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                    汽車發動機降低冷卻風扇的氣動噪聲的方法

                    添加時間:2019/08/26 來源:江蘇大學 作者:李娜
                    本文基于流體力學理論和氣動聲學理論,對發動機冷卻風扇的氣動性能和噪聲性能展開研究。為了在滿足氣動性能要求的前提下,盡量降低冷卻風扇工作時產生的氣動噪聲,從平面葉型和吸力面表面結構兩個角度對冷卻風扇的葉片結構進行改進和優化。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘要

                      隨著發動機的高功率化發展,需要冷卻系統帶走的熱量增多;而隨著發動機前艙布置的零件越來越多,留給冷卻系統的空間卻非常有限。提高冷卻系統散熱量最直接的方法是提高冷卻風扇的轉速;而隨著轉速的提高,冷卻風扇的噪聲明顯增加。解決好冷卻風扇氣動性能與噪聲性能之間的矛盾關系,是提升冷卻風扇性能的關鍵所在。由于風扇葉片形狀對其性能有決定性影響,研究冷卻風扇葉片結構的設計具有重要的意義。

                      本文基于流體力學和氣動聲學的理論基礎,以企業提供的某乘用車發動機冷卻風扇為研究對象,在不改變其他結構特征的前提下,對葉片結構對風扇氣動性能與噪聲性能的影響規律及優化設計展開深入的研究。

                      定義冷卻風扇平面葉型中弧線和厚度曲線的基本參數,建立冷卻風扇的參數化模型;建立冷卻風扇的流場及聲場計算模型,采用 CFD(Computational FluidDynamics)/CAA(Computational Aerodynamic Acoustic)耦合仿真的方法對其氣動性能與噪聲性能進行模擬;將冷卻風扇氣動性能與噪聲性能試驗結果與其參數化模型仿真結果進行對比,驗證了該參數化建模方法與仿真方法的準確性。

                      以平面葉型結構參數為試驗因素,風量和噪聲值為評價指標,安排正交試驗,研究葉片平面葉型結構參數對冷卻風扇性能的影響規律。結果發現弦長 B0和最大相對撓度 Fmax對風扇噪聲性能影響顯著。并借助響應面優化設計方法,得到葉片平面葉型優化方案,在滿足風量要求的前提下,監測點處噪聲值降低了 5.1%。

                      為了進一步降低冷卻風扇的氣動噪聲,本文提出了一種新型的冷卻風扇結構方案,即在最佳葉型風扇葉片吸力面上設置凸起的楔形結構。以楔形結構參數為試驗因素,安排正交試驗,研究楔形結構參數對冷卻風扇性能的影響規律。結果顯示,楔形結構的數量 n 和夾角 b對風扇噪聲性能影響最大;選擇楔形結構的優化方案,與未設置楔形結構的冷卻風扇相比,風量略有增加,噪聲值降低了 8.8%,為未來低噪聲高性能冷卻風扇的開發和設計提供了一定的依據。

                      關鍵詞:風扇,氣動噪聲,數值模擬,平面葉型,正交試驗,響應面優化,楔形

                    ABSTRACT

                      With the development of powerful engines, the heat removed by cooling system increases. Besides, the space remaining for cooling system decreases as the number of components arranged in the engine compartment increases. The most method to enhance heat dissipating capacity of the cooling system is to improve the rotation speed of cooling fans, which will lead an obvious rise in noise. Therefore, the key to improve overall performance of cooling fans is to solve the contradictory relationship between aerodynamic and acoustic performance well. Due to the dominant influence of blade shape on its performance, it is of great significance to study the design of cooling fans’blade structure.

                      Based on fluid dynamics and aeroacoustic theories, this paper carried out an in-depth research on the blade structure, including its influence on aerodynamic and acoustic performance and its optimized design.

