冷卻風扇氣動性能仿真的案例
基于CFD 的新能源汽車冷卻風扇氣動性能仿真分析
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.
展開 STAR-CCM+乘用車冷卻風扇氣動噪音研究
引言
純電動汽車的不斷普及，在消除了內燃機噪聲的同時，使得冷卻風扇的氣動噪聲問題受到更大的重視。并且，在具體的冷卻模塊設計中，為了滿足特定的通風量要求，或者為了將雙風扇合并為單風扇，往往涉及到風扇直徑的增大。但是，冷卻風扇氣動噪聲值和風扇直徑之間存在著重要的關系[1]，大直徑的風扇意味著更大的氣動噪聲。
另一方面，近代仿生學研究表明，將如圖1所示的鳥類翅膀的宏觀非光滑外形，應用于機翼及風扇葉片等氣動機械造型中，有利于降低其氣動噪聲值[2-3]。所以，將仿生學成果應用于電動汽車冷卻風扇，進行風圖 1 鳥類翅膀非光滑形態示意圖扇氣動噪聲的優化，或者在風扇直徑增大時降低其氣動噪聲，無論是在理論研究和工程實際之中都具有重要的意義。
本文以 CFD（Computational Fluid Dynamics）理論為基礎，以商用CFD軟件star CCM?為主要研究工具，建立了軸流風扇氣動噪聲計算方法。并應用該方法對小直徑普通風扇和大直徑仿生風扇的氣動噪聲值進行了計算，而且對仿生葉片風扇的降噪機理進行了深入的研究。
1. 風扇氣動噪聲計算方法
1.1 計算幾何模型及網格
研究顯示，軸流風扇的噪聲源包括干涉噪聲和自噪聲兩部分[4]。其中，干涉噪聲是指旋轉葉片與固定部件之間的流體干涉，以及風扇上游部件導致的進口湍流產生的噪聲；自噪聲的主要噪聲源為風扇葉片的氣流分離、尾渦脫落和葉尖窩等。
針對乘用車冷卻風扇而言，如圖2所示，風扇由輪轂、葉片、和葉圈組成，葉圈與葉片固連在一起共同運動。風扇外部有風扇框架，風扇框架上與葉圈相對應的部分為護風圈。另外在散熱器風扇上游存在發動機艙入口格柵、散熱器、冷凝器等部件，風扇下游還有動力總成及其附件等結構。所有這些結構，都會對散熱器風扇的氣動噪聲值產生不同程度的影響。
展開 設計仿真 | 新型風扇氣動噪聲組合分析方法
數值計算
首先進行非穩態CFD仿真進行。計算域由靜止場和包圍風扇的旋轉域組成，如下圖1所示。該模型捕捉了所有細節，例如風扇孔口、風扇護罩、線圈和百葉窗。在本研究中，線圈被建模為多孔區域，并應用滑動網格方法來計算Actran氣動聲學模擬所需的非定常CFD結果。旋轉域（風扇）的旋轉頻率為1118RPM。例子中的時間步長為0.0005s。此次模擬，0.8秒的總時間確保所求最小頻率遠小于37.2Hz（葉片通過頻率）。
圖1：旋轉域包圍風扇葉片，靜止域包含流動障礙物和多孔線圈
Lighthill聲類比有兩種源的計算方式，分別是在域的整個體積上和在源的表面上執行源的計算。如果采用前一種方法，源計算需要整個域上的CFD信息，但在后一種方法中，我們只需要在單個表面而不是體積上讀取速度信息（以及不可壓縮模擬情況下的密度），從文件管理的角度來看，這是一個很大的優勢。本研究中風扇作為唯一的主要聲源，為了加速CFD模擬僅導出包圍風扇的表面，即轉子-定子界面靜態側的CFD數據。CFD求解器采用480個核心的仿真時間接近40小時。
展開 風扇氣動噪聲仿真分享
01
前言
風扇/風機作為一種通用的流體機械，其廣泛應用于家電、軍工、車輛等領域。
風扇在運轉中，旋轉的葉片與周圍的流場以及靜止部件（蝸殼、格柵等）都存在相對運動，其流場表現出明顯的非定常特性。這種非定常特性不但影響風扇的氣動性能，也會產生明顯的氣動/流致噪聲。
隨著近些年來國內經濟的飛速發展，人們對居住、辦公、駕乘等環境的舒適度要求越來越高。風扇的氣動/流致噪聲，在家用空調的內外掛機、空氣凈化器、吸塵器、吸油煙機、汽車空調等的噪聲中均占據了主要的組成部分。
各相關企業的研發人員，對于研究、預測、降低風扇的氣動/流致噪聲可謂傷透了腦筋。某國外家電大牌的吸塵器等產品動輒大幾千元，其主打的產品特點就是“靜音”。
對于風扇氣動/流致噪聲的預測，或者說在工業領域應用氣動/流致噪聲的仿真分析，一直都存在痛點/難點。
展開 
CFD專欄丨基于LBM算法的風扇氣動噪聲仿真實例
風扇的氣動噪聲
在工業設備行業，最大噪音值受法規限制。在很多使用風扇冷卻的設備上，風扇噪聲通常是這些設備工作噪聲的最大貢獻量。而在家電民用行業，例如空調、空氣凈化器、油煙機等，其噪音大小直接關系到用戶的體驗感受，而這些設備中風扇噪聲都有很大的貢獻量。
