汽车发动机冷却风扇仿真方法对比

王天利， 等: 汽车发动机冷却风扇仿真方法对比 1． 3 FLUENT 计算模型确定 运用 ω c
［1 ］
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DMM 可以 及边界或计算域内有物体移动的问题时 ， ［1 ］ 很好地得到准确结果． 在汽车发动机舱散热中发动机风扇起重要作 用， 其结构有严格要求． 所介绍的模型中有 3 种可用 于同时存在运动区域和静止区域的仿真： MＲF 模型 和 MPM 都用于定常流动的计算， 并且 MＲF 模型经 济性更好； SMM 用于非定常流动的计算． 本文对风 扇旋转流体区域进行 CFD 数值模拟． 运用 FLUENT， 通过对汽车发动机冷却风扇性能的分析， 比较 MＲF 模型和 SMM 的仿真结果．
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计
算
机
辅
ห้องสมุดไป่ตู้
助
工
程
2014 年
在非定常流动计算中， 在流体机械的旋转部件 出口与固定部件进口间形成网格滑移的交界面 ． 运 用 SMM 模拟风扇的运动情况， 建立 2 个重合的交界 面， 使交界面两侧形成网格的相对滑动 ， 而不要求交 界面两侧的网格节点相互重合． 计算交界面两侧的 通量， 并使交界面上的通量相等．
Comparison of simulation methods of automobile engine cooling fan
WANG Tianli，HAI Chao ，ZHANG Bo ，LIU Yuan
（ College of Automobile ＆ Transportation，Liaoning University of Technology，Jinzhou 121001 ，Liaoning，China）
ρ + （ ρu i ） = 0 t x i p （ ρu i ） + （ ρu i u j ） = － + t x j x i u i （μ － ρ u' i u' j ） x j x j
（ 3）
kg / m3 ； μ 为动力黏度， Pa · s； 式中： ρ 为流体密度， － ρ u' i u' j 为雷诺应力， N． 根据 Boussinesq 假设， 雷诺应力与平均速度的 关系为 u i u j u i 2 + ） － （ ρk + μ t ）δ （ 4） 3 x j x i x i ij 式中： μ t 为湍动黏度； δ ij 为 Kronecker Delta 符号． 因仿真模型中存在旋转区域， 为使方程组封闭， － ρ u' i u' j = μ t （ 湍流模型选择两方程 ＲNG kε 模型 为 k （ ρk） （ ρku i ） + = （ α k μ eff ） + G k + ρε x t x i x j j C1， ε （ ρε） （ ρεu i ） + = （ α ε μ eff ） + ε G k － k x i x j t x j C2， ερ ε k
面上不共用网格节点， 交界区域不由交界面两侧网 格面直接构成， 而是通过两侧子域间的相对移动量 重新计算得出交界区域的边界位置， 见图 5 ， 交界区 bec． 域为 dMＲF 模型 SMM
［4 ］ SMM 是一种非定常计算模型， 其基本原理 为： 采用非正则网格技术， 即交界面两侧子域在交接
3
仿真结果
通过分析风扇表面的压强分布云图、 速度矢量 分布图以及出口处的压力云图， 说明 MＲF 模型与 SMM 之间的差异． 速度矢量分布见图 6 ， 可以看出在 叶片表面速度变化比较均匀， 而 MＲF 模型在叶片顶 部和中部与 SMM 有明显的差异．
2
图3 Fig． 3 整个流道网格模型
计算模型
选 在含有静止区域和旋转区域的仿真过程中 ， 择 MＲF 模型和 SMM． SMM 用来模拟真实的风扇运 动， 而 MＲF 模型建立相对坐标系， 模拟风扇的转动． 2． 1 MＲF 模型 MＲF 模型用于不同旋转或移动速度的每个区 域的稳态近似， 由于经济有效， 在工程中常被用于定 常流动的计算． 考虑静止区域和运动区域交界面 ， FLUENT 使用强制的绝对速度连续性， 向相邻区域 提供正确的速度值 ； 在旋转区域运用相对运动坐 标系进行求解以区别静止区域， 见图 4．
模型确定
计算模型的确定
见图 采用某公司提供的发动机冷却风扇模型， 1． 首先对模型简化， 去除相应的小孔和半径小于 10 mm 的圆角， 再对其进行网格划分． 网格由 GAMBIT 生成． 由于风扇结构比较复杂， 故风扇旋转局部区域 采用非结构化四面体网格 （ 见图 2 ） ， 网格数约为 20 万个． 模拟风洞的流道表面采用四边形网格 ， 整个流 道采用混合网格， 模型见图 3 ， 整个模型的网格数约 为 1 405 971 万个．
判断气流的可压缩性， ωc =
［2 ］
v c
（ 1）
式中： ω c 为流速； c 为当地声速． 当 ω c ＜ 0 ． 4 时， 认为 本文中 ω c ≈0 ． 23 ， 所以采用三维 S 方程， 不可压缩的雷诺时均 N其质量守恒方程和 气体不可压缩． 动量守恒方程张量形式
［3 ］
为 （ 2）
1
1． 1
［5 ］
Mesh model of whole channel
1． 2
边界条件的确定 仿真模型的主要边界类型包括： 进口、 出口和壁
面等． 气流进口设置为压力入口， 气流出口设置为压 力出口， 以模拟回流现象； 风扇叶片和流道壁面设置 为 wall 类 型； 静 止 区 域 与 旋 转 区 域 建 立 重 合 的 interface． 在仿真过程中， 旋转流体区域为唯一 “动 ” 的区 域， 在 GAMBIT 中 将 旋 转 区 域 设 置 成 Fluid 类型．
