第３２卷第６期 ２０１５年６月 机 电 工 程 Ｖｏｌ＿３２ Ｎｏ．６ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｉｃａｒｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｊｕｎ．２０１５ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—４５５１．２０１５．０６．００２ 发动机冷却风扇性能的优化设计研究 王天宇，王 霄 ，刘会霞，冯士琳，苏占龙 （江苏大学机械工程学院，江苏镇江２１２０１３） 摘要：针对面向性能的发动机冷却风扇叶片几何形状优化的问题，将参数化建模技术应用到对冷却风扇叶片安装角的描述中，建立 了冷却风扇的参数化模型，以多学科优化平台Ｉｓｉｇｈｔ和商业流体模拟软件Ｆｌｕｅｎｔ为基础，建立了一种模型参数化、网格划分、ＣＦＤ分 析和多目标优化相结合的发动机冷却风扇优化集成平台，并运用非支配排序遗传算法对冷却风扇进行了优化。对优化结果与试验 结果进行了对比，分析了冷却风扇的内部流场。研究结果表明，优化后的风扇模型静压提高了１２．８４０ ６％，动压和风扇效率也有所 提高，冷却风扇的整体性能得到了优化。 关键词：发动机；冷却风扇；计算流场分析；优化 中图分类号：ＴＨＩ２２；Ｕ４６４．１３８ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—４５５１（２Ｏｌ５）０６—０７４４—０６ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆａｎ ＷＡＮＧ Ｔｉａｎ－ｙｕ，ＷＡＮＧ Ｘｉａｏ，ＬＩＵ Ｈｕｉ—ｘｉａ，ＦＥＮＧ Ｓｈｉ－ｌｉｎ，ＳＵ Ｚｈａｎ－ｌｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ—ｂａｓｅｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆａｎ ｂｌａｄｅ ｇｅｏｍｅｔｒｙ，ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｍｏｄ— ｅｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆａｎ ｂｌａｄｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ，ａｎｄ ａ ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆｎ ｗａｓ ｅｓｔａａｂ— ｌｉｓｈｅｄ．Ａ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｎｇｉｎｅ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆａｎ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｍｕｈｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｉｓｉｇｈｔ ａｎｄ ｃｏｍｍｅｒ－ ｃｉａｌ ｆｌｕｉｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｆｌｕｅｎｔ．Ｉｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ｍｅｓｈｉｎｇ，ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｗｅｒｅ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｔｏｇｅｔｈｅｒ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｆａｎ ｗａｓ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ，ｕｓｉｎｇ ｎｏｎ・ｄｏｎｍｉｎａｔｅｄ ｓｏｒｔｉｎｇ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ＩＩ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｉｎｎｅｒ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｃｏｏｌｉｎｇ ｆｎ ｗａｓ ａｎａａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｂｙ １２．