                      The basic parameters of camber line and thickness curve of the planar blade shape were defined firstly. And a parametric model of a cooling fan provided by a cooperative company was built. Then the flow field and acoustic field model were established successively. The numerical simulation of aerodynamic and acoustic performance were implemented with CFD/CAA coupling method. The comparison results between simulation data of parametric model and test data of original model indicate the accuracy both of parametric modeling method and simulation method.

                      An orthogonal test was arranged, with structural parameters of planar blade shape as test factors, flow and noise value as evaluation indexes. It aimed at analyzing the influence rules of these parameters on fan’s performance. The results showed that chord length B0 and maximum relative deflection Fmax influence fan’s acoustic performance obviously. Finally,with response surface optimization design method, an optimal planar blade shape was put forward. Its noise value at the monitoring point decreased by 5.1% on the basis of satisfaction of flow requirements.

                      In order to realize a further reduction of the fan’s noise, this paper proposed a new blade structure, that is, to install wedges on the suction surfaces of the cooling fan with optimum planar blade shape. Another orthogonal test was arranged with structural parameters of wedges as test factors. Its purpose was to investigate the influence of these parameters on fan’s performance. The results showed that the number of wedges n and angle b influence fan’s acoustic performance most. The fan with optimum wedge structure parameters was selected to compare with the fan without wedges. The noise value at monitoring point reduced by 8.8% while the flow changed little, which providing a guidance for the development and design of cooling fans with low noise and high performance.

                      Key words: fan, aerodynamic noise, numerical simulation, blade shape, orthogonal test, response surface optimization, wedge

                      近年來隨著人們對汽車動力性能的追求,發動機功率不斷提高,需要通過冷卻模塊帶走的熱量也逐漸增加,因此對冷卻模塊的散熱性能要求日益提高[1]。同時,隨著汽車功能的多元化發展,渦輪增壓器、空調、各種電子元器件等安裝在發動機前艙的零部件數量愈發增加,這使得前艙的布置更加緊湊和復雜,冷卻模塊的布置空間非常有限,且空氣在其中流動受到的阻力增加[2]。

                      為了達到更高的散熱性能要求,在冷卻模塊的前期設計階段,需要優化散熱器、風扇等零部件的性能,并且合理布置前艙各零部件的相對位置[3];而在車輛實際行駛過程中,則往往通過直接提高冷卻風扇的轉速來實現。但隨著轉速的提高,冷卻風扇的輻射噪聲值也明顯增加[4]。研究顯示,冷卻風扇的噪聲已經成為車輛行駛過程中駕駛室內外噪聲的主要來源之一[5]。這顯然與駕乘人員對乘車舒適性的要求相違背。為了規范車輛內外噪聲的管理,世界各國都制定了相關的噪聲限制標準法規,如現行的國際標準化組織(International Organization ofStandardization, ISO)制定的 ISO 5128-1980《聲學 汽車內的噪聲的測量》,及我國隨后制定的 GB/T 18697-2002《聲學 汽車車內噪聲測量方法》、GB1495-2002《汽車加速行駛車外噪聲限值及測量方法》等[6]。

