基于双向流固耦合的发动机冷却风扇性能研究

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发动机为汽车的运行提供动力,它的各项性能参数都会对汽车的运行产生影响。发动机冷却风扇作为发动机冷却系统的核心组成部件,其性能好坏将直接影响发动机的散热特性。随着汽车发动机技术的不断提高以及环保法规的不断强化,对发动机冷却风扇的性能也有了更高的要求,尤其是高转速、高效率、低能耗等方面。因此,有必要研发更经济更高效的发动机冷却风扇,从而保证汽车发动机的散热效果。
  目前应用于发动机冷却风扇性能研究的方法大多忽略了流固耦合特性对其性能的影响,均假设发动机冷却风扇的叶片为刚性的。这种假设对于硬度大变形小的材料可以认为是合理的,但对于会存在叶片变形的材料来说,就不能忽视叶片变形对发动机冷却风扇性能的影响。考虑发动机冷却风扇叶片与流动气体间的耦合作用,分析发动机冷却风扇的气动性能及结构强度对发动机的高效运行及发动机冷却风扇的优化设计具有非常重要的价值。因此,本文基于双向流固耦合方法对一款中型商用车的发动机冷却风扇性能进行了研究。
  本文首先总结了发动机冷却风扇气动性能的主要参数及其计算方法,对发动机冷却风扇的性能试验进行简单概述,并通过发动机冷却风扇性能试验获得所研究风扇的试验数据;利用流体分析软件对该发动机冷却风扇进行了流场数值计算,通过与性能试验结果的对比,验证了发动机冷却风扇流场数值计算方法的可行性;之后对发动机冷却风扇进行流固耦合模拟计算,研究叶片变形对流场的影响,进而研究叶片变形对发动机冷却风扇性能的影响;接着对同一结构不同叶片材料的发动机冷却风扇进行流固耦合模拟计算,研究不同材料对发动机冷却风扇性能的影响;最后通过正交试验对所研究的发动机冷却风扇叶尖弦长、叶尖厚度、叶尖安装角等参数进行优化设计,分析不同参数对发动机冷却风扇性能的影响,总结各参数变化对发动机冷却风扇性能评价指标的影响规律;最终,根据正交试验结果,得出多款发动机冷却风扇结构,对其一一进行仿真计算分析,通过对多组仿真结果的分析,获得所选参数中最优参数匹配方案进行仿真验证。
  结果表明:流固耦合方法计算的结果良好的反映了发动机冷却风扇的工作状态,其计算结果相较单纯的流场计算结果更接近试验值,最大误差控制在3.5%以内;发动机冷却风扇变形最大处位于主要做功的叶片前缘叶尖位置;不同材料导致的叶片变形量有所不同但变形位置几乎不发生改变,且不同叶片材料的选取对风扇性能仿真结果会有较大的影响;在叶尖弦长、叶尖厚度、叶尖安装角三个变量中,叶尖安装角对风扇性能影响最大,叶尖弦长与叶尖厚度对风扇性能影响较小;优化后得到的风扇性能较优化前的风扇静压平均提高了6%,所消耗的功率降低了4%。
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