汽车发动机冷却风扇的CFD分析与优化设计

摘要

随着汽车工业的迅速发展，我国汽车的保有量也在日益增加。目前汽车是数量最多、最普及、应用范围最广的交通工具，也是活动范围最广泛、运输量最大的重要现代化陆地交通工具。因此，对于它的研究也越来越多、越来越细。汽车发动机的冷却风扇置于散热器的后面，是组成汽车发动机冷却系统的重要部件。冷却风扇的性能直接影响到主机冷却系统的散热效果、噪声、燃油经济性和发动机功耗等方面，因此研究发动机冷却风扇的气动性能以及强度分析有着非常重要的意义。
　　 本文首先对发动机冷却系统做了简要的介绍，总结了汽车发动机冷却风扇的国内外研究现状和发动机冷却风扇的研究方法，对影响发动机冷却风扇的各个因素进行了介绍说明；其次阐述了发动机冷却风扇的曲线曲面数学模型基础，为建模提供理论依据，介绍了汽车发动机冷却风扇气动性能的CFD分析和强度分析的理论基础知识。为后续的风扇性能仿真分析和应力应变分析提供理论上的依据。
　　 本文用三维CAD软件CATIA完成汽车发动机冷却风扇的三维实体模型的建立，然后结合风扇的台架试验研究方法，将其导入到GAMBIT中，并建立风扇的CFD仿真分析模型。该仿真模型包括旋转流体区、管道区、入口区和出口区四个区域。由于仿真模型很复杂，因此采用分区划分网格，进行仿真研究，所采用的网格划分手法也不太一样，便于仿真分析。
　　 用CFD的研究方法及其仿真分析软件FLUENT对发动机冷却风扇的气动性能进行仿真模拟和研究，并用ANSYS软件分析其强度和应力应变情况。并最终得到风扇的性能数据，质量流率大小，将仿真分析结果和强度分析结果与风扇现有的实验数值进行比较分析，发现结果吻合比较好，这为分析研究风扇提供了有效的手段。最后结合实际情况，从影响比较大的因素着手对风扇进行分析研究，提出风扇设计的优化方案，并进行风扇的优化设计分析。

目录

声明

摘要

1 绪论

1.1 概述

1.2 发动机冷却系统简介

1.3 国内外研究现状及研究方法

1.3.1 国内外研究现状

1.3.2 发动机冷却风扇的研究方法

1.4 影响发动机冷却风扇的各个因素及其定义

1.4.1 风扇的影响因素

1.4.2 部分主要参数的定义

1.5 本论文主要研究内容与意义

2 基本理论

2.1 风扇曲线曲面的数学模型基础

2.1.1 NURBS曲线

2.1.2 NURBS曲面

2.1.3 CATIA软件介绍

2.2 计算流体力学(CFD)基本理论

2.2.1 计算流体力学概述

2.2.2 CFD的求解过程

2.2.3 流体力学控制方程

2.2.4 流场数值计算的SIMPLE方法和流场数值仿真方法

2.2.5 CFD软件—FLUENT软件介绍以及应用

2.3 强度分析（应力和变形）的方法和理论

2.3.1 研究方法

2.3.2 有限元法分析步骤

2.3.3 分析软件ANSYS简介

2.4 本章小结

3 汽车发动机冷却风扇的建模、性能和强度分析

3.1 发动机冷却风扇的三维建模

3.2 汽车冷却风扇的性能计算

3.3 发动机冷却风扇的CFD仿真分析

3.3.1 冷却风扇的三维建模与CFD仿真分析

3.3.2 流场计算仿真结果分析

3.4 基于ANSYS的发动机冷却风扇强度分析

3.4.1 有限元法的基本原理及ANSYS软件

3.4.2 基于ANSYS的发动机冷却风扇强度分析

3.4.3 实验测量的变形量和解析计算比较

4 影响风扇性能的主要参数及其优化设计

4.1 影响风扇性能的主要参数及其仿真分析

4.1.1 导流环的影响

4.1.2 风扇转速的影响

4.1.3 叶片数的影响

4.1.4 其它

4.2 冷却风扇的优化设计

4.3 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

致谢

参考文献

附录 硕士期间发表的论文