                      此外,隨著能源法規的日益完善,為了降低汽車整體的能耗,對發動機冷卻風扇的效率也提出了更高的要求[7]。通過增加轉速來提高風扇散熱性能的方法,不僅增加了風扇的噪聲,也增加了風扇工作消耗的功率。而通過對冷卻風扇工作原理的研究發現,葉片葉型對冷卻風扇的效率和噪聲性能的影響往往具有“類似”的規律,即一款噪聲值較低的風扇葉片葉型往往具有更高的效率?梢詮慕翟氲慕嵌,實現對冷卻風扇效率的提升[8]。因此,設計一款低噪聲高性能的冷卻風扇,具有重要意義;在滿足散熱性能要求的同時,對冷卻風扇進行降噪研究也已經成為一項熱點課題。對發動機冷卻風扇的氣動性能研究相對已經比較成熟,對氣動聲學的理論研究起源于 Lighthill[9]由 N-S 方程直接推出的 Lighthill 方程,最早應用于飛機噴流噪聲的研究。Curler[10]及 Ffowcs-Williams 和 Hawkings[11]在此方程基礎上,分別推導出了考慮固定和旋轉結構表面的 Curler 方程和 FW-H 方程,至此氣動聲學理論體系基本完整。Kohri 等[12]利用 CFD 方法對發動機冷卻風扇的氣動性能與噪聲性能進行預測,分析了不同工況下渦的產生與變化,研究了湍流模型和流場網格尺寸對仿真精度的影響。Brooks[13]等根據翼型噪聲的產生機理,對試驗結果進行分析推導出了翼型噪聲的不同成分的半經驗公式。錢振超[14]通過理論推導出 FW-H 方程的時域解,并得到了推遲時間公式的數學表達,通過將葉片微元上的噪聲進行疊加得到了整個葉片在不同時刻的聲壓級分布。徐大川[15]利用自由渦和隨意渦兩種方法對風扇葉片進行設計,結果發現隨意渦設計方法能夠提升風扇的整體性能。王寬等[16]利用 CFD 與 Virtual Lab 結合的方法,將 CFD 非穩態流場分析結果導入聲學軟件中計算得到風扇遠場的聲壓級分布,并研究了聲學網格尺度對聲學預測準確性的影響。李應龍等[17-18]利用Brooks 等人的翼型自噪聲與 Amiet[19]或 Lowson[20]的湍動來流噪聲兩個半經驗公式,通過將單個葉素的輻射噪聲進行疊加得到了不同風速下整個風力機的氣動噪聲,與試驗結果基本一致。

                      Nashimoto等[21]利用流場可視化和PIV測量技術監測到氣流在發動機冷卻風扇葉片前緣處分離后重新附著,并在尾緣處產生槳尖渦與旋渦脫落的現象,也是風扇渦流噪聲的主要來源。因實際測量車輛前艙中冷卻風扇的噪聲有一定難度,Sortor 等[22]利用試驗測量開放環境中冷卻風扇單體與前艙模擬模型中冷卻模塊的噪聲,對比發現散熱器等部件對冷卻風扇噪聲測量有較大影響,不可忽略。

                      綜上,國外對于冷卻風扇等軸流葉輪機械的流場及聲場分布的理論研究方法和試驗研究技術已非常成熟。而國內針對冷卻風扇單體、冷卻模塊或整車狀態下風扇性能的試驗方法除傳統的臺架試驗或半消音室內試驗,也有自主設計的試驗設備,手段多樣,精度較高,技術已經相對完善;而數值仿真方法多基于流體力學和氣動聲學理論,借助 CFD 和聲學商業軟件進行計算,方法比較單一,氣動性能仿真精度較高,噪聲性能仿真精度仍需提高。風扇葉片數量對風扇性能影響顯著,隨著葉片數的增加,風扇風量先迅速增加后基本保持不變,而風扇噪聲則一直在增加;在保持風扇外直徑不變的情況下,隨著輪轂比的增加,風扇風量逐漸減小而噪聲值可能增大[24]。隨著冷卻風扇與散熱器間距增加,風扇風量升高而噪聲降低,但此間距受空間限制較大[25]。

                      KIM 等[26]利用基于噪聲計算半經驗公式的 NAFNOISE 軟件對小型風力機的二維葉片翼型進行研究,結果發現減小翼型最大半徑和延后最大半徑相對位置有利于翼型升阻比的提升和噪聲的降低。Lee 等[27]人和國內的劉敏[28]、伍先俊[29]等學者先后研究發現不等節距的葉片布置方式能夠降低風扇或風機等流體機械的旋轉噪聲,但前提必須是解決不等節距葉片布置帶來的動平衡問題。Becher等[30]通過對比前傾葉片和后傾葉片對風扇流場分布及噪聲性能的影響,并在后傾葉片的基礎上優化葉頂間隙的結構,最終實現了風扇氣動性能和噪聲性能的同步提升。Sim 等[31]著眼于風扇聲壓級頻譜分布情況,推導出噪聲頻譜中離散噪聲和寬頻噪聲關于風扇弦長、輪轂比、直徑、安裝角、攻角、流量等參數的計算公式,并通過與試驗結果的對比驗證了此頻譜模型的正確性;建立基于正交試驗Kriging 模型,利用遺傳算法估計 Kriging 模型的相關系數,利用模擬退火算法求解得到 Kriging 模型中各個參數的最優水平,同時降低了風扇噪聲中的離散噪聲和寬頻噪聲成分。