噪音測試目前是一種比較成熟、且高效的獲取風扇噪聲的方法。但是通過噪聲測試我們能獲取的只有當前設備的噪聲水平、以及頻譜中的階次特征，它并不能告訴我們噪聲產生的機理，以及優化噪聲的方向。同時，對于大型、復雜的風機葉片，模具或測試模型的制作成本也較高。加工、安裝的誤差或不確定性，也難以評估。
風扇噪聲測試
風扇流場CFD仿真
計算氣動聲學 (Computational AeroAcoustics，CAA) 是研究由湍流產生噪聲的問題，常見的比如風扇噪聲，空調噪聲，通風噪聲等。為了求解湍流中小尺度的特征，需要高精度的空間和時間上的解算方法。在數值上我們既要滿足足夠高的采樣頻率，也要滿足足夠小的空間解析率，同時要考慮到實際項目應用中效率問題，因此對于氣動噪聲的仿真一直是業內難題。
展開 某型空調軸流風扇的氣動噪聲仿真分析
3.3 真實聲場模型（內外耦合）的計算結果
最后，利用稀疏化的網格模型建立了真實的軸流風扇內外聲場耦合模型，進行完整的軸流風扇噪聲輻射模擬分析。下面列出的是SYSNOISE進行內外部聲場分布計算的結果（左列—內聲場；右列—外聲場)
圖5 真實內外聲場耦合模型的計算結果
4、結論與建議
從計算結果看到，氣動噪聲的聲源主要來自風扇迎風面的中上部、以及對應的管路壁面部位。內部聲場的氣動噪聲主要分布在出風側，幅值較高。而外部聲場的氣動噪聲主要分布在風扇平面內，而不在風扇的流場方向上。本結論與航空領域的螺旋槳平面噪聲現象比較一致。
根據上面的分析對比過程，SYSNOISE可以非常方便地解決這類流體聲學分析問題，高效準確地得到氣動聲學的內外聲場分布。關鍵的是，SYSYNOISE的流體聲學功能可以直接與其久經考驗并得到公認的振動聲學分析模塊無縫集成和耦合起來，解決更加復雜的流體聲學問題：包括聲學有限元/無限元及其耦合；直接/間接聲學邊界元及其耦合；流體與結構的聲振耦合；吸聲材料模型；快速ATV及其優化技術；以及貢獻量分析和大規模問題的并行計算技術等等。
本文來源：http://www.51gcs.com/info/17569
展開 【STAR-CCM+電池冷卻】基于直流道液冷板的動力電池冷卻性能仿真
非等長直流道液冷板的冷卻液分布更均勻，回流通道內冷卻液流動進行有效散熱，避免了液冷板回流最內側溫度過高，液冷板和電池組溫度分布均勻性更好。冷卻液質量流量從0.25 kg/s 增加到0.45 kg/s 時，模型2 比模型1 相比，流動阻力最大下降幅度為12.5 kPa。
2） 模型2 液冷板的散熱性能比模型1 液冷板的散熱能力有所加強，冷卻液質量流量增加，模型2 的電池組最高溫度與模型1 相比，最大下降幅度為0.27 ℃，模型2 的電池組最大溫差與模型1 相比，最大下降幅度為0.26 ℃。但由于電池組產熱率較大并且在電池模組高度方向上熱傳導路程太長，電池模組上部仍存在散熱不佳的問題，需要進一步優化電池組結構或增加強化傳熱部件等措施。
免責聲明：文章來源蔡森林,魏名山,宋盼盼,魏洪革.基于直流道液冷板的動力電池冷卻性能仿真[J].汽車安全與節能學報,2021,12(03):380-385.，基于分享目的轉載，尊重原創，版權歸原作者所有，如有侵權，請聯系我們予以刪除，資料僅供私下交流學習
展開 案例分享 | 利用MSC Cradle對船用柴油發動機水套冷卻性能進行仿真和驗證
在水套設計方面，汽缸蓋附近的冷卻水通道形狀非常復雜，而且需要發揮充分的冷卻效果。因為實際的產品都是大型的，使用試驗設備進行測試和實驗都非常困難，利用仿真來進行各種性能驗證就變得不可或缺。
汽缸之間的比較
用全缸模型仿真，關注各汽缸的差異。
氣缸之間換熱系數分布的差異不大，
預測的數據可以滿足要求。
與其他型號的比較
對于運行中的高溫部件，與其他型號的仿真結果做了比較。
通過比較，對于關注區域，DE-18 的
冷卻能力明顯高于其他型號
小結
MSC Cradle在進行船用柴油發動機水套的冷卻性能設計中發揮了很大的作用。
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通過比較，對于關注區域，DE-18 的
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小結
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通過比較，對于關注區域，DE-18 的
冷卻能力明顯高于其他型號
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