工程机械冷却风扇与护风罩的匹配研究

金 开，邢 超，刘家妩，赵增耀

（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）

工程机械发动机功率大，机舱空间狭小，布置紧凑，给发动机号冷却系统设计布置提出了更高的要求。冷却风扇是冷却系统的核心部件，其性能直接影响发动机的经济性、动力性以及排放。

冷却风扇与护风罩作为1个整体布置于机舱内，二者的匹配对风扇性能的发挥至关重要。因此，研究护风罩与风扇配合参数对风扇气动性能的影响有重要意义。

许多学者对冷却风扇与护风罩的匹配进行了大量研究。徐锦华等［1］对不同风扇的轴向伸入距离、径向间隙进行仿真分分析，认为轴向伸入距离和径向间隙对风扇性能的影响十分显著；朱东烈 等［2］认为通过合理控制风扇叶尖与导风圈的径向间隙，改进导风罩的结构形式，合理设计导风圈的宽度等，都可以不同程度地提高风扇的利用效率；于淼淼等［3］对比分析了环形风扇配置外插入式、内插入式和迷宫槽式护风罩下的气动性能，给出了某车型的护风罩配置方案；许自顺等［4］指出锥口型导风罩流量及噪声的综合性能更好；汤黎明［5］认为冷却风扇性能主要受到叶片结构参数和动力舱中各部件相对位置影响；习羽［6］对某工程机械冷却风扇与护风罩的沉入量和径向间隙变化对其性能影响进行了分析，认为合适的沉入量和径向间隙，有利于提高圆弧弯板风扇在护风罩下的性能。

相关研究主要集中在风扇结构参数对其气动性能及噪声的影响，护风罩与冷却风扇的匹配研究主要集中在2方面：一方面是不同结构形式的护风罩与风扇的匹配，另一方面是护风罩与冷却风扇的相对位置匹配。考虑到工程机械产品设计定型后，主要部件位置固化，护风罩结构形式改动空间不大，为了提高冷却风扇的气动性能，很有必要在仅改变护风罩圆弧段长度的条件下，研究风扇及散热器的空气流量变化规律，为护风罩与风扇的匹配提供参考。

1 结构模型

图1为某工程机械冷却模块示意图，主要包括散热器、护风罩以及冷却风扇。

护风罩的通道从散热器四边形过渡到风扇的圆形，必然存在圆弧段。护风罩圆弧段与风扇导流圈在轴向有重叠。

图1 冷却模块

2 数值计算方法

冷却风扇流场控制方程包括连续性方程和动量方程。

连续性方程为：

式中：p为压力，V为速度矢量，ρ为流体密度，μ为流体粘度，u、v、w分别是速度矢量V在x、y、z方向的分量，Su、Sv、Sw为广义源项。

采用雷诺时均N-S方法（RANS）求解控制方程，选取RNG k-e两方程湍流模型封闭方程组，近壁面区域采用标准壁面函数处理。采用多重参考系（MRF）法模拟风扇旋转。边界条件包压力入口，压力出口，无滑移壁面。

3 数值计算方法验证

3.1 风筒试验

按照GB/T1236-2000规定的方法对冷却风扇进行性能试验。图2所示。冷却风扇为环形结构，直径790mm，叶片数11，轮毂比0.43，额定转1800rpm。通过节流器改变入口通流面积，从而控制进入管道的空气流量，测量不同流量下风扇的静压值。

图2 冷却风扇性能试验简图

3.2 计算区域

根据风筒试验方法搭建仿真模型。在风扇出口处建立直径为8倍风扇直径，长为5倍风扇直径的圆柱体区域模拟风扇在出口处的大气环境。采用六面体核心网格离散计算区域，对流动紊乱的风扇附近区域加密，总网格数约为900万，如图3所示。