                    汽車發動機降低冷卻風扇的氣動噪聲的方法:

                    最佳葉型風扇和新型風扇
                    最佳葉型風扇和新型風扇

                    兩種方案的靜壓云圖
                    兩種方案的靜壓云圖

                    兩種方案速度矢量圖
                    兩種方案速度矢量圖

                    兩種方案湍動能云圖
                    兩種方案湍動能云圖

                    兩種方案渦量云圖
                    兩種方案渦量云圖

                    目 錄

                      第一章 緒論
                        1.1 研究背景與意義
                        1.2 國內外研究現狀
                          1.2.1 冷卻風扇性能分析研究現狀
                          1.2.2 冷卻風扇降噪方法研究現狀
                        1.3 本文主要研究內容
                      第二章 冷卻風扇流場力學與氣動噪聲理論基礎
                        2.1 計算流體動力學基本理論
                          2.1.1 基本控制方程
                          2.1.2 湍流控制方程
                        2.2 混合計算氣動聲學理論基礎
                          2.2.1 離散噪聲計算模型
                          2.2.2 寬頻噪聲計算模型
                        2.3 冷卻風扇噪聲概述
                        2.4 本章小結
                      第三章 冷卻風扇氣動性能與噪聲性能分析
                        3.1 冷卻風扇試驗介紹
                          3.1.1 冷卻風扇氣動性能試驗
                          3.1.2 冷卻風扇噪聲性能試驗
                        3.2 冷卻風扇流場仿真計算
                          3.2.1 CFD 計算模型建立
                          3.2.2 穩態流場計算
                          3.2.3 瞬態流場計算
                        3.3 冷卻風扇氣動噪聲預測
                          3.3.1 扇聲源等效
                          3.3.2 聲場分布計算
                        3.4 本章小結
                      第四章 平面葉型參數化設計及降噪研究
                        4.1 基本術語介紹
                          4.1.1 中弧線曲線特征參數
                          4.1.2 厚度曲線特征參數
                        4.2 冷卻風扇參數化設計方法及驗證
                          4.2.1 冷卻風扇參數化設計
                          4.2.2 參數化設計方法驗證
                        4.3 平面葉型參數對冷卻風扇性能影響
                          4.3.1 正交試驗
                          4.3.2 結果分析
                        4.4 平面葉型參數優化設計
                          4.4.1 Box-Behnken 試驗
                          4.4.2 代理模型構建
                          4.4.3 RSM 優化設計
                        4.5 平面葉型對風扇性能影響機理分析
                          4.5.1 氣動性能對比
                          4.5.2 噪聲性能對比
                        4.6 本章小結
                      第五章 新型冷卻風扇結構設計及降噪研究
                        5.1 冷卻風扇新型結構
                          5.1.1 新型結構提出依據
                          5.1.2 新型結構介紹
                          5.1.3 楔形結構參數定義
                        5.2 楔形結構參數對冷卻風扇性能影響
                          5.2.1 正交試驗
                          5.2.2 結果分析
                        5.3 楔形結構對風扇性能影響機理分析
                          5.3.1 氣動性能對比
                          5.3.2 噪聲性能對比
                        5.4 本章小結
                      第六章 總結與展望
                        6.1 全文內容總結
                        6.2 不足與展望
                      參考文獻
                      致 謝
                      在校期間發表的學術論文及其他科研成果

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