汽车发动机降低冷却风扇的气动噪声的方法

摘要

　　随着发动机的高功率化发展，需要冷却系统带走的热量增多；而随着发动机前舱布置的零件越来越多，留给冷却系统的空间却非常有限。提高冷却系统散热量最直接的方法是提高冷却风扇的转速；而随着转速的提高，冷却风扇的噪声明显增加。解决好冷却风扇气动性能与噪声性能之间的矛盾关系，是提升冷却风扇性能的关键所在。由于风扇叶片形状对其性能有决定性影响，研究冷却风扇叶片结构的设计具有重要的意义。

　　本文基于流体力学和气动声学的理论基础，以企业提供的某乘用车发动机冷却风扇为研究对象，在不改变其他结构特征的前提下，对叶片结构对风扇气动性能与噪声性能的影响规律及优化设计展开深入的研究。

　　定义冷却风扇平面叶型中弧线和厚度曲线的基本参数，建立冷却风扇的参数化模型；建立冷却风扇的流场及声场计算模型，采用 CFD（Computational FluidDynamics）/CAA（Computational Aerodynamic Acoustic）耦合仿真的方法对其气动性能与噪声性能进行模拟；将冷却风扇气动性能与噪声性能试验结果与其参数化模型仿真结果进行对比，验证了该参数化建模方法与仿真方法的准确性。

　　以平面叶型结构参数为试验因素，风量和噪声值为评价指标，安排正交试验，研究叶片平面叶型结构参数对冷却风扇性能的影响规律。结果发现弦长 B0和最大相对挠度 Fmax对风扇噪声性能影响显着。并借助响应面优化设计方法，得到叶片平面叶型优化方案，在满足风量要求的前提下，监测点处噪声值降低了 5.1%。

　　为了进一步降低冷却风扇的气动噪声，本文提出了一种新型的冷却风扇结构方案，即在最佳叶型风扇叶片吸力面上设置凸起的楔形结构。以楔形结构参数为试验因素，安排正交试验，研究楔形结构参数对冷却风扇性能的影响规律。结果显示，楔形结构的数量 n 和夹角 b对风扇噪声性能影响最大；选择楔形结构的优化方案，与未设置楔形结构的冷却风扇相比，风量略有增加，噪声值降低了 8.8%，为未来低噪声高性能冷却风扇的开发和设计提供了一定的依据。

　　关键词：风扇，气动噪声，数值模拟，平面叶型，正交试验，响应面优化，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

　　近年来随着人们对汽车动力性能的追求，发动机功率不断提高，需要通过冷却模块带走的热量也逐渐增加，因此对冷却模块的散热性能要求日益提高[1]。同时，随着汽车功能的多元化发展，涡轮增压器、空调、各种电子元器件等安装在发动机前舱的零部件数量愈发增加，这使得前舱的布置更加紧凑和复杂，冷却模块的布置空间非常有限，且空气在其中流动受到的阻力增加[2]。

　　为了达到更高的散热性能要求，在冷却模块的前期设计阶段，需要优化散热器、风扇等零部件的性能，并且合理布置前舱各零部件的相对位置[3]；而在车辆实际行驶过程中，则往往通过直接提高冷却风扇的转速来实现。但随着转速的提高，冷却风扇的辐射噪声值也明显增加[4]。研究显示，冷却风扇的噪声已经成为车辆行驶过程中驾驶室内外噪声的主要来源之一[5]。这显然与驾乘人员对乘车舒适性的要求相违背。为了规范车辆内外噪声的管理，世界各国都制定了相关的噪声限制标准法规，如现行的国际标准化组织（International Organization ofStandardization, ISO）制定的 ISO 5128-1980《声学 汽车内的噪声的测量》，及我国随后制定的 GB/T 18697-2002《声学 汽车车内噪声测量方法》、GB1495-2002《汽车加速行驶车外噪声限值及测量方法》等[6]。

