基于ANSYS Workbench 的风扇流量仿真

朱佳欢 张广文 刘佳鑫

（华北理工大学，河北 唐山063000）

为了研究某新能源装载机冷却系统的换热性能，需要获得正确的冷却系统散热模块中的冷却风扇性能。目前多用前处理软件Gambit 对模型进行网格划分与边界设置，随后保存数据导入Fluent 软件进行仿真计算和后处理。经过Gambit 处理后保存的数据在导入Fluent 中容易出现数据丢失等问题，且出现网格质量等错误时不易更改，操作十分不便。为了解决上述的问题，本文采用功能强大的Ansys workbench15.0 工作台，将虚拟风道模型的网格划分、CFD 模拟、后处理集中，避免因软件的相互转换所带来的问题。

1 风扇模型建立及网格划分

1.1 以新能源装载机配置的冷却风扇为对象，对其进行三维建模，并将其置于虚拟风道中进行数值模拟。风扇三维模型如图1，部分参数见表1。

表1 风扇参数表

图1 风扇模型

根据文献[1]对风洞的要求，选取D 型风道，建立虚拟风道三维模型，结构如图2 所示。虚拟风道分为进口区、出口区、冷却风扇区、旋转域区、整流栅区。其风道截面为风扇当量直径，进口区风道长度为4 倍的风扇当量直径，出口区风道长度为6 倍的风扇当量直径，按照标准需在距离出口区风道2 至4 倍风扇当量直径处布置整流栅[2-4]。

图2 虚拟风道模型

1.2 在CFD 模拟中，划分后的网格质量直接决定着计算结果的精度和收敛速度。对于冷却风扇而言，应采用适合曲率变化大的非结构性网格。冷却风扇区及旋转域采用四面体网格，网格划分方法设置为Tetrahedrons，生成网格形式为Path Independent，如图3。进口区、出口区及整流栅采用正六面体网格，网格划分方法设置为Hex Dominant Method，生成网格形式为Use Global Setting，自由面网格类型为All Quad。对冷却风扇扇叶附近区域及旋转域进行网格加密，如图4。

图3 风扇区网格

图4 虚拟风道网格

2 求解设置与仿真结果

2.1 在workbench 的fluent 中设置为压力为基础的稳态求解器；空气视为不可压缩介质；压力进口、压力出口；湍流模型选择k-ε 标准模型，湍流强度为默认值5%，水力直径为风扇当量直径；对冷却风扇及旋转域采用多重参考系法（MRF），冷却风扇相对于旋转域静止，即设置旋转域转速与风扇转速一致，为2100 rpm；各区域均设置为流体区域，流动介质为空气；耦合方程采用SIMPLE 算法；为了更快收敛，湍流耗散率、动量及压力等参数均采用二阶迎风式离散；设置监测面，监测项为风量，监测项残差数值小于1.0×10-6可定为收敛。

2.2 在Fluent15.0 进行仿真计算，监测冷却风扇出口风量。迭代2500 左右计算达到收敛，计算得到的冷却风扇风量为0.817kg/s，与风扇厂家提供的风量数据基本一致，如图5 所示。

图5 仿真结果

3 风扇流量与转速关系

上述验证了所建立的风扇仿真模型的准确性，为了研究风扇自由涡流时的流量与风扇转速之间的关系，保持其他参数不变，在仿真时只改变动力舱出口处的冷却风扇转速，并监测冷却风扇出口处的空气流量。设风扇流量为Qc,仿真计算结果如表2 所示。

表2 风扇流量与转速仿真结果

A=95.45 可忽略不计，则风扇流量与风扇转速的关系为：

其中，kτ为风扇转速比例系数。

本文利用ANSYSY Workbench 15.0 软件，将操作集于一身，能够避免软件之间数据传输错误，且workbench 中网格划分流程简单，降低了操作难度。通过与厂家提供的信息对比，证明该风扇数值仿真模型的准确性，以进行后续的新能源转载机冷却系统散热性能的研究。研究分析了风扇自由涡流时的流量与风扇转速之间在一定条件下呈正比关系。