摘要：以某新能源汽車的7葉片的冷卻風扇為研究模型，通過STAR CCM+軟件中Realizable k-ε湍流模型對其進行定常三維數值計算.首先進行了網格數量的無關性驗證；然后通過試驗驗證了數值計算模型的準確性，并對冷卻風扇內部流場壓力與速度分布進行了分析；最后分析了葉片個數參數對冷卻風扇氣動性能的影響.結果表明：相同轉速的工況下，當冷卻風扇靜壓相同時，隨著葉片個數增多，其產生的流量越大.在冷卻風扇的靜壓效率方面，在風扇靜壓170-200 Pa左右時，9葉片風扇靜壓效率最高.在其他靜壓區間，當葉片數為7、8時，風扇靜壓效率要高于9葉片風扇.研究可以為新能源汽車冷卻風扇氣動性能優化提供依據.

近些年新能源汽車在中國發展迅速，新能源汽車的電子冷卻風扇是整車熱管理重要組成部分，電子冷卻風扇的設計要滿足電驅系統、電池系統與空調系統的冷卻需求；同時，電子冷卻風扇也會對新能源汽車的NVH性能影響很大.因此，設計出冷卻性能好與低噪音的電子冷卻風扇是至關重要的.CFD仿真分析技術的出現可以縮短產品的開發周期，同時降低開發成本，更可以從機理上研究冷卻風扇的流動細節，目前已經廣泛應用到冷卻風扇的開發中.當前對冷卻風扇的研究主要集中在輪轂比、葉片個數、葉頂間隙、葉片安裝角與葉片形狀等方面對冷卻風扇性能的影響.

本文使用CATIA三維繪圖軟件創建了風扇的模型，用Hyper mesh幾何處理，最后使用STAR CCM+計算軟件求解，介紹了冷卻風扇的氣動性能數值計算方法、求解方法以及模型計算參數的選取.計算并分析了冷卻風扇的靜壓與流量的關系，數值結果與試驗值進行對比，證明了計算模型和計算方法的準確性；同時，對風扇內部壓力場、速度場進行分析，所得結果為進一步研究新能源汽車冷卻風扇提供了一定的理論基礎與參考意義.

1 幾何模型

冷卻風扇的主要結構參數如下，葉片數：7；風扇半徑：230 mm；輪轂比：0.4；葉片均勻等距分布在輪轂上.由于冷卻風扇的原始幾何模型較復雜，在網格劃分的過程中，將對風扇流場影響小的區域 （圓角和孔）用Hypermesh軟件簡化前處理，風扇計算域網格如圖1所示，對葉片附近網格加密處理.按照冷卻風扇的試驗條件，將整個計算域劃分為入口區、過渡區、旋轉區和出口區，進出口區計算域均為半徑是2倍風扇半徑的圓柱.一般數值計算要求滿足入口區長度大于10倍風扇半徑，這里入口區長度3 000 mm；出口區長度大于12倍風扇半徑，出口長度4 000 mm.

圖1 計算域網格整體劃分

2 控制方程與邊界條件

2.1 控制方程

不可壓縮質量守恒方程為

動量守恒為

式中：P為流體靜壓；Ui，Uj為平均速度分量；xi，xj為坐標分量；μ為動力學黏性系數；μτ為湍流黏性系數.

k-ε湍流模型為［7］

式中：K為湍動能；ε為湍流耗散率；στ，σs為湍動能和湍流耗散率的普朗特常數；c1，c2為常數.

2.2 邊界條件

文中采用在汽車領域應用廣泛的STAR CCM+商業軟件，研究的風扇流場屬于低馬赫數流動，介質空氣屬性近似為不可壓縮介質，密度為1.204 kg/m3，動力粘度為1.855E-5 Pa·s，文中采用的旋轉流動中應用廣泛的Realizable k-ε湍流模型，壁面處理為 Two-layer All y+Wall Treatment，選用多重參考系模型可將風扇旋轉的瞬態問題用穩態方法數值求解，壓力、動量、湍流耗散率都采用二階迎風格式.

試驗過程中將冷卻風扇安裝在小型風洞出口處，風洞內在距離冷卻風扇入口某一位置處，限定不同靜壓值，輸入13 V電壓，冷卻風扇旋轉，進而得到不同靜壓條件下冷卻風扇的風量轉速、電流、軸功率和效率.為與實驗結果相對比，文中入口邊界條件為質量流量入口，出口邊界條件為壓力出口，相對大氣壓力的靜壓為0，風扇表面、輪轂表面、護風罩表面為壁面邊界條件.

3 計算結果及分析

3.1 網格無關性驗證

計算區域的網格數量對數值求解的數值精度與模擬結果影響很大，數值求解時一般在關鍵流動區域進行網格細化，在對流動影響不大的區域適當調整網格大小，采用合理的網格參數控制策略既能提高計算精度又能節約時間成本.文中計算模型在扇葉周圍劃分邊界層網格，在旋轉區域、進出入口區域過度區均采用poly多面體網格.