８４０ ６％．ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ａｎｄ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｆａｎ ａＹｅ ａｌｓｏ ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｆａｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｇｉｎｅ；ｃｏｏｌｉｎｇ ｆａｎ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｌｆｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ Ｏ 引 言 随着人们对汽车动力性能的要求越来越高，发动 机的工作转速也在不断提高，这对汽车冷却系统提出 大的工具广泛应用于风扇设计中。数值模拟与试验研 究相比，优点在于模型得到简化，条件容易控制，修改 方便，并且具有很好的可重复性，所以设计和研究的成 本和所需时间都比试验研究大大降低。因此，数值模 拟已经成为风扇研究不可或缺的重要工具。 了更高的要求。因此，在提高发动机冷却风扇的整体 性能同时缩短设计周期和降低设计成本，是风扇设计 的一个重要目标。 为了提高风扇性能，国内外学者对风扇叶片的翼 型…、弯掠技术【２ 和叶片扭曲技术 进行了大量的研 究。但多数对风扇静特性进行对比和研究，未对风扇 内部流场进行详细分析。在风扇优化方面，一些研究 随着计算流体力学（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ， ＣＦＤ）与计算机技术的发展，数值模拟已经作为一种强 收稿日期：２０１５—０１—２３ 作者简介：王天宇（１９８９一），女，河北承德人，主要从事汽车发动机冷却风扇性能和流场分析方面的研究．Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｔｙＯ８０６０８＠１６３．￣Ｏｒｌｌ 通信联系人：王霄，男，教授，硕士生导师．Ｅ—ｍａｉｌ：ｗｘ＠ａｊｓ．ｅｄｕ．ｃｎ 第６期 王天宇，等：发动机冷却风扇性能的优化设计研究 ・７４５・ 人员单独讨论不同参数对风扇性能的影响 ，然后综 合选择最佳参数达到优化目的；也有一些学者使用优化 算法对结构参数进行综合考虑，如正交试验法 等，对 风扇性能进行优化。但这些研究多是单目标优化，对风 扇多个性能指标进行多目标优化尚没有深入研究。 本研究将参数化建模、ＣＦＤ流场分析与多目标优 化技术相结合，集成在Ｉｓｉｇｈｔ优化平台中，以提高风扇 静压和动压性能为优化目标，效率和轴向尺寸为约束 条件，对风扇进行多目标优化设计。 １风扇参数化造型 风扇的几何表达方式有：ＣＡＤ模型、离散点模型 和参数化模型等３种形式。 本研究通过参数化造型和拟合手段，将复杂的风 扇结构用若干个简单的控制参数表达出来，利用改变 控制参数达到改变整个风扇造型的目的。优化中只要 通过锁定部分控制点及参数，仅对几个重要参数进行 调整就能方便、直观地改变模型。 １．１设计参数的确定 一般来说，研究者沿径向叶高选取若干个断面，建 立各个断面的二维翼型，建立一定的积叠线，通过坐标 转换形成三维翼型，将各断面曲线进行蒙皮操作，得到 三维叶片 引。 影响风扇气动性能的参数主要有：叶片数ｚ、叶轮 直径Ｄ、轮毂比瓦、翼型、弦长ｚ、各断面翼型安装角 等ｒ 。在优化设计之前需选定一些合理的参数。本 研究以现有的产品风扇模型为基础，由于客观条件限 定，叶片数、轮毂比及翼型参数等参数不作修改。风扇 叶片的翼型安装角对风扇性能有十分重要的影响。翼 型速度三角形如图１所示。轴向速度 。沿叶高保持 不变时，气流流经叶片的合速度 与旋转平面的夹角 从叶根到叶尖逐渐减小。所以，当叶片翼型的安装 幂 辩 Ｖ １ 、 角 一定时，气流攻角 ＝卢一 ，则从叶根到叶尖逐渐 增大。所以为使叶片各个断面均在最有利的攻角下工 作，需要对叶片进行扭曲 。另一方面，在一定范围 内增加安装角可以使风扇流量和全压增加，从而提高 风扇冷却能力。所以研究者通过对叶片安装角进行优 化可以达到优化风扇性能的目的。 １．