轴流式风扇加装导叶片性能研究

摘要：风扇是车辆冷却系统的主要部件，当前应用比较广泛的是轴流式风扇，为了提高风扇的冷却能力，对改进的某型轴流式风扇进行实验研究和数值模拟。实验结果表明，轴流式风扇加装后导叶片质量流量提高约20%，加装前导叶片质量流量提高约15%，在提高质量流量方面加装后导叶要优于加装前导叶。加装导叶片能在相同转速下显著增加风扇的质量流量，提高冷却性能。以前导叶为例，运用NUMECA软件进行数值模拟计算，数值模拟结果与实验较吻合。

关键词：轴流式风扇；NUMECA软件

1、引言

风扇是车辆冷却系统的主要部件，其性能对整车冷却系统有着重要影响，随着车辆对冷却性能要求的不断提高，进一步改进风扇结构，降低能源消耗，对提高车辆性能具有重要意义。

当前，民用车辆的冷却风扇以混流式风扇为主，其特点是结构简单、紧凑，体积小、重量轻、便于维修，但是冷却效率较低，相同转速下产生的风压和质量流量较低，流动较紊乱。而军用车辆由于其对性能的高要求，一般采用轴流式风扇，其特点是在相同的转速下能够产生较高的风压，空气流动均匀，质量流量大；但是其结构较复杂，质量和体积较大。

针对以上两种情况，结合两种冷却风扇各自特点，对车用轴流式风扇进行轻量化结构改进，增加前后导叶片，对其进行台架试验，分析对比试验结果，得到风压、质量流量和流场等变化规律。以前导叶为例，运用NUMECA软件进行数值模拟计算，计算结果与试验相比较作为验证。

2、试验方法与装置

2.1试验装置

采用风洞试验台架（后导叶性能测试如图1），改变风扇与导叶位置为前导叶性能测试图，利用变频电机驱动风扇，风扇采用WR219－200排气式风扇；导叶采用模型换算法设计，以WR-21扇为原型，在符合相似准则的情况下，确定后导叶出口角10º，前导叶出口角为30º，导叶轴向长度为80mm，叶高25mm。风扇导叶与叶轮的距离为25mm 。测试的参数主要有：风扇转速、大气压力和进出口风速。

实验时，环境温度25℃，室内风速很小，其影响可忽略。每一次测量都经过一定时间周围环境达到稳定状态后，开始测量数据。

2.2 试验方法

冷却风扇的性能主要体现在冷却介质的质量流量，实验台利用皮托管和斜管压力计测量风速，根据伯努力方程，可得皮托管测速原理。

应用重力场中理想流体的伯努力方程得：

（1）

即

（2）

（3）

上式中―― 总压；

―― 进口压力，试验中为大气压；

―― 出口压力，试验中为测试点的总压；

―― 流体密度，试验中为空气密度；

―― 皮托管中液体密度，试验中为酒精，取900kg/m3；

―― 液面高度差；

―― 重力加速度；

―― 运动粘度；

3、数值模拟计算

NUMECA分析采用三维Navier-Stokes方程，湍流模型选取K-ε标准两方程模型。由于模型简化的程度不同以及网格划分方法的不同，CFD计算结果有一定的差异。

为了保证网格的质量，在建立几何模型的时候将叶片的前缘和后缘都变为钝头，采用HI型网格，边界条件的设定采用进口给定总温总压和出口质量给定流量的组合，对转速为2400r/min进行数值模拟计算。为了确保模拟计算结果的准确性，温度与压力均为实验测试时环境压力与温度，风速为出口的平均风速。

由模拟结果得到加装导叶片后叶轮周围以及风洞内速度与压力的分布规律，结果表明，对于加装前导叶的风扇来说，在动叶轮与倒也片之间形成了低压区，增大了与外界的压差，从而增加进气量。叶轮周围及风洞内速度分布规律与实验测试结果有很好的吻合。出口平均风速与实验所测值误差较小。

4、结论

1）通过比较加装导叶和无导叶风扇在相同转速下的质量流量差，计算可知在相同转速下，加装后导叶的风扇比无导叶风扇质量流量提高25％左右，加装前导叶风扇比无导叶风扇质量流量提高约为10％。

2）分析风扇导叶片安装的位置（前导叶、后导叶）不同对风扇质量流量的影响，得出在相同转速下，安装后导叶风扇的在质量流量上略高于安装前导叶的风扇。

3）利用数值模拟计算得到的结果与实验结果有较好的吻合。数值模拟结果中，压力分布规律可以为今后研究风扇流场提供理论依据。

参考文献

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[2] 李晓娟，风扇/增压级叶尖间隙流动数值模拟研究[硕士论文]。北京航空航天大学2004.9。

[3] 郭新民、邢娟、王会明、高平，汽车发动机自控电动冷却风扇的发展与研究[J]。内燃机工程，1999年第3期。

[4] N.S.AP. A Simple Engine Cooling System Simulation Model.SAE International. Technical Paper,1999

作者介绍

张万清男1982年生，2004年毕业于内蒙古工业大学，工程师，现就职于神华准格尔能源有限责任公司设备维修中心调度指挥中心。