基于STAR-CCM+的某发动机冷却风扇数值模拟

基于STAR-CCM+的某发动机冷却风扇数值模拟
唐琳;谭礼斌;黄灿;刘小强;余千英;何丹;冷小丽
【摘要】Based on computational fluid dynamics (CFD) theory, the steady-state flow field characteristics of an engine cooling fan are analyzed by using STAR-CCM+ software. The internal velocity field distribution is analyzed, and the air volume of the cooling fan at a given working point is predicted. Meanwhile, the reliability of CFD simulation is verified by comparison with the airflow volume experimental results of the engine cooling fan test.%基于计算流体动力学理论,采用STAR-CCM+软件对某发动机冷却风扇进行稳态流场特性分析,分析其内部速度场分布,预测冷却风扇在给定工况点下的风量大小,同时与实验测试的风量对比,验证了CFD仿真分析的可靠性.【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2018(000)012
【总页数】5页(P126-130)
【关键词】STAR-CCM+;冷却风扇;速度场;数值模拟;实验验证
【作者】唐琳;谭礼斌;黄灿;刘小强;余千英;何丹;冷小丽
【作者单位】隆鑫通用动力股份有限公司技术中心基础研究所CFD研究室, 重庆400039;隆鑫通用动力股份有限公司技术中心基础研究所CFD研究室, 重庆400039;隆鑫通用动力股份有限公司技术中心基础研究所CFD研究室, 重庆400039;隆鑫通用动力股份有限公司技术中心基础研究所CFD研究室, 重庆400039;隆鑫通用动力股份有限公司技术中心基础研究所CFD研究室, 重庆
400039;隆鑫通用动力股份有限公司技术中心基础研究所CFD研究室, 重庆400039;隆鑫通用动力股份有限公司技术中心基础研究所CFD研究室, 重庆400039
【正文语种】中文
【中图分类】O348;U465
0 引言
发动机冷却风扇主要作用是利用空气的流动，对运行中的发动机进行冷却[1]。

冷却风扇的风量是评估风扇性能的一个重要指标。

随着CFD（Computational Fluid Dynamics）仿真分析技术在工业领域的广泛运用和发展，采用数值仿真方法对旋转机械内部流场进行可视化分析，已逐渐成为整个行业的趋势[2]。

本文基于计算流体动力学基本理论，采用通用流体分析软件STAR-CCM+对某发动机冷却风扇进行稳态流场特性分析，预测其在给定实验测试工况条件下的风量大小，并与实验测试的风扇风量值对比，验证CFD仿真分析的可靠性，为后续冷却风扇的设计及结构改进提供相应的理论基础和分析支撑。

1 物理模型
某发动机冷却风扇的实物图如图1a所示，采用Unigraphics NX 8.0软件按照冷却风扇实物以1∶1绘制得出3D模型（图1b）。

将三维模型导入流体分析软件STAR-CCM+11.06后，依据实验测试模型建立计算域模型。

采用多面体网格和边界层网格类型对风扇计算域模型进行网格划分，获得相应的计算域网格模型图（图1c）。

本文对网格数量和球面入口尺寸进行网格无关性研究，对过渡区域、旋转域、非旋转域进行体加密、叶尖加密，研究网格数量对风量计算结果的影响；改变球面尺寸，探究其对风扇风量计算结果的影响。

体加密示意图及球面入口示意如图
2所示。

图1 冷却风扇模型示意图
图2 网格加密示意图及球面入口示意图
2 数学模型
流体流动满足质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律。

本文数值求解中不涉及温度场，因此流动控制方程如下：
（1）连续方程[3]
该方程表述为在同一时间内某一封闭流体控制体表面的体积流量为零，即流入的体积流量等于流出的体积流量。

不可压缩流体下，密度ρ为常数的质量守恒方程如式（1）所示。

（2）动量方程（N-S方程）[4]
该方程可表述为某一流动控制体，其动量的积累速率等于作用于控制体上的外力的总和。

式中：ui、uj是平均速度分量，xi、xj为坐标分量，p是流体微元体上的压力，μeff是湍流有效黏性系数。

本文选用STAR-CCM+中提供的Realizable k-ε湍流模型进行数值计算，因此在数值求解计算中需要求解k-ε湍流模型方程[4]：
式中：Gk为速度梯度产生的湍动能项，Gb为浮力产生的湍动能项，YM 表为脉动扩张项，C1ε，C2ε，C3ε 为经验常数，σk，σε分别为与湍动能k和耗散率相对应的Prandtl数，Sk和Sε为用户自定义的源项。