２安装角的参数化描述 本研究沿叶高方向选择１２个断面的安装角 为 设计参数，对其进行优化设计，风扇的参数化模型如图 ２所示。设计变量过多会影响模型修改和优化的速度 和效率。因此需要对各断面的翼型安装角进行描述， 尽量用较少的参数控制断面翼型安装角的变化。原模 型沿叶高的１２个断面翼型安装角为２２．９７７。、２１．１０７。、 １９．５５３。、１８．３００。、１７．４１７。、１６．８６４。、１６．８６９。、１７．６１８。、 １９．２１１。、２０．３９６。、２０．６１８。和２１．０００。。 图２风扇模型 由于风扇厂家提供的模型叶顶断面的翼型弦长和 安装角与其他断面变化规律不同，叶顶断面的翼型安 装角被单独作为一个参数进行优化，记为 。本研究 利用Ｍａｆｌａｂ对其余断面的翼型安装角进行二次多项 式拟合，得到安装角ＪＢ关于ｒ的关系曲线如下： ＝２３．０１６ ８—２．２０３ ７ｒ＋０．２０５ ９ｒ （１） 式中： 一翼型安装角，ｒ一各断面的相对叶高值。 本研究定义该二次多项式系数为‰，口，，０ 与 一起作为优化的设计变量，通过控制４个参数的变化 改变翼型安装角的分布，从而实现风扇模型的参数化。 ２数值模型与计算方法 ２．１流场数值模型建立 本研究利用三维建模软件ＣＡＴＩＡ根据风扇原始模 型建立参数化模型。保持各断面翼型和叶形积叠线不 变，仅改变翼型安装角。原始模型风扇相关参数如表１ 所示。 表１风扇相关参数 ・７４６・ 机 电 本研究将模型保存为ｍｏｄｅｌ模型，导入前处理软 件Ｇａｍｂｉｔ中进行网格划分。风扇流场区域划分为进 口区、出口区、过渡区和旋转流体区。本研究综合考虑 试验设备情况，将进口区域长度设置为２０００ ｍｍ，出口 区域长度设置为３ ０００ ｍｍ。过渡区域是连接旋转流体 区和进出口区域的部分。旋转流体区包含风扇，是流 场中与风扇一起旋转起来的区域。风扇流场区域模型 如图３所示。 【 ｌ ｌｌ Ｊ ｌ 。 － 入口区 ＿Ｊ ｌｉ －１ ｉ｛当旦区一 ． ． ｆ｝ 图３风扇流场区域模型简图（单位：ｉｎｌ３Ｃ１） 模型旋转轴为 轴，位于图３中心线上，坐标原点 位于风扇轮毂中心， 轴正方向指向出口。本研究在 Ｇａｍｂｉｔ中对流场模型进行网格划分。对于稳态求解问 题，需进行网格无关ｆ生验证。网格划分方案与模拟结果 如表２所示，笔者采取４种方案对流场进行网格划分和 数值模拟，将模拟结果进行对比，从模型中提取转速为 ２ ８００ ｒ／ｍｉｎ、入口流量为０．９２１ ７７９ ｋｇ／ｓ条件下的风扇 静压和静压效率。结果表明，１．９９×１０。网格时风扇静 压和静压效率与试验结果（静压１５９．６ Ｐａ，静压效率 ３１．６％）相差较大；当网格数量从２．８ Ｘ １０ 增大到４．１ ×１０。，随着网格数量增加风扇静压和静压效率变化不 大，可以认为２．８ Ｘ １０。的网格数量已达到网格无关。 ２．８×１０６网格划分方案具体网格尺寸为：扇叶和顶圈表 面为２ ｎｌｎｌ的ｔｒｉ面网格，旋转流体区其他表面为５ ｎｌｌｎ的 ｔｒｉ面网格，旋转流体区为３ ｎｌｉｎ的Ｔｅｔ／Ｈｙｂｒｉｄ体网格，过 渡区为６衄的Ｔｅｔ／Ｈｙｂｒｉｄ体网格，进、出口区为２０ Ｂｉｎ的 Ｈｅｘ／Ｗｅｄｇｅ体网格。流场网格划分结果如图ｄ所示。 表２ 网格划分方案与模拟结果 图４流场网格 工 程 第３２卷 ２．２边界条件与计算方法 本研究采用质量流量进口（ｍａｓｓ ｆｌｏｗ ｒａｔｅ）和压力 出口（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｏｕｔｌｅｔ），设置出口相对压力为０，过渡区与 进、出口区的交界面为ｉｎｔｅｒｉｏｒ边界。风扇表面为ｗａｌｌ，设 置旋转表面，相对速度为０，其他壁面设置为无滑移固壁 条件。旋转流体区使用动参考系（ｍｏｖｉｎｇ ｒｅｆｅｉ￣ｎｃｅ ｆｒａｍｅ， ＭＲＦ），使旋转流体区转动起来，转速为２ ８００ ｒ／ｒａｉｎ。过 渡区和进、出口区则设置为静止流体。 笔者在研究风扇的内部流场时采用定常模拟，选 择ＲＮＧ．ｊ｝，占模型进行湍流模拟。使用ＳＩＭＰＬＥ算法进 行压力一速度耦合，控制方程使用二阶迎风格式进行离 散。进行湍流模拟时进出口边界条件需要给出湍流参 数，本研究选择给定湍流强度，和水力直径Ｄ （ｉｎｔｅｎ－ ｓｉｔｙ ａｎｄ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｄｉａｍｅｔｅｒ）。由于进出口区域截面为 非圆管，故使用等效水力直径，如下式计算： ＝ （２） ｊ 式中：Ｄ 一水力直径，Ａ一浸润截面面积，Ｐ－一横截面湿 周周长。 