Abstract： The simulation difference is compared between Multiple Ｒeference Frame （ MＲF ） model and Sliding Mesh Model（ SMM ） ． The 3D NS equation and ＲNG turbulence model of FLUENT are used to simulate the stationary area and rotatable area of automobile engine cooling fan． The air mass flow rate of flow channel and the surface pressure and velocity vector distribution of fan are obtained． The results of SMM are closer to the real results． According to the results of SMM， the application of MＲF in engineering area is illustrated． Key words： automobile； engine； cooling fan； multiple reference frame model； sliding mesh model； CFD； FLUENT 网格模型（ Sliding Mesh Model，SMM） 和动网格模型 （ Dynamic Mesh Model，DMM） ． SＲF 模型用于单一运动物体， 需要将坐标系与 外形复杂的部件连接在一起， 在几何上必须以旋转 中心为圆心形成一个圆或圆柱才可以将问题转化为 MPM 和 SMM 主要用于 定常流动问题． MＲF 模型、 计算区域中同时存在运动区域和静止区域或存在多 个静止可动区域的情况． 对于计算运动边界问题以
ur = vi + ω × r （ 3） 式中： v r 为相对速度矢量； v 为绝度速度矢量； u r 为牵 连速度矢量； v i 为平移速度矢量； ω 为转动区域角速 度矢量； r为相对位置矢量． 在旋转区域中动量方程引入科氏加速度 2 ω × ω vr ， × r， 因 在定常计算中 FLUENT 忽略转动项 ρ t 此用动量方程的相对速度表达式不能准确模拟角速 度随时间的变化． 当交界面两侧网格节点数不同时， 运用插值原理进行速度求解． －3 在进行 MＲF 模型仿真时， 收敛残差设为 10 ， 迭代步数为 1 500 步， 收敛时迭代步数约为 800 步． 2． 2 SMM
图4 Fig． 4 MＲF 模型计算坐标系 Calculation coordinate system of MＲF model
2 个坐标系的速度值之间的关系为 vr = v － ur
在开始阶段不关心精确解． 计算开始阶段采用 较大的时间步长以缩短开始阶段的不稳定过程 ； 在 （ 2） 计算稳定后， 减少时间步长以保证时间精度； 当流场 的变化量小于 0． 1% 时， 认为计算结果达到要求． 本文风扇含有 8 个扇叶， 每个扇叶分为 15 个时 间步（ 最多不超过 20 个时间步 ） ， 每个时间步转动 3． 4°． 收敛残差设置为 10 － 6 ， 开始时间步长设置为 0． 000 2 s， 达到稳定后时间步长设置为 0． 000 1 s， 前后总时间步数均设为 100 步．
第 23 卷 第 2 期 2014 年 4 月
计 算 机 辅 助 工 程 Computer Aided Engineering
Vol． 23 No． 5 Apr． 2014
文章编号： 1006 － 0871 （ 2014 ） 02-0078-04 DOI： 10． 13340 / j． cae． 2014． 02． 015
收稿日期： 2013-04-22 修回日期： 2013-05-23
( Email) 408449627@ qq． com 作者简介： 王天利( 1957 —) ， 硕士， 研究方向为汽车测试技术和汽车动力学， 男， 辽宁锦州人， 教授，
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第2 期
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（ 5）
（ 6）
图1 Fig． 1
风扇的 CATIA 模型 CATIA model of fan
图2 Fig． 2
风扇旋转域网格 Mesh of rotatable area of fan
式中： μ eff = μ + μ i ； α k = α ε = 1 ． 39 ； C2， ε = 1 ． 68 ． 压力速度耦合采用 SIMPLE 模型， 为减小假扩 散的影响， 空间和时间均采用 2 阶离散．
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引
言
CFD 数值分析在汽 随着国内汽车行业的发展， ． 车设计过程中越来越受到重视 在数值分析中， 静止 5 区域和运动区域中流动问题的模拟有 种模型： 单 一旋转坐标系 （ Single Ｒeference Frame ，SＲF ） 模型、 多参考坐标系 （ Multiple Ｒeference Frame，MＲF ） 模 型、 混合平面模型（ Mixing Plane Model，MPM） 、 滑移
汽车发动机冷却风扇仿真方法对比
王天利， 海超， 张波， 刘苑
( 辽宁工业大学 汽车与交通工程学院，辽宁 锦州 121001 )
摘要： 对 比 多 参 考 坐 标 系 ( Multiple Ｒeference Frame，MＲF ) 模 型 和 滑 移 网 格 模 型 ( Sliding Mesh Model，SMM) 在分析 中的 差 异， S 方程和 ＲNG 湍 流 模 型， 分 别 应用 FLUENT 中的 三 维 N对 发 动机 冷却风扇的静止和旋转区域进行数值模拟， 得到流 道 内 空 气 的质 量 流 量 及 风 扇 叶片 表 面 的压力和 速度矢量分布． SMM 的结果更接近 真 实 结 果; 根 据 SMM 得 出 的结 果 说 明 MＲF 模 型在 工程 领 域的 应用． 关键词： 汽车; 发动机; 冷却风扇; 多参考坐标系模型; 滑移网格模型; CFD; FLUENT 中图分类号： U464． 138． 4 ； TB115． 1 文献标志码： B