3 边界条件
本文风扇计算域模型进口采用滞止入口（stagnation inlet）边界条件，出口采用
压力出口（Pressure outlet）边界条件，给定的压力条件为进口总压和出口静压，出口压力值为实验测试环境下各工况的风压值，风扇进气温度25℃.本文采用
MRF（Moving Reference Frame）模型实现动—静面间的数据传递，给旋转叶
片区域（旋转域）设定旋转速度和旋转方向，即可实现风扇的运转。

本文采用稳态求解。

4 模拟结果分析
4.1 网格无关性验证
计算域模型的网格模型划分方法和网格质量对数值求解的计算精度及模拟结果都具有非常显著的影响，采用合理的网格参数控制策略对关键流动区域进行网格细化控制，对提高网格质量、提高计算精度都具有非常重要的作用[5]。

本文选取19.9 Pa、39.8 Pa两个测试风压进行网格无关性分析，研究不同网格数量下冷却风扇风量的变化情况。

图3为不同网格数量对风量计算结果的影响。

图3表示不同旋转区域
网格尺寸下风量计算结果的变化。

从图中可以看出，网格数量达到600万后，风
量几乎没有变化。

同理，图4和图5分别表示过渡区域网格尺寸和非旋转域网格
尺寸下风量计算结果的变化。

总体上分析，当网格数量达到600万以上，冷却风
扇风量的计算结果几乎没有变化变化。

综上，考虑到实际计算能力和叶片变形程度，冷却风扇计算域模型的网格控制策略如下：非旋转域网格尺寸16 mm，过渡区域网格尺寸8 mm，旋转域网格尺寸1 mm，叶尖加密尺寸0.25 mm，边界层层数
6层，边界层增长比1.5，风扇边界层厚度0.4 mm，其余边界层厚度1 mm。

网
格划分完成后风扇计算域体网格数量约为700万。

图3 不同旋转域网格尺寸对计算结果的影响（非旋转域16 mm；过渡区域8 mm）图4 过渡区域网格尺寸对计算结果的影响
图5 非旋转区域网格尺寸对计算结果的影响
4.2 边界设置对计算结果的影响
图6 为不同气体入口面对风量计算结果的影响。

图6（a）为不同气体入口面形状
及大小示意图，图中2.2倍球面表示球面半径为风扇外轮廓半径的2.2倍。

图6（b）表示39.8 Pa测试风压下不同气体入口面形状下风扇风量的计算结果，从图中可以看出，风扇罩形状和立方体形状的风扇风量计算结果偏大，球面形状的风扇风量随着球面半径的增大，风量逐渐减小，最后趋近于一个定值。

从图中可以看出，当球面半径大于3.2倍后，风扇风量值的大小变化较小。

因此，本文后续研究中采用4.2倍球面大小的气体入口面进行冷却风扇风量的计算。

图6 气体入口面对风量计算结果的影响
STAR-CCM+中的湍流模型有RKE（Realizable KEpsilon）、SKE （Standard
K-Epsilon）、Sk-O（Standard K-Omega）、SSTK-O（SST K-Omega）等模
型[6]。

本文选用4种常用的双方程模型，分别为SKE模型、RKE模型、SK-O模
型和SSTK-O模型，分析湍流模型的选择对冷却风扇风量计算结果的影响。

由于
不同的湍流模型对近壁区网格数量要求不同，可以用Y+值检验与壁面最近节点的位置，确保近壁区有足够的节点数。

在模拟过程中，边界层网格的Y+值范围必须满足相应的湍流模型要求，确保数值模拟的求解精度[6]。

如图7所示为39.8 Pa
测试风压下不同湍流模型对应的边界层网格Y+值分布图和冷却风扇风量计算结果图。

从Y+值分布可以看出，大部分区域满足湍流模型需求的Y+值范围，表明各
湍流模型下的边界层网格Y+值满足要求。

39.8 Pa测试风压下冷却风扇的风量实
验测试结果为146.5 m3/h，从风量计算结果来看，图中 Realizable K-Epsilon Two-Layer （all Y+）湍流模型下的风量计算结果为149.7m3/h，与风量实测值
间的误差最小，表明RKE（ALL Y+）湍流模型对此冷却风扇的风量计算最适合。

