对其正向开发具有重要意义。文章利用仿真软件对风扇的风量和静压进行仿真计算，并通过风扇台架测试，对比分析仿真与试验的数据，确定仿真计算的准确性。
关键词：发动机冷却风扇；CFD；对比分析
中图分类号：U462.1 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）18-93-03
CFD-based simulation and analysis on cooling system electronic
fan Performance design
Cui Zhenhua， Li Zhongshan， Zhu Yongcheng， Zeng Zhixin
（ Guangzhou Automotive Group Co.， Ltd. Automotive Engineering Research Institute， Guangdong Guangzhou 510000 ）
Abstract： Based on Computational Fluid Dynamics （CFD） is of great significance for the forward development of engine cooling dual fans. The paper uses software to simulate the fan"s air volume and static pressure， through the fan bench test， the simulation and test data are compared and analyzed to determine the accuracy of the simulation results.
Keywords： electronic fan； CFD； comparative analysis
CLC NO.： U462.1 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）18-93-03
發动机电子风扇做为冷却系统的重要组成部件，精确匹配冷却系统风量具有重要意义。在冷却系统正向开发过程中，风扇的风量与静压（P-Q）是否能够真实反映整车工作情况成为设计难点。CFD仿真作为验证前期设计准确性的有效手段地位凸显。
本文通过软件建立3D模型，并进行网格划分，使用CFD仿真软件进行边界设置和流场分析，求出风扇P-Q曲线；利用台架试验测试风扇样件，测出风扇的P-Q曲线；对比仿真与试验的P-Q曲线结果，证明仿真的准确性。
1 风扇设计
文章以某项目冷却系统电子双风扇为例，主要结构参数如表1所示。
2 仿真计算
2.1 模型简化与建立
风扇部分特征会占用大量计算资源，却不影响计算结果，因此对模型进行简化可以加快计算速度，节省开发时间。将风扇叶片表面整合成完整的曲面，将一些细小倒角删去，并将轮毂内的加强筋删去，将轮毂中心沿轮毂边缘填平。由于风架对于风扇的气动性能的影响主要是其与外环的间距以及加强筋对气流的扰动，因此在保证这个两个部分尺寸不变的条件下对风架进行简化，简化完的模型如图1所示。
风扇的边界条件分：进口边界条件、出口边界条件，壁面边界条件，进口压力为大气压力，出口压力根据不同工况进行设定。
风扇的流通区域分：进气流场、旋转流体区域、出气流场。风扇不动，风扇表面设为壁面，旋转流体区域做与风扇转动方向相反的旋转，空气通过进气流场经由旋转区域流出出气流场，从而建立流场分析模型，模型如图2所示。
根据实际情况选择流体材料25℃空气，忽略温度和空气密度的变化。由于流过风扇的空气马赫数小于0.3，故将空气设定为不可压缩流体。
湍流模型选择RNG k-e模型，RNG k-ε模型来源于严格的统计技术。优点在于考虑到湍流漩涡和低雷诺数流动粘性解析式，适用于强流线弯曲，漩涡和旋转流。
模型公式如下：
（1）
（2）
式中：Gk为平均速度梯度引起的湍流动能的产生项；Gb为浮力而产生的湍流动能的产生项；YM为在可压缩湍流中的扩张发散项；αk和αε分别为的反向有效普朗特数（取值1.39）；Sk和Se为用户自定义参数；C1=1.42；C2=1.68；C3 =0；Rε为附加项，其计算公式为：
（3）
式中：
求解格式设定为二阶迎风求解格式，收敛条件中将收敛准则所有监测项残差设定为小于1×10-4[1]。计算收敛后结果，确定风扇风量。
2.2 计算结果分析
取风扇在整车实际工作静压点0 Pa 、80 Pa、100 Pa、120 Pa、140 Pa下进行计算[2]，计算结果风量分别为5717 m3/h、4702m3/h、4503m3/h、3906m3/h、3341m3/h。
取风扇在整车非工作静压点200 Pa、220Pa下进行计算，计算风量分别为1110m3/h、529 m3/h。绘制P-Q曲线查看风扇整体性能，如图3所示。
3 台架测试
根据《GB/T 1236-2000 通风机空气动力性能试验方法》通过试验和计算确定通风机在标准进气状态下的空气动力性能参数试验量：
a）通风机的进口容积流量；
b）通风机全压和静压；
c）通风机的轴功率或内功率；
d）通风机的全压效率和静压效率或全压内效率和静压内效率；
e）由上述试验量，绘制通风机产品有因次性能曲线。
在风扇性能测试中，确定风扇的风量、静压等参数，试验结果如图4所示。
4 对比分析
文章对风扇低静压区，即整车真实工作区（0 Pa -140 Pa）进行CFD仿真计算，求出风扇的不同静压下风量；同时进行风扇单品台架测试，确定风量与静压。仿真结果与试验结果对比，误差小于5%，可以作为设计参考。但对于高压区，即整车非真实工作区（200 Pa -220 Pa），仿真计算结果精度较差，如表2所示。
5 结论
文章通过对冷却系统电子风扇CFD仿真，计算风扇的风量与静压，对比试验测试风量与静压，确定仿真分析的准确性。通过风扇CFD仿真的运用，大大缩短正向开发周期，提高设计精度。
根据现有仿真分析方法，低压区计算结果精度很高，高静压计算结果精度较差。分析原因，除了CFD软件本身特性外，网格的划分、分析步的设定都可能造成计算结果的波动，
随着出气流场压力增加，空气可能产生倒流现象，也是导致计算结果误差较大的原因之一。今后需在高静压区模型精确标定进行研究，以提高仿真精度。
参考文献
[1] 李鹏飞，徐敏义，王飞飞.精通CFD工程仿真与案例实战.北京：人民邮电出版社[J]，2011：14-24.
[2] 朱传敏，吴秀丽.基于CFD的发动机冷却风扇性能仿真分析，中国工程机械学报[M]，2014：19.