　　此外，随着能源法规的日益完善，为了降低汽车整体的能耗，对发动机冷却风扇的效率也提出了更高的要求[7]。通过增加转速来提高风扇散热性能的方法，不仅增加了风扇的噪声，也增加了风扇工作消耗的功率。而通过对冷却风扇工作原理的研究发现，叶片叶型对冷却风扇的效率和噪声性能的影响往往具有“类似”的规律，即一款噪声值较低的风扇叶片叶型往往具有更高的效率。可以从降噪的角度，实现对冷却风扇效率的提升[8]。因此，设计一款低噪声高性能的冷却风扇，具有重要意义；在满足散热性能要求的同时，对冷却风扇进行降噪研究也已经成为一项热点课题。对发动机冷却风扇的气动性能研究相对已经比较成熟，对气动声学的理论研究起源于 Lighthill[9]由 N-S 方程直接推出的 Lighthill 方程，最早应用于飞机喷流噪声的研究。Curler[10]及 Ffowcs-Williams 和 Hawkings[11]在此方程基础上，分别推导出了考虑固定和旋转结构表面的 Curler 方程和 FW-H 方程，至此气动声学理论体系基本完整。Kohri 等[12]利用 CFD 方法对发动机冷却风扇的气动性能与噪声性能进行预测，分析了不同工况下涡的产生与变化，研究了湍流模型和流场网格尺寸对仿真精度的影响。Brooks[13]等根据翼型噪声的产生机理，对试验结果进行分析推导出了翼型噪声的不同成分的半经验公式。钱振超[14]通过理论推导出 FW-H 方程的时域解，并得到了推迟时间公式的数学表达，通过将叶片微元上的噪声进行叠加得到了整个叶片在不同时刻的声压级分布。徐大川[15]利用自由涡和随意涡两种方法对风扇叶片进行设计，结果发现随意涡设计方法能够提升风扇的整体性能。王宽等[16]利用 CFD 与 Virtual Lab 结合的方法，将 CFD 非稳态流场分析结果导入声学软件中计算得到风扇远场的声压级分布，并研究了声学网格尺度对声学预测准确性的影响。李应龙等[17-18]利用Brooks 等人的翼型自噪声与 Amiet[19]或 Lowson[20]的湍动来流噪声两个半经验公式，通过将单个叶素的辐射噪声进行叠加得到了不同风速下整个风力机的气动噪声，与试验结果基本一致。

　　Nashimoto等[21]利用流场可视化和PIV测量技术监测到气流在发动机冷却风扇叶片前缘处分离后重新附着，并在尾缘处产生桨尖涡与旋涡脱落的现象，也是风扇涡流噪声的主要来源。因实际测量车辆前舱中冷却风扇的噪声有一定难度，Sortor 等[22]利用试验测量开放环境中冷却风扇单体与前舱模拟模型中冷却模块的噪声，对比发现散热器等部件对冷却风扇噪声测量有较大影响，不可忽略。

　　综上，国外对于冷却风扇等轴流叶轮机械的流场及声场分布的理论研究方法和试验研究技术已非常成熟。而国内针对冷却风扇单体、冷却模块或整车状态下风扇性能的试验方法除传统的台架试验或半消音室内试验，也有自主设计的试验设备，手段多样，精度较高，技术已经相对完善；而数值仿真方法多基于流体力学和气动声学理论，借助 CFD 和声学商业软件进行计算，方法比较单一，气动性能仿真精度较高，噪声性能仿真精度仍需提高。风扇叶片数量对风扇性能影响显着，随着叶片数的增加，风扇风量先迅速增加后基本保持不变，而风扇噪声则一直在增加；在保持风扇外直径不变的情况下，随着轮毂比的增加，风扇风量逐渐减小而噪声值可能增大[24]。随着冷却风扇与散热器间距增加，风扇风量升高而噪声降低，但此间距受空间限制较大[25]。

