车用轴流式冷却风扇的优化设计

摘要

本文主要研究的是车用轴流式冷却风扇，而风扇设计参数中，不同半径处弦长扭角分布以及前掠角对风扇气动性能影响较大。本文运用成熟的优化算法对风扇设计参数进行了优化，并对优化结果与实验结果相对比验证，分析了具体设计参数对风扇气动性能的影响。 将风力机经典叶素-动量理论应用于车用轴流式冷却风扇，建立了冷却风扇几何参数、风扇转速与风量-扭矩的关系理论模型。该模型根据冷却风扇与风力机能量转换的差异，对经典叶素-动量在叶素载荷方向，出入口边界条件等方面进行了修正。实现叶素-动量理论在风扇风量、扭矩理论计算上面的应用。随后，基于实验测量和理论计算的方法对风扇风量、扭矩理论计算模型进行了验证。结果表明，风扇风量、扭矩的理论计算方法不仅能够反映风量、扭矩随风扇转速的变化规律，且具备较高的计算精度。在本文研究的模型中，风量理论算法与实验结果的平均误差为3.57%，扭矩理论算法与实验结果的平均误差为1.51%。 基于叶素-动量理论对风量扭矩的理论计算公式，利用粒子群算法的优化，在特定转速下达到目标风量时，以扭矩为目标函数，实现扭矩最小，对冷却风扇弦长、扭角的分布进行优化，得出了优化后的弦长扭角在不同半径处的分布。 建立CFD仿真模型，简单介绍了流体力学和湍流模型的相关理论，对网格数，包括旋转域网格数对仿真精度做了验证，得出了不得网格数对风扇仿真精度的影响，同时对湍流模型的选择做了仿真分析，得出了不同湍流模型对风扇仿真精度的影响。 建立不同前掠角参数化模型，并利用计算流体力学的方法对其流动进行仿真，研究了不同风扇转速下，前掠角对冷却风扇流动、风量以及扭矩的影响。结果表明：在风量的计算上，CFD 计算值与实验测试值间的平均相对误差为 3.08%；在阻力矩方面，CFD 计算值与实验测试值间的平均相对误差为 2.79%。随着前掠角的增加，相同的转速下，风扇叶栅入口处，空气的平均压力不断升高；叶栅流道内，叶片升力面和叶片吸力面间的压力梯度逐渐减小；叶片升力面同吸力面间的压差逐渐降低。随着前掠角的增加，相同的转速下，风扇叶栅入口处，空气的流速逐渐减小；叶栅流道内，空气速度的增加逐渐降低。随着前掠角的增加，相同的转速下，风扇风量逐渐减小；风扇阻力矩逐渐降低。

目录

第一个书签之前