图3 计算区域

3.3 计算值与试验值对比

设定风扇转速1800rpm，选取8个流量点进行数值计算，提取风扇的静压和流量，并与实验对比，见图4。

可知，风扇流量在3～5m3/s范围内，仿真曲线与实验曲线贴合较好，最大误差约为4%，流量较小或者较大时，误差增大，最大误差约为11.3%，仿真与实验结果变化趋势一致，即随着流量增大静压减小，数值模拟精度满足工程需求，仿真方法能用于护风罩与冷却风扇的匹配研究。

图4 风扇静压对比

4 不同护风罩圆弧段长度分析

4.1 散热器建模

采用均匀多孔介质模型模拟散热器外部流动，有：

式中，Si为第i方向的动量方程源项；|v|为速度值，α为渗透率，C2为惯性阻力系数。动量汇作用于流体产生压力梯度，即有：

式中，Δp多孔介质区域压降，Δn为多孔介质区域厚度。散热器的阻力特性见表1所示。

表1 散热器阻力特性表

上数据拟合成速度的二次函数，代入空气的粘度，可得散热器的粘性阻力系数为1.97×107，惯性阻力系数C2为72。

4.2 调整护风罩圆弧段长度

调整护风罩圆弧段长度，使圆弧段的长度分别为40mm、50mm、60mm、70mm、80mm，建立模型，进行数值计算。图5所示。

图5 不同护风罩圆弧段长度示意图

4.3 护风罩圆弧段长度对叶顶间隙流场的影响

图6展示了护风罩圆弧段长度为40mm、60mm以及80mm时的风扇叶顶间隙速度场。气流在压力差的作用下，从外界流经叶顶间隙进入叶片前缘，即产生了泄漏流。

在间隙通道内，由于粘性摩擦，形成涡流。如图6（a）所示，护风罩圆弧段长度为40mm时，叶顶间隙区域存在一个漩涡，随着沉入量的增加，涡流范围扩大，见图6（b），圆弧段长度增加到80mm时，间隙区域出现两个漩涡，见图6（c）。

间隙涡流卷吸泄漏流道气流，消耗泄漏流能量，阻碍泄漏流流动。随着圆弧段长度增大，泄漏通道增长，泄漏涡沿轴向发展，影响范围扩大，继而演化成两团涡流，进一步削弱泄漏气流。

4.4 护风罩圆弧段长度对散热器流量的影响

图7给出了散热器流量随护风罩圆弧段长度的变化规律，可见，随着圆弧段长度增加，流经散热器的空气流量单调增加。护风罩圆弧段长度的增加，泄漏通道增长，泄漏气流沿程阻力增大，泄漏流量减小，风扇主流方向流量增加，散热器流量 增大。

图6 风扇叶顶间隙速度场

图7 散热器流量随护风罩圆弧段长度变化

4.5 护风罩圆弧段长度对风扇流量的影响

图8为风扇流量随护风罩圆弧段长度的变化规律，可知，圆弧段长度在40mm～60mm范围内增加，风扇流量随之增大，在60mm～80mm范围，风扇流量基本不变。

图8 风扇流量随护风罩圆弧段长度变化

风扇泄漏量为风扇流量与散热器流量之差。图9为风扇泄漏量随护风罩圆弧段长度的变化规律，可知，圆弧段长度在40mm～60mm范围内增加，风扇泄漏量随之缓慢减小，在60mm～80mm范围，风扇泄漏量变化率有所增大。风扇泄漏量随着圆弧段长度的增加而快速减小。散热器流量的持续增加与风扇泄漏量的快速减小使风扇流量先增大再保持不变。增大护风罩圆弧段长度能有效减小风扇泄漏量，增大散热器空气流量。

图9 风扇泄漏量随护风罩圆弧段长度变化

5 结束语

通过建立某工程机械冷却模块三维模型，修改护风罩圆弧段，分析了护风罩圆弧段长度对风扇流量的影响，得出以下结论：

（1）风扇流量随着护风罩圆弧段长度的增加先增加再保持不变；流经散热器的空气流量随着圆弧段长度的增加单调增加；风扇泄漏量随着圆弧段长度的增加而减小，且减小率增大。

（2）增大护风罩圆弧段长度能提高流经散热器的空气流量，加强冷却模块的换热能力。