计算湍流强度，需要由等效水力直径计算出雷诺 数船，计算公式如下： Ｒｅ： （３） 式中： ｅ一雷诺数， 一空气相对流速， 一空气动力 粘度。 湍流强度ｎ十算公式为： ，＝Ｍ ／ｕ＝０．１６（Ｒｅ）－１／＇８ （４） 式中： 一湍流脉动速度，“一平均速度。 ３基于Ｉｓｉｇｈｔ平台的风扇参数化优化 及分析 Ｉｓｉｇｈｔ是广泛应用于多领域的功能强大的多学科 设计优化平台。该软件可以通过集成和驱动其他软件 实现和管理复杂的仿真过程，运用多种优化算法寻得 优化方案，从而达到缩短设计周期、提高设计效率和降 低研发成本的目的。Ｉｓｉｇｈｔ能够集成广泛的商业 ＣＡＤ／ＣＡＥ软件，可以快速建立复杂的仿真优化流程。 仿真流程可以实现自动化和可视化，方便设计人员控 制和修改优化过程。 ３．１试验设计与近似模型 试验设计（ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ＤＯＥ）是一种应 用统计学思想来处理变异从而达到改进产品质量和工 艺的方法。本研究试验设计采用最优拉丁超立方设计 第６期 王天字，等：发动机冷却风扇性能的优化设计研究 方法，使所有的试验点尽量均匀地分布在设计空间，具 有非常好的空间填补性和均衡性。４个设计变量０ｎ， ｎ ，ｎ ， 的设计空间分别为：１３～３３，０～５，０—０．５， １５。一２８。。本研究由最优拉丁超立方法得到１５组不 同的参数样本点，以供建立输出响应的近似模型。 近似模型方法（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ）是通过已知 点的输入变量与响应值预测未知点的响应值的方法。 常用的近似模型有：响应面近似模型、克里格近似模 型、径向基神经网络近似模型、正交多项式近似模型 等。由于克里格近似模型无论拟合低阶或者是高阶非 线性都有着广泛的应用，本研究利用试验设计得到的 样本数据建立克里格近似模型（ｋｒｉｇｉｎｇ）。该模型用于 后续的优化设计中，可以大幅度提高优化效率。 ３．２优化算法 近年来，多目标遗传算法在实际工程优化问题的 解决中得到越来越多的应用。多目标遗传算法是一种 能够不断优化特定问题无支配前沿的优化算法，非支 配排序遗传算法（ｎｏｎ—ｄｏｎｍｉｎａｔｅｄ ｓｏｒｔｉｎｇ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏ— ｒｉｔｈｍｓ，ＮＳＧＡ ＩＩ）是一种典型的多目标遗传算法＿１ 。 ＮＳＧＡ ＩＩ是由Ｋ．Ｄｅｄ等于２０００年在原有的ＮＳＧＡ算法 基础上提出的改良版。ＮＳＧＡ算法，缺少保护最优个 体的策略，计算复杂度较大，且需要设置共享参数，而 ＮＳＧＡ ｌＩ减少了复杂度，提出的拥挤度算子无须参数指 定，可以保存最优个体…Ｊ。拥挤度算子的提出不仅保 持了种群的多样性，也使得优化结果在目标空间中均 匀分布。 ３．３优化模型 风扇优化目的就是寻求一定的结构参数组合，使 其达到最佳的气动性能。静压是评价风扇性能的重要 参数之一，它代表了风扇推动空气在流道中流动克服 阻力的能力。静压效率体现了风扇内部流动品质的好 坏，在轴功率一定的情况下，静压效率越高，风扇能量 损失越少，冷却性能越好。静压效率正比于静压，因 此，只需优化静压就可以达到优化静压效率的目的。 风扇动压代表气体对叶片的气动力，该气动力产生的 转矩为风扇旋转提供动力，这样将降低风扇消耗的功 率，节省燃油 １２］。 建立多目标优化模型有： Ｆ＝（ｍａｘＰ ，ｍａｘＰｄ） （５） 式中：Ｐ 一风扇静压； 一风扇动压。 为防止出现偏差较大的子代，还需对静压效率进 行约束，同时考虑到发动机舱的空间，也需控制风扇的 轴向尺寸，故约束条件如下： （１）静压效率约束：叼 ｉ ≤叼≤叼 ； （２）轴向尺寸约束：日 ｉ ≤口≤日 。 其中：卵一静压效率，Ⅳ－一轴向尺寸。 设计变量： ＝｛ ，口。，口 ， ｝。 ４分析结果与试验结果 ４．１优化后气动性能与原型对比 进口流量取０。９２１ ７７９ ｋ＃ｓ，遗传迭代次数为２０ 代，种群大小为１５，交叉概率取０．９，变异分布指数取 １０。优化后Ｐａｒｅｔｏ解个数为１Ｏ个，综合考虑效率及尺 寸问题，选择最优解如表３所示。 表３优化结果 风扇优化前和优化后的叶片参数整理如表４所 示。优化后的风扇叶片叶根和叶尖安装角有所增大， 而中部安装角增大不多，增加了叶片扭曲。 表４优化前、后参数对比 参数 各断面安装角／。 优化前 优化后 试验结果与优化前、后模拟结果性能参数对比如 表５所示。 表５试验结果与优化前、后模拟结果性能参数对比
