第1章绪论
1.1课题背景
冷却风扇是用于输送空气的机械。从能量角度讲，它是把原动机的机械能转化为空气能量的一种机械⑴。轴流风扇不仅应用于化工、冶金、动力、矿山等领域，还广泛应用于航空航天、车辆、空调制冷、计算机等行业。如何更好的将机械能转化为空气能量，提高能量转化效率、增强空气动力性能，己成为各行业关注的重点。车用冷却风扇作为冷却风扇的一个重要分支，广泛应用于汽车、工程机械和军用机械等车辆的冷却系统。其主要作用是为动力船创造空气流动环境，给散热器模块提供足够的冷空气流量，保证车辆发动机系统、液压系统、传动系统以及空调系统散热需求，维持车辆各子系统平稳持续工作，使车辆动力性能和经济性能稳定可靠。不同种类的车用冷却风扇，其设计要求也是不同的。对于汽车冷却风扇，由于车速高、迎风面积大、动力船布置合理，散热器模块的散热性能容易保证。如何降低噪声，提高操作者的舒适度成为汽车冷却风扇关注的主要问题；对于军用车辆，如装甲车、坦克车等，其热空气不能直接排出车外，所以对冷却风扇设计提出特殊的要求。而对工程机械的要求则介于汽车和军用车辆两者之间，具有车速慢、散热器模块散热量大、动力舱空间布置紧凑、舱内空气流动性差、工作条件恶劣等特点[2],其风扇的设计和使用必须考虑散热器模块、动力舱布置和外界环境因素的综合影响。尤其近年来工程项目的工作量加大，使得工程车辆发动机功率逐步提高，其对于散热系统散热能力的需求也大大提升。为了让工程车辆在长时间的工作条件下保持散热性能稳定，避免发动机系统、液压系统、润滑系统等由于过热无法正常工作，进而导致车辆故障，作为动力船内唯一的冷却空气动力源，其空气动力性能提高成为工程机械行业和风扇制造行业关注的重点。另外，随着国家车辆排放法规的日益严格和对驾驶者操作舒适度要求的提高，使得车辆散热器数量增加。在动力舱内冷却液散热器、液压油散热器、传动油散热器的基础上又加入了中冷器和空调散热器等。使得动力船内有限的空间愈发紧凑，动力舱内空气流通环境变差，流通阻力变大。针对动力船内变化，如何提高风扇的空气动力性能，合理改进动力船内的布局和动力船表面开口进而减小空气流通阻力，也成为工程车辆和冷却风扇研究急需解决的问题。
1.2轴流风扇简介
按工作原理可将风扇分为叶片式、容积式和喷射式三类，叶片式风扇又分为离心式、轴流式和混流式三种类型。根据风扇出口全压，可将风扇分为低压风扇、中压风扇和高压风扇，当风扇全压小于980Pa，称为低压风扇。工程车辆用冷却风扇属于低压轴流风扇的范畴。轴流风扇空气流向的主要方向为轴向，与风扇转子的旋转轴方向平行。空气流经转动的轴流风扇后，在不同的半径处具有不同的速度。为了使轴流风扇各个半径处具有相同的压力，需对叶片形状等参数进行调整，保证切线速度变化与半径成反比。轴流式风扇有三种类型：螺旋桨式、轴向管式和轴向叶片式。这三种风扇的叶轮都是由叶片组成，而叶片足薄金属板冲压、铸造或加工成的翼型零件。
第2章工程车辆冷却风扇性能数值分析
车辆冷却风扇是车辆动力舱内关键的散热部件，对增强动力船内空气流动，提高散热器散热效果有重要意义。应用于汽车及工程车辆的冷却风扇为轴流风扇，但其工作环境较其它管道用轴流风扇复杂多变。为保证车辆的正常工作，要求冷却风扇需具备良好的性能。
2.1冷却风扇性能参数
2.1.1风扇流量
风扇流量指单位时间内流经风扇的空气总量。风扇流量通常有体积流量和质量流量两种表达方式，分别用Qv和Qm表示，体积流量有m3/h或m3/s两种单位形式；质量流量有kg/h或kg/s两种单位形式。经过不断的发展和演化，CFD数值解法円趋多样化。根据离散原理不同，CFD大体可分为三个分支：有限差分法、有限元法和有限体积法[46]。采用商业软件用有限体积法和多重参考坐标系法对模型进行求解。求解有限体积法的基本过程如下：首先建立物理模型并对其进行网格划分，然后设置边界条件和流体特性，选择控制方程、湍流模型和迭代算法，最后选取收敛准则，设定松驰因子，对模型进行数值计算。