　　KIM 等[26]利用基于噪声计算半经验公式的 NAFNOISE 软件对小型风力机的二维叶片翼型进行研究，结果发现减小翼型最大半径和延后最大半径相对位置有利于翼型升阻比的提升和噪声的降低。Lee 等[27]人和国内的刘敏[28]、伍先俊[29]等学者先后研究发现不等节距的叶片布置方式能够降低风扇或风机等流体机械的旋转噪声，但前提必须是解决不等节距叶片布置带来的动平衡问题。Becher等[30]通过对比前倾叶片和后倾叶片对风扇流场分布及噪声性能的影响，并在后倾叶片的基础上优化叶顶间隙的结构，最终实现了风扇气动性能和噪声性能的同步提升。Sim 等[31]着眼于风扇声压级频谱分布情况，推导出噪声频谱中离散噪声和宽频噪声关于风扇弦长、轮毂比、直径、安装角、攻角、流量等参数的计算公式，并通过与试验结果的对比验证了此频谱模型的正确性；建立基于正交试验Kriging 模型，利用遗传算法估计 Kriging 模型的相关系数，利用模拟退火算法求解得到 Kriging 模型中各个参数的最优水平，同时降低了风扇噪声中的离散噪声和宽频噪声成分。

汽车发动机降低冷却风扇的气动噪声的方法：

最佳叶型风扇和新型风扇

两种方案的静压云图

两种方案速度矢量图

两种方案湍动能云图

两种方案涡量云图

目 录

　　第一章 绪论
　　　　1.1 研究背景与意义
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 冷却风扇性能分析研究现状
　　　　　　1.2.2 冷却风扇降噪方法研究现状
　　　　1.3 本文主要研究内容
　　第二章 冷却风扇流场力学与气动噪声理论基础
　　　　2.1 计算流体动力学基本理论
　　　　　　2.1.1 基本控制方程
　　　　　　2.1.2 湍流控制方程
　　　　2.2 混合计算气动声学理论基础
　　　　　　2.2.1 离散噪声计算模型
　　　　　　2.2.2 宽频噪声计算模型
　　　　2.3 冷却风扇噪声概述
　　　　2.4 本章小结
　　第三章 冷却风扇气动性能与噪声性能分析
　　　　3.1 冷却风扇试验介绍
　　　　　　3.1.1 冷却风扇气动性能试验
　　　　　　3.1.2 冷却风扇噪声性能试验
　　　　3.2 冷却风扇流场仿真计算
　　　　　　3.2.1 CFD 计算模型建立
　　　　　　3.2.2 稳态流场计算
　　　　　　3.2.3 瞬态流场计算
　　　　3.3 冷却风扇气动噪声预测
　　　　　　3.3.1 扇声源等效
　　　　　　3.3.2 声场分布计算
　　　　3.4 本章小结
　　第四章 平面叶型参数化设计及降噪研究
　　　　4.1 基本术语介绍
　　　　　　4.1.1 中弧线曲线特征参数
　　　　　　4.1.2 厚度曲线特征参数
　　　　4.2 冷却风扇参数化设计方法及验证
　　　　　　4.2.1 冷却风扇参数化设计
　　　　　　4.2.2 参数化设计方法验证
　　　　4.3 平面叶型参数对冷却风扇性能影响
　　　　　　4.3.1 正交试验
　　　　　　4.3.2 结果分析
　　　　4.4 平面叶型参数优化设计
　　　　　　4.4.1 Box-Behnken 试验
　　　　　　4.4.2 代理模型构建
　　　　　　4.4.3 RSM 优化设计
　　　　4.5 平面叶型对风扇性能影响机理分析
　　　　　　4.5.1 气动性能对比
　　　　　　4.5.2 噪声性能对比
　　　　4.6 本章小结
　　第五章 新型冷却风扇结构设计及降噪研究
　　　　5.1 冷却风扇新型结构
　　　　　　5.1.1 新型结构提出依据
　　　　　　5.1.2 新型结构介绍
　　　　　　5.1.3 楔形结构参数定义
　　　　5.2 楔形结构参数对冷却风扇性能影响
　　　　　　5.2.1 正交试验
　　　　　　5.2.2 结果分析
　　　　5.3 楔形结构对风扇性能影响机理分析
　　　　　　5.3.1 气动性能对比
　　　　　　5.3.2 噪声性能对比
　　　　5.4 本章小结
　　第六章 总结与展望
　　　　6.1 全文内容总结
　　　　6.2 不足与展望
　　参考文献
　　致 谢
　　在校期间发表的学术论文及其他科研成果

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