基于CFD 的新能源汽车冷却风扇气动性能仿真分析

摘要：以某新能源汽车的7叶片的冷却风扇为研究模型，通过STAR CCM+软件中Realizable k-ε湍流模型对其进行定常三维数值计算.首先进行了网格数量的无关性验证；然后通过试验验证了数值计算模型的准确性，并对冷却风扇内部流场压力与速度分布进行了分析；最后分析了叶片个数参数对冷却风扇气动性能的影响.结果表明：相同转速的工况下，当冷却风扇静压相同时，随着叶片个数增多，其产生的流量越大.在冷却风扇的静压效率方面，在风扇静压170-200 Pa左右时，9叶片风扇静压效率最高.在其他静压区间，当叶片数为7、8时，风扇静压效率要高于9叶片风扇.研究可以为新能源汽车冷却风扇气动性能优化提供依据.

近些年新能源汽车在中国发展迅速，新能源汽车的电子冷却风扇是整车热管理重要组成部分，电子冷却风扇的设计要满足电驱系统、电池系统与空调系统的冷却需求；同时，电子冷却风扇也会对新能源汽车的NVH性能影响很大.因此，设计出冷却性能好与低噪音的电子冷却风扇是至关重要的.CFD仿真分析技术的出现可以缩短产品的开发周期，同时降低开发成本，更可以从机理上研究冷却风扇的流动细节，目前已经广泛应用到冷却风扇的开发中.当前对冷却风扇的研究主要集中在轮毂比、叶片个数、叶顶间隙、叶片安装角与叶片形状等方面对冷却风扇性能的影响.

本文使用CATIA三维绘图软件创建了风扇的模型，用Hyper mesh几何处理，最后使用STAR CCM+计算软件求解，介绍了冷却风扇的气动性能数值计算方法、求解方法以及模型计算参数的选取.计算并分析了冷却风扇的静压与流量的关系，数值结果与试验值进行对比，证明了计算模型和计算方法的准确性；同时，对风扇内部压力场、速度场进行分析，所得结果为进一步研究新能源汽车冷却风扇提供了一定的理论基础与参考意义.

1 几何模型

冷却风扇的主要结构参数如下，叶片数：7；风扇半径：230 mm；轮毂比：0.4；叶片均匀等距分布在轮毂上.由于冷却风扇的原始几何模型较复杂，在网格划分的过程中，将对风扇流场影响小的区域 （圆角和孔）用Hypermesh软件简化前处理，风扇计算域网格如图1所示，对叶片附近网格加密处理.按照冷却风扇的试验条件，将整个计算域划分为入口区、过渡区、旋转区和出口区，进出口区计算域均为半径是2倍风扇半径的圆柱.一般数值计算要求满足入口区长度大于10倍风扇半径，这里入口区长度3 000 mm；出口区长度大于12倍风扇半径，出口长度4 000 mm.

图1 计算域网格整体划分

2 控制方程与边界条件

2.1 控制方程

不可压缩质量守恒方程为

动量守恒为

式中：P为流体静压；Ui，Uj为平均速度分量；xi，xj为坐标分量；μ为动力学黏性系数；μτ为湍流黏性系数.

k-ε湍流模型为［7］

式中：K为湍动能；ε为湍流耗散率；στ，σs为湍动能和湍流耗散率的普朗特常数；c1，c2为常数.

2.2 边界条件

文中采用在汽车领域应用广泛的STAR CCM+商业软件，研究的风扇流场属于低马赫数流动，介质空气属性近似为不可压缩介质，密度为1.204 kg/m3，动力粘度为1.855E-5 Pa·s，文中采用的旋转流动中应用广泛的Realizable k-ε湍流模型，壁面处理为 Two-layer All y+Wall Treatment，选用多重参考系模型可将风扇旋转的瞬态问题用稳态方法数值求解，压力、动量、湍流耗散率都采用二阶迎风格式.

试验过程中将冷却风扇安装在小型风洞出口处，风洞内在距离冷却风扇入口某一位置处，限定不同静压值，输入13 V电压，冷却风扇旋转，进而得到不同静压条件下冷却风扇的风量转速、电流、轴功率和效率.为与实验结果相对比，文中入口边界条件为质量流量入口，出口边界条件为压力出口，相对大气压力的静压为0，风扇表面、轮毂表面、护风罩表面为壁面边界条件.