文中選取相同流量1.279 6m3/s條件下進行網格無關性分析，表1為選取的5種不同網格數量條件進行計算，得到冷卻風扇的靜壓值與試驗結果進行對比.從表1中可以看出網格數量達到160萬左右，風扇靜壓幾乎沒有變化，并與試驗結果很接近，最大誤差為0.5%左右.為保證計算資源和計算時間的限制，后續分析也在此數量網格條件下進行計算.

表1 網格無關性驗證

3.2 計算結果驗證

圖2為試驗結果與數值計算結果的靜壓與冷卻風扇流量的關系對比，圖3為試驗結果與數值計算結果的靜壓與靜壓效率的關系對比，可以發現仿真結果與試驗測試結果趨勢大體相同，靜壓試驗值和仿真結果最大誤差為3.66%，最小誤差為0.03%，靜壓效率最大誤差為2.1%，最小誤差為0，說明文中采用的網格精度與計算模型可以較精確的仿真冷卻風扇的流動狀態，可以為后面研究冷卻風扇的氣動性能研究提供理論支持.

圖2 風扇靜壓與流量的關系

圖3 風扇靜壓與靜壓效率的關系

3.3 內部流動特性分析

研究冷卻風扇工作機理對冷卻風扇的開發有著重要作用，分析靜壓云圖可以了解冷卻風扇的受力情況，也可以發現流經風扇氣體的流動狀態.圖4和圖 5為轉速為 2 067 r/min，入口流量為2 226 m3/h，冷卻風扇壓力面和吸力面上的靜壓分布，可以發現風扇壓力面存在很大的正向壓力區，且壓力呈階梯狀分布，在扇葉的前端壓力變化最大，此區域是冷卻風扇做功的主要區域［8］；風扇吸力面存在很大的負壓區域，在葉片的前緣與外圈交接處正、負壓相差較大，出現回流區域，此處會造成功率損失，風扇氣動噪聲也主要在此區域發生［9］.冷卻風扇吸力面壓力最高達100 Pa，壓力面正壓最大的位置與吸力面負壓最小在扇葉上的位置相同，分別位于扇葉的兩面.冷卻風扇的輪轂部分為封閉實體，無氣流通過，壓力分布也比較均勻接近為零.

圖4 冷卻風扇壓力面靜壓分布圖

圖5 冷卻風扇吸力面靜壓分布圖

如圖6和圖7所示，輪轂附近與靠近輪轂的氣體速度很小，氣體流動速度最大位置出現在風扇旋轉方向葉片前緣處.同時，在扇葉相互作用的影響下，壓力面后緣具有比壓力面前緣更大的速度.

圖6 冷卻風扇壓力面速度分布圖

圖7 冷卻風扇吸力面速度分布圖

3.4 葉片個數對風扇氣動性能的影響

研究在相同轉速和相同結構情況下，扇葉個數與風扇性能的關系.圖8為不同葉片個數條件下風扇流量與靜壓的關系.圖9為不同葉片個數條件下風扇靜壓與效率的關系.在同一靜壓條件下，葉片個數越多，冷卻風扇的流量越大，整體情況也符合葉片個數越多，流量越大的事實.9葉片風扇靜壓在170-200 Pa左右時，風扇靜壓效率最高，但是在冷卻風扇工作的整個區間靜壓效率并不是隨著葉片個數增加而變高.從圖9中可以看出，在冷卻風扇工作的其他靜壓區間，7、8葉片時高效率表現則優于9葉片風扇.

圖8 不同葉片個數條件下風扇靜壓與流量的關系

圖9 不同葉片個數條件下風扇靜壓與效率的關系

由圖10可知，氣體流動到冷卻風扇輪轂處，空氣不能通過，會出現低速流動區；氣體均勻從入口處流經冷卻風扇扇葉，氣體流過冷卻風扇后速度明顯增加，由于風扇旋轉的離心力的影響，氣體流動方向會變化，變成螺旋流動；隨著流動距離的增加，氣體流動速度逐漸降低.

圖10 流場內速度流線圖

4 結 語

文中介紹了使用STAR CCM+軟件，采用多重參考系模型求解某新能源汽車冷卻風扇的工作特性，介紹了仿真計算的方法與相關參數的選取，通過與試驗結果的比較，證明了本文所用方法數值模擬冷卻風扇流場特性的正確性；得到了冷卻風扇流動區域的壓力場與速度場等內部流場特征，分析了冷卻風扇的流場特征；揭示了風扇的葉片個數對風扇流量的影響，并分析了風扇葉數對風扇效率的影響，本文的研究可為優化新能源汽車冷卻風扇的性能提供依據.