多重参考系坐标法是能够通过不依赖经验参数输入，通过风扇实际几何特征得到风扇性能的方法。MFR方法在于在风扇周围建立旋转流体区域，风扇与旋转流体区域相互作用，通过仿真可以得到风扇的性能参数。通过对流体区域大小的控制，可以得到不同的风扇性能[47]。本文借助FLUENT商用软件，釆用MRF方法通过两种仿真方式来评价风扇性能。通过建立风扇管道的方式，对风扇进行试验性能分析；通过建立风扇风室的方式，对风扇在辅助部件存在条件下的性能进行分析。本节将分别对这两种方式进行模型建立、网格划分和边界条件设置。
第3章圆弧弯板冷却风扇性能研究........... 29
3.1冷却风扇结构参数特性 .........29
3.2风扇结构参数变化对性能影响......... 30
3.3风扇结构参数敏感度分析......... 38
3.3.1 TF.交试验方法设计......... 38
3.3.2 TF.交试验仿真结果分析......... 39
3.4导风罩对风扇性能影响......... 42
3.5导风罩和顶环......... 42
3.6本章小节......... 47
第四章叶片翼型与风扇性能研究 ........49
4.1轴流风扇设计基础........ 49
4.1.1轴流风扇基本理论........ 49
4.1.2轴流风扇设计方法........50
4.2翼型升力系数与风扇性能关系........ 51
4.3基于孤立翼型法的冷却风扇设计........ 53
4.4导风罩与风扇性能关系........ 60
4.5本章小节........ 63
第5章动力舱流体和换热特性分析........ 65
5.1动力舱物理和数值模型建立........ 65
5.1.1物理模型建立 ........65
5.1.2数值模型建立........ 68
5.2动力舱流动和换热特性分析........ 69
5.3冷却风扇和辅助部件改进........ 75
结论
冷却风扇是车辆动力舱内关键的散热部件，对增强动力舱内空气流动，提高散热器散热效果有重要意义。应用于汽车及工程车辆的冷却风扇为轴流风扇，但其工作环境较其它管道用轴流风扇复杂多变。为保证车辆的正常工作，要求冷却风扇需具备良好的性能。本文结合CFD方法，对冷却风扇性能进行了研究，主要工作包括：
1.结合CFD和MRF方法，对工程车辆用冷却风扇及其辅助部件性能进行了研究。在阅读相关文献的基础上，根据厂家提供的数据和国家标准，分别建立了风扇风道和风扇风室模型。对于风扇风道模型，采用四面体和六面体网格分别对风扇、整流栅和进出口管道进行了网格划分。釆用标准k-￡湍流模型和SIMPLE算法进行数值计算，对风扇的性能进行了仿真分析。对仿真结果与试验数据进行了对比分析，初步确定了仿真方法的可行性和可信度。对于风扇风室模型，采用相同的网格类型对风扇、导风罩、散热器和进出口风室进行了网格划分，由于散热器的存在，风扇风室模型需加入能量方程，釆用与风扇风道相同的湍流模型和算法进行数值计算，在风扇的工作转速下，得到风扇在辅助部件下的性能，作为辅助部件改进的评价标准。
2.对圆弧弯板冷却风扇的性能进行了研究。讨论了安装角、叶片弦长、叶片曲率半径、叶片高度和轮毂比等主要结构参数变化与风扇性能的关系。利用TF.交试验法和信噪比方法对风扇安装角、弦长、曲率半径和轮毂比四个参数的信噪比进行了计算，得出了各个参数对性能变化的贡献率，为圆弧弯板翼型的风扇设计与改进提供了依拋。对工程机械常用辅助部件导风罩和顶坏对风扇性能的影响进行了分析。以散热器性能作为辅助部件改变对风扇性能影响的评价标准，讨论了风扇径向间隙和沉入量变化与性能的关系。并分析了顶环对风扇性能的影响。
参考文献
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