基于低噪声的发动机冷却风扇的参数优化设计

Parameters Optimization Design of Engine Cooling Fan Based on Low Noise

Zhang Li；Huang Jiye

（Zhejiang Economic & Trade Polytechnic，Hangzhou 310018，China）

摘要： 本文对发动机冷却风扇的噪声产生机理进行了分析，介绍了风扇噪声影响因素及降噪策略。针对某型号为SVW7183的发动机冷却风扇，从影响风扇噪声性能诸因素中选取两种因素—叶片数、叶型安装角进行分析研究，总结出这两种因素对风扇噪声性能影响的规律性。根据上述研究结果并结合所研究风扇的实际工况，对原风扇结构与尺寸参数进行了优化设计。实验分析表明，优化后的风扇较原风扇性能有了显著提高。

Abstract: This paper analyzes the mechanism of production of the noise of the engine cooling fan, and illustrates influencing factors and noise reduction strategy. For one type of engine cooling fan SVW7183, the thesis chooses two factors such as number of blade and installing angle of blade profile and studies, sums up the law that two factors influence fan noise performance. According to the above research results, and combining with the actual working condition, the structure and size parameters of original fan are designed optimally. Experimental results showed that the performance of optimal fan had improved.

关键词： 前照灯 自适应 控制器

Key words: headlamps；adaptive；controller

中图分类号：TB657文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）２9-0053-02

0引言

汽车是一个包括各种不同性质噪声的综合噪声源。汽车噪声源大致可分为发动机噪声和底盘噪声，主要与发动机转速、汽车车速有关[1][2]。发动机噪声是汽车的主要噪声源。发动机噪声又可分为机械噪声、燃烧噪声和空气动力性噪声。空气动力性噪声主要包括进、排气和风扇噪声。这是由于进排气和风扇旋转时引起了空气的振动而产生的噪声，这部分噪声直接向周围的空气中辐射，对外界影响最大，因此需要重点解决这部分噪声问题，即风扇噪声问题。发动机冷却风扇的作用在于保证发动机的冷却。它一方面为了满足冷却系统更大的散热量，要求冷却风扇散热能力更强；另一方面为了降低噪声污染，又要求冷却风扇有低的噪声辐射。因此研究冷却风扇的气动性能和噪声有着重要的意义。

本课题将从发动机轴流冷却风扇的噪声产生机理出发，研究开发低噪声空气动力性能的冷却风扇，并对风扇噪声进行预估和实测。

1设计思路

本课题采用反问题设计方法，即首先选取一款冷却风扇，在额定工况下根据该冷却风扇的结构参数，利用风扇的基本理论得到风扇的流量、压力、噪声等气动性能参数。在此基础上改变冷却风扇的结构参数，利用再次计算得到的气动性能参数进行反馈，进一步优化冷却风扇的结构参数，最终使冷却风扇产生的噪声更低。

根据这一设计思路，选取了一款型号为SVW7183的发动机冷却风扇作为原型风扇，其外形图如图1所示，其设计工况和主要结构参数为：风量Q＝0.035kg/s，风压P＝537.25Pa，噪声声压级SN=68dB，转速n＝3000r/min，叶轮外径 D＝130mm，轮毂比Xb=0.39，叶片安装角β=46.9°，叶顶间隙TC=1.5mm，叶片数 Z＝9。在该款发动机冷却风扇的基础上，改变其结构参数，试图得到噪声更低的结构参数组合。

2风扇参数优化的原则

影响发动机冷却风扇噪声特性的几何参数很多，如：风扇外径、叶片数、叶片形状、叶片安装角、风扇轮毂比等。王立红等利用数值模拟和实验的方法已经证实改变叶片形状对降低噪声影响显著[3]；张立等利用同样的方法证实改变叶片数能够降低噪声[4]。故本课题分别选择叶片数、叶片安装角以及作为优化参数，试图获得比较理想的结构参数组合，以使噪声相对原型风扇有明显下降。图2为改变叶片数时的风扇模型，图3为改变安装角时的风扇模型。

3实验方案及实施

由于发动机结构紧凑，冷却风扇的安装空间有限，叶片弦长、风扇与散热器和风罩的相对位置很难改变；故在优化过程中首先采用仿真的方法进行，结合风扇实际工况及前面讨论的研究方法，本文对风扇噪声性能随叶片数、叶型安装角的变化关系进行深入探讨，总结出风扇噪声性能随这些因素变化的规律性，为风扇的优化设计提供参考。然后再利用实验实测的方法来验证优化后的机构参数的有效性。

为了使计算域流场内气体流动更加充分，取风扇轮毂圆心为坐标原点，设定计算域出口延伸段长度为400mm，直径为200mm，如图4所示。将计算区域划分为四个区域，旋转流体区域和其周围的管道区域采用四面体非结构化网格，进出口延伸段采用六面体结构化网格，如图5所示，计算域给定流量进口和压力出口边界条件，采用无滑移壁面边界条件。