图7 湍流模型对风量计算结果的影响
如图8所示为39.8 Pa测试风压下其它因素对冷却风扇风量计算结果的影响。

从
图中可以看出，采用理想气体进行冷却风扇的风量仿真模拟，获得的风量结果与常密度状态的计算结果相差不大；采用瞬态求解器获得风扇风量值为148.6 m3/h，与风量实验测试结果146.5 m3/h的误差较小，但CPU计算时间消耗约为稳态计
算时间的4～6倍，计算成本较高。

图8 其它因素对风量计算结果的影响
4.3 计算结果及实验对比
采用网格无关性研究结论对冷却风扇计算域模型进行网格划分，采用实测边界进行设置，湍流模型选择 Realizable K-Epsilon Two-Layer （all Y+），通过STAR-CCM+11.06流体仿真软件进行稳态数值求解分析，获得如图9所示的冷却风扇Wall Y+图、速度云图及速度矢量图。

本文冷却风扇仿真模拟分析中湍流模型选择Realizable K-Epsilon Two-Layer （all Y+），该湍流模型要求壁面Y+值尽量在0～5之间。

从图9（a）可以看出，冷却风扇旋转叶片Wall Y+值大部分区域满足Wall Y+要求，表明本文冷却风扇的计算域网格满足仿真分析要求。

从图9（b）
和图9（c）中可以看出，冷却风扇叶片表面速度分布较均匀，冷却风扇外圈因风
扇罩设计的原因导致产生较严重的风量回流，引起风扇效率较低，与实验测试情况基本一致。

后续研究中可以考虑对风扇罩或风扇进行优化设计，提升冷却风扇的运作效率。

图9 冷却风扇仿真计算结果
表1和图10为不同测试风压下冷却风扇风量仿真结果与实验测试结果的对比分析。

从表1和图10中可以看出，冷却风扇风量的仿真结果与实验测试结果的变化趋势基本一致，最大误差约为5%，总体平均误差约为3%，表明本文构建的冷却风扇
内流场特性的计算方法是可行的，可以有效地预测冷却风扇在不同测试风压下的风量值，为验证冷却风扇实验测试结果提供了分析支撑，同时为后续对冷却风扇叶片
的优化设计及风扇罩的优化设计提供了理论基础。

表1 风量计算结果?
图10 冷却风扇风量仿真结果与实验测试结果对比图
5 结束语
（1）通过网格无关性研究，得出该冷却风扇计算域模型的网格控制策略为：非旋转域网格尺寸16 mm，过渡区域网格尺寸8 mm，旋转域网格尺寸1 mm，叶尖加密尺寸0.25 mm，边界层层数6层，边界层增长比1.5，风扇边界层厚度0.4 mm，其余边界层厚度1 mm，入口球面半径为风扇外轮廓半径的4.2倍。

该网格控制策略下可获得较好地网格质量，且风扇旋转叶片Wall Y+值满足湍流模型的Wall Y+范围。

（2）Realizable K-Epsilon Two-Layer （all Y+）湍流模型下冷却风扇风量仿真
结果与实测风量值间的误差较小，气体物性采用常密度设置和采用稳态求解器，可降低计算成本，且仿真结果与实验更吻合。

（3）基于计算流体动力学方法，采用STAR-CCM+软件对冷却风扇内流场进行了流场特性研究，冷却风扇风量仿真结果与风扇实验测试结果的变化趋势一致，两者间的误差在可接受的范围内，从而验证了CFD仿真分析的可靠性。

基于计算流体
动力学理论的数值仿真分析方法可以较好地预测冷却风扇内部流场特性及其风量值，研究结果可为后续冷却风扇及风扇罩的结构设计及性能优化提供理论基础。

参考文献：
【相关文献】
[1]孟庆林，尹明德，朱朝霞.基于STAR-CCM+的发动机冷却风扇CFD仿真分析[J].机械工程与自
动化，2015（3）:64-66.
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