3 计算结果及分析

3.1 网格无关性验证

计算区域的网格数量对数值求解的数值精度与模拟结果影响很大，数值求解时一般在关键流动区域进行网格细化，在对流动影响不大的区域适当调整网格大小，采用合理的网格参数控制策略既能提高计算精度又能节约时间成本.文中计算模型在扇叶周围划分边界层网格，在旋转区域、进出入口区域过度区均采用poly多面体网格.

文中选取相同流量1.279 6m3/s条件下进行网格无关性分析，表1为选取的5种不同网格数量条件进行计算，得到冷却风扇的静压值与试验结果进行对比.从表1中可以看出网格数量达到160万左右，风扇静压几乎没有变化，并与试验结果很接近，最大误差为0.5%左右.为保证计算资源和计算时间的限制，后续分析也在此数量网格条件下进行计算.

表1 网格无关性验证

3.2 计算结果验证

图2为试验结果与数值计算结果的静压与冷却风扇流量的关系对比，图3为试验结果与数值计算结果的静压与静压效率的关系对比，可以发现仿真结果与试验测试结果趋势大体相同，静压试验值和仿真结果最大误差为3.66%，最小误差为0.03%，静压效率最大误差为2.1%，最小误差为0，说明文中采用的网格精度与计算模型可以较精确的仿真冷却风扇的流动状态，可以为后面研究冷却风扇的气动性能研究提供理论支持.

图2 风扇静压与流量的关系

图3 风扇静压与静压效率的关系

3.3 内部流动特性分析

研究冷却风扇工作机理对冷却风扇的开发有着重要作用，分析静压云图可以了解冷却风扇的受力情况，也可以发现流经风扇气体的流动状态.图4和图 5为转速为 2 067 r/min，入口流量为2 226 m3/h，冷却风扇压力面和吸力面上的静压分布，可以发现风扇压力面存在很大的正向压力区，且压力呈阶梯状分布，在扇叶的前端压力变化最大，此区域是冷却风扇做功的主要区域［8］；风扇吸力面存在很大的负压区域，在叶片的前缘与外圈交接处正、负压相差较大，出现回流区域，此处会造成功率损失，风扇气动噪声也主要在此区域发生［9］.冷却风扇吸力面压力最高达100 Pa，压力面正压最大的位置与吸力面负压最小在扇叶上的位置相同，分别位于扇叶的两面.冷却风扇的轮毂部分为封闭实体，无气流通过，压力分布也比较均匀接近为零.

图4 冷却风扇压力面静压分布图

图5 冷却风扇吸力面静压分布图

如图6和图7所示，轮毂附近与靠近轮毂的气体速度很小，气体流动速度最大位置出现在风扇旋转方向叶片前缘处.同时，在扇叶相互作用的影响下，压力面后缘具有比压力面前缘更大的速度.

图6 冷却风扇压力面速度分布图

图7 冷却风扇吸力面速度分布图

3.4 叶片个数对风扇气动性能的影响

研究在相同转速和相同结构情况下，扇叶个数与风扇性能的关系.图8为不同叶片个数条件下风扇流量与静压的关系.图9为不同叶片个数条件下风扇静压与效率的关系.在同一静压条件下，叶片个数越多，冷却风扇的流量越大，整体情况也符合叶片个数越多，流量越大的事实.9叶片风扇静压在170-200 Pa左右时，风扇静压效率最高，但是在冷却风扇工作的整个区间静压效率并不是随着叶片个数增加而变高.从图9中可以看出，在冷却风扇工作的其他静压区间，7、8叶片时高效率表现则优于9叶片风扇.

图8 不同叶片个数条件下风扇静压与流量的关系

图9 不同叶片个数条件下风扇静压与效率的关系

由图10可知，气体流动到冷却风扇轮毂处，空气不能通过，会出现低速流动区；气体均匀从入口处流经冷却风扇扇叶，气体流过冷却风扇后速度明显增加，由于风扇旋转的离心力的影响，气体流动方向会变化，变成螺旋流动；随着流动距离的增加，气体流动速度逐渐降低.

图10 流场内速度流线图

4 结 语

文中介绍了使用STAR CCM+软件，采用多重参考系模型求解某新能源汽车冷却风扇的工作特性，介绍了仿真计算的方法与相关参数的选取，通过与试验结果的比较，证明了本文所用方法数值模拟冷却风扇流场特性的正确性；得到了冷却风扇流动区域的压力场与速度场等内部流场特征，分析了冷却风扇的流场特征；揭示了风扇的叶片个数对风扇流量的影响，并分析了风扇叶数对风扇效率的影响，本文的研究可为优化新能源汽车冷却风扇的性能提供依据.