基于双向流固耦合的冷却风扇气动性能仿真分析

霍小臭，袁帅，亓宗磊

潍柴动力股份有限公司，山东潍坊 261000

0 引言

风扇作为车辆冷却系统一个重要的组成元素，对车辆的稳定工作具有至关重要的作用。随着技术发展，各种仿真技术越来越多地应用到风扇的开发过程中。但在大尺寸、高转速和高负载风扇的开发过程中，由于风扇叶片会发生较为显著的变形[1]，而这些变形反过来又会影响风扇的流场，使风扇性能发生改变，同时，由于风扇性能的改变，风扇的形变也随之发生变化，导致使用单纯的CFD方法或单向耦合方法无法精准计算风扇的气动性能和形变[2]。

本文采用基于Ansys Workbench的双向流固耦合方法对风扇的流场和结构场进行迭代计算，将流场计算获得的风扇表面压力导入结构计算中对风扇进行结构计算，得到形变后的风扇模型重新导入至流场计算中，反复迭代，直至风扇的气动性能和形变量不再发生显著变化，由此获得更为准确的风扇气动性能[3]，并通过与不考虑风扇形变的CFD计算结果和试验结果进行对比，验证了双向流固耦合方法具有更高的准确性。

1 计算方法

本文针对某型号发动机的冷却风扇，建立了双向流固耦合计算模型。首先基于Fluent软件对风扇气动性能进行计算，然后将计算获得的风扇表面的压力场导入Ansys Transient Structural中对风扇的结构场进行计算，风扇在压力场的作用下发生形变，将变形后的风扇模型重新导入Fluent中进行流场计算，而后反复迭代，直至风扇的气动性能和形变量不再发生显著变化。计算流程如图1所示。

图1 计算流程

1.1 风扇模型及网格划分

选取某型号柴油发动机用冷却风扇，风扇直径为760 mm，叶片数为10，流体计算域按照风扇性能试验时的流场结构进行构建，但简化了风扇螺栓孔、连接盘、连接皮带和流道内的传感器等对流场影响不大的部件。流场计算模型如图2所示。

图2 流场计算模型

采用Ansys Meshing分别建立流体计算和结构计算网格模型，流体计算域网格总数为17.67万，固体计算域网格为7.90万。网格模型如图3所示。

图3 网格模型

1.2 计算方法及边界条件

在流体计算中，湍流模型使用标准K-ε两方程模型，并采用COUPLE算法，风扇的转动由动网格实现。入口处采用相对压力为0的压力入口，出口处按照试验中的实际静压值设定[4]，其余壁面均为无滑移壁面，风扇速度分别为1 500和1 800 r/min，通过调节出口处压力来计算不同风扇静压下的风扇性能。

2 仿真结果分析

2.1 CFD仿真结果

采用Ansys Fluent软件，在风扇不发生形变的假设下进行流场计算，得到不同转速和不同静压下的风扇流量变化曲线如图4所示。由图可见，随着风扇静压的增大，风扇产生的空气流量逐渐减小。

图4 流体计算得到的不同转速和不同静压下的风扇流量变化曲线

2.2 双向流固耦合仿真结果

基于Ansys Workbench软件，流体部分采用Fluent计算，静力学分析采用Transient Structural软件，在不同转速和不同静压下进行双向流固耦合计算，得到风扇流量变化曲线如图5所示。

在双向流固耦合仿真结果中，风扇叶尖部位发生较为显著的变形，如图6所示，在转速为1 500 r/min、静压为0时，形变量从中部向叶尖不断增大，叶尖处变形量最大接近2 mm，风扇结构发生了较为显著的改变，对风扇性能可以产生较大影响。不同转速和静压下，风扇的形变量分布趋势基本相同，仅数值有所改变。

图5 双向流固耦合获得的风扇流量变化曲线

图6 风扇变形量

2.3 仿真结果与试验结果的对比分析

对比流场计算、双向流固耦合计算的流量和试验值，结果如图7所示。

图7 不同计算方法得到的流量和试验值的对比结果

由图7可以看到，基于风扇不发生变形假设的CFD计算和考虑风扇变形因素的双向耦合计算得到的流量结果均小于试验值，但考虑了风扇变形因素的双向流固耦合仿真得到的结果更接近于试验值。

对不同计算方法得到的流量结果和试验值进行误差分析，得到不同风扇静压下的偏差值如图8所示。由图可以看到不考虑风扇变形，仅采用CFD计算时，与试验值的误差在11%左右;采用双向流固耦合时，与试验值的误差降低至6%左右。除了风扇形变的影响外，其余误差可能由空气的可压缩性、风扇连接盘、驱动轴和驱动皮带的简化等引起，继续深入优化模型，仍存在进一步降低误差的空间[4]。

图8 不同风扇静压下的偏差值

3 结论

本文对某型号发动机散热风扇进行了双向流固耦合仿真和CFD流场仿真，通过改变风扇静压计算得到了风扇在两个常用转速下的性能曲线，同时与试验结果进行了对比分析，得到如下结论：

(1)采用双向流固耦合计算得到风扇结构发生较为显著的改变，对风扇性能产生一定影响。

(2)相比于假设风扇不发生变形的CFD流场计算，考虑了风扇变形因素的双向流固耦合仿真得到的结果更接近于试验值。

(3)采用CFD计算与试验值的误差在11%左右;采用双向流固耦合时，误差降低至6%左右。

(4)采用考虑风扇变形因素的双向流固耦合计算，相比于单纯采用CFD计算，得到的风扇性能曲线更接近于试验值。在风扇性能仿真中，采用双向流固耦合计算可显著降低计算误差。