STAR-CCM+在风扇仿真中PQ与MRF域方法对比

胡忠辉,邢英金,程清波,梁正伟.STAR-CCM+在风扇仿真中PQ与MRF域方法对比[J].汽车实用技术,2018,0(23):157-158

摘 要：

对某SUV 中拟搭载的风扇，使用STAR-CCM+中PQ 和MRF 域方法对风扇单体进行仿真。将该风扇在单体风洞中进行测试，获取风扇单体流量和静压数据，并在整车仿真中对比风扇周围流线。结果表明：风扇单体仿真与试验对比，PQ比MRF 域方法结果更接近试验值；在整车60kph 工况仿真中，PQ 方法流体通过风扇后呈水平流动。

1 概述

目前，在风扇仿真中多使用MRF 域方法，由于扇叶模型的复杂性及网格处理精度问题，某些工况仿真准确性降低；PQ 方法简化了风扇模型，通过模拟压升来代替扇叶作用，减少由于扇叶精度低对仿真结果的影响。本文将风扇PQ 与MRF 域仿真结果和单体试验对比，研究两种方法的仿真精度，为整车开发初期机舱热管理CFD 分析提供更准确的计算模型。

2 模型建立与数值计算

2.1 几何模型

散热器风扇由扇叶、框架、电机等组成，该风扇直径为440mm，7 扇叶，导入STAR-CCM+中进行处理，分别建立风扇单体风洞模型和整车模型。

2.2 仿真方法

2.2.1 PQ 方法

通过在STAR-CCM+中建立Fan-interface 面，零厚度且可为通过此面流体提供压升的模型，此面保留风扇中心电机部分，如图1，之后在其属性设置中赋入风扇单体性能试验测得的风扇PQ曲线。

2.2.2 MRF 域方法

MRF 域通过稳态方法进行风扇模拟，该方法需要扇叶详细的CAD 数据，需将旋转区域单独分割，与其他区域进行interface 连接，其网格并非真实运动，通过旋转坐标系体现风扇旋转区域的效果，把动量源加载到叶片转动所扫过区域的网格。

3 风扇单体试验及仿真对比

在风洞试验台上进行单体试验，使用“定静压”的方式测量风量，设定静压值，PID 仪表读取当前静压，调节辅助风机风量，使当前静压值达到设定值，静压稳定后，计算出测试风机的风量。

在2300rpm工况下，将PQ、MRF 域方法采用定流量的仿真值与风扇单体试验结果进行对比，如图2：

风扇在转速2300rpm下，MRF 域方法静压为0、40、80Pa时仿真精度较高，随着压力增加，误差逐渐增大。采用MRF 域仿真误差整体大于PQ 方法，风扇模型精度及MRF域旋转区域的建立方式都是造成误差的原因。PQ 方法输入试验测得的PQ 曲线，软件通过插值法得到工作点的数据，导致0Pa 误差大，但中间数值误差很小。PQ 方法摆脱了对扇叶形状的依赖，试验PQ 数据足够精确时，精度高于MRF域方法。

4 PQ 与MRF 域机舱流场分析

图3（a）和（b）分别为PQ和MRF 域仿真60kph 机舱风扇后流线示意图。PQ 仿真，提升通过interface 面流体的压升，流体方向轴向平行流出，如图3（a）。MRF 域仿真，旋转区域内流场受扇叶影响，在扇叶区域风速高，远离扇叶区域风速低，风扇出口流体与水平方向呈一定夹角，且流动呈螺旋状趋势，如图3（b），此流动状态与理论较为符合。

5 结论

通过分析对比风扇PQ 和MRF域方法，得到以下结论：

（1）风扇PQ单体仿真精度较高，可用于整车初期的仿真评价；

（2）单体仿真MRF 域整体误差比PQ 方法略大，且低静压精度高，随静压增大误差增大；

（3）整车仿真中风扇后的流线，PQ呈水平趋势，MRF域呈螺旋状更接近真实流动情况。

文章来源：汽车CFD热管理