大涡模拟既能够精确地计算大尺度湍流脉动，通过合适的模型封闭又能够精确地计算小尺度湍流脉动，因此能够较准确地模拟湍流场。本文以SIMPLEC算法结合标准的k-ε湍流模型计算得到的定常流场作为非定常流场大涡模拟的初始解。大涡模拟计算采用有限体积法离散滤波后的N-S方程，应用S_L模型模拟亚格子尺度效应，使用PISO算法解决速度和压力的耦合问题；动量方程采用二阶中心差分格式；时间项采用二阶精度的隐式差分格式，非稳态计算时间步长设定为1×10-4s。

非定常流场的大涡模拟计算只有在获得统计学意义上的稳态解的前提下才能进行噪声预测[5]，噪声预测运用了基于Lighthill声类比理论的FW-H方程来模拟声音的产生和传播。将求出的音源数据在时间域上积分后，应用快速Fourier变换（FFT）进行处理，从而获得了小型轴流风扇噪声的频谱分布特性。

图6和图7为噪声实验装置图，测试风扇被固定在电机的转轴上随转轴一起转动，转速稳定在3000rpm。测试噪声用的声级计被安放在距离测试风扇中心出口轴线1m处，主要测试风扇的声压级。取不同叶片数的风扇模型以及不同安装角的风扇模型分别为测试风扇进行噪声试验，风扇声压级测试结果在后一节进行分析。

4结果分析

4.1 叶片数的影响六叶片时，流场分析在迭代675次后收敛，监测点A声级为69.75dB（A）；八叶片时，流场分析在迭代了593次后收敛，监测点A声级为72.45dB（A）。

从图8可以看出，A 声级噪声随叶片数的增加几乎成线性增加，每个叶片大约增加0.7dB（A）的噪声，这说明该风扇相邻叶片尾迹干涉现象不很严重，在优化设计时可以有预见性的选取叶片数。

4.2 安装角的影响原风扇叶型安装角为46.9°，本小节通过改变叶型安装角来分析叶型安装角对风扇性能的影响。叶型安装角为30°时，流场分析在迭代了865次后收敛，监测点A声级为73.78dB（A）。叶型安装角为39°时，流场分析在迭代了757次后收敛，监测点A声级为69.99dB（A）。根据上述仿真分析结果，将叶型安装角与A声级噪声的关系以图表的形式绘出。

从图9可以看出，A声级噪声在叶型安装角小于39°时呈下降趋势，在叶型安装角大于39°时，A声级噪声急剧上升，所以在对风扇进行优化设计时可以找到一噪声最低点。

4.3 优化风扇从以上的分析可知：A声级噪声随着叶片数的增加而增大，所以在考虑风扇降噪时可以从减少叶片数量入手。A 声级噪声随着叶型安装角的增大而出现波动状态，叶型安装角从 30°增大时，A声级噪声减小，在叶型安装角39°附近达到最小值，尔后叶型安装角再继续增大时，A声级噪声随着一起增大。因为原风扇叶型安装角为46.9°，所以在对原风扇进行噪声性能优化时，可以适当地减少叶型安装角。考虑到上面几种因素影响的规律性，对原风扇的优化设计思路如下：首先，适当减少叶型安装角；其次，适当减少叶片数量。

根据以上分析，优化风扇采用叶片数为6，叶片安装角为39°，其它结构参数与原型风扇一致的方法进行设计，对其进行仿真和实验测试。优化后的风扇如图10所示。仿真模型的建立及边界条件的设置和前面相同，流场分析在迭代573次后收敛，监测点A声级为 65.89dB（A），该点噪声频谱图分别如图11所示。

从上面的仿真结果可以看出，优化后的风扇与原风扇相比性能有了很大提高，噪声从68dB（A）下降到65.89dB（A），降低了2.21dB（A）。从图12可知，将原型风扇与优化后的风扇进行现场实测，随着距离越来越远，优化后的风扇的噪声明显低于原型风扇的噪声。

5结论

本文归纳总结了影响风扇噪声的两种因素：叶片数、叶型安装角。对上述两种影响风扇性能的因素进行了详细的仿真分析以及实验测试，以图表的形式描绘了它们对风扇性能影响的规律性。并据此对原风扇进行了优化，建立了优化风扇的三维实体模型，结果表明，优化后的风扇较原风扇性能有了明显改善，噪声降低了2.21dB（A）。

参考文献：

[1]褚志刚.SC6331B车外加速噪声声源分离试验报告.重庆大学机械工程学院，2000，6：10-22.

[2]刘秋洪，祁大同，曹淑珍.风机降噪研究的现状与分析.流体机械，2001. Vol.29 No.2. 29-32.

[3] Lihong Wang,Yingzi Jin,Baoling Cui,Yuzhen Jin,Jin Lin Yanping,Wang Chuanyu Wu.Factors Affecting Small Axial Cooling Fan Performance.Journal of Thermal Science, 2010, （2）:126-131.

[4]张立，金英子，王艳萍，崔宝玲.叶片数对小型轴流风扇性能的影响研究[J].工程热物理学报（增刊），2010，Vol.31, 1564-1567.

[5] Shiomi N., JIN Yingzi, Kenji Kaneko, et .al.. Flow Fields with Tip Leakage Vortex in a Small Axial Cooling Fan. Luoyang China: Proceedings of 2nd Asian Joint Workshop on Thermophysics and Fluid Science, 2008:36-42.

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