汽车冷却风扇叶片参数优化设计分析

酝葬糟澡蚤灶藻则赠阅藻泽蚤早灶驭酝葬灶怎枣葬糟贼怎则藻第7期圆园19年7月汽车冷却风扇叶片参数优化设计分析李盛福1，王欣欣2

（1.广西工业职业技术学院汽车工程系，广西贵港537100；

2.华北水利水电大学机械学院，河南郑州450046）

摘基于叶片参数对风扇性能影响，要：车辆冷却风扇是重要的发动机冷却散热装置，直接影响到整个设备的正常工作。

4

经过对参数分析，进行参数优化设计分析。选取三因子，建立L（采用CFD对各试验组进行建模分析。采93）正交试验表，

结果可知：用SPSS对结果进行分析对比，得到参数优化组合，得到优化模型。采用风洞试验对结果进行验证。优化模型2比原始设计流量增加20.2%，而功率只增加了6.0%，而优化模型1流量增加为17.8%，而功率增加为8.15%；模型2结果更优，整体性能得到改善，风量提升而消耗功率降低；风洞试验表明优化设计结果的可靠性，也说明风扇的性能有了明显的提升，可以作为实际设计参考。

关键词：车辆；冷却风扇；正交试验；模型；风洞试验；叶片中图分类号：TH16；U469.4

文献标识码：A

文章编号：员园园员-3997（圆园19）07-0048-05

ParametersOptimizationDesignandAnalysisofCoolingFanBladesintheVehicle

（1.DepartmentofAutomotiveEngineering，GuangxiPolytechnicofIndustry，GuangxiGuigang537100，China；2.CollegeofMechanicalEngineering，NorthChinaUniversityofWaterResourcesandHydropower，He’nanZhengzhou450046，China）粤遭泽贼则葬糟贼：Thecoolingfanisanimportantcoolingdevice，whichdirectlyimpactonthenormaloperationoftheequipment.Basedontheinfluenceofthebladeparametersonthefanperformance，theparameteroptimizationdesignwasanalyzed.eachgroupparametersweremodeledandanalyzedbasedonCFD.TheresultswereanalyzedandcomparedbySPSS，andtheoptimalcombinationofparameterswasobtainedtogettheoptimalmodel.Theresultswereverifiedbythewindtunneltest.Theresultsshowthattheoptimizationmodel2increasedby20.2%thantheoriginaldesignonflow，whilethepowerincreasesonlyby6.0%，whiletheoptimizationmodel1increasesby17.8%ontheflowandthepowerincreaseby8.15%.Themodel2resultsarebetterandtheoverallperformanceisimproved.Airflowincreasesandpowerconsumptiondecreases.Thewindtunneltestshowsthatthereliabilityoftheoptimizeddesignresults，andalsoshowsthattheperformanceofthefanhasbeensignificantlyimproved.Thosecanbeusedasareferenceforactualdesign.

KeyWords：Vehicle；CoolingFan；OrthogonalTest；Model；WindTunnelTest；Blades

4

Throughtheparametereffectanalysis，threefactorswereselected，andtheL（93）orthogonaltesttablewasestablished.The

LISheng-fu1，WANGXin-xin2

1引言

配合[1]。对现有风扇进行优化设计，在保证满足安装条件和冷却参数要求的前提下，消耗功率最小，对整个设备降成本具有重要意义。

学者们对风扇参数优化设计进行一定研究，取得了一定成果：文献[2]基于计算流体力学原理，将传统的冷却风扇改用前掠倾斜式风扇，使得气流速度有明显提高；文献[3]设计了风罩导风栅安

冷却风扇被作为大型机械设备的重要散热装置而被广泛

应用，这些装置通常需要依靠风冷而降低设备温度，保证正常运行，而安装风扇的空间通常比较狭小，对风扇的叶片直径大小有严格，同时又要求其提供足够的冷却风量和满足功率较小的功耗要求，因此需要设计一款风扇与整个设备结构相

来稿日期：2018-12-24基金项目：广西高等教育教学改革研究项目（GXGZJG2016A092）作者简介：李盛福，（1981-），男，广西北海人，研究生，讲师，主要研究方向：汽车检测与维修教育教学及汽车维护维修；

王欣欣，（1980-），女，河南濮阳人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：智能制造及传感器技术

第7期李盛福等：汽车冷却风扇叶片参数优化设计分析49

装在电机上来提高冷却效果；文献[4]采用数值模拟，建立通风结构的计算脉络；文献[5]通过优化导风罩的结构从而提高通风冷却效率。

基于计算流体力学分析方法，分析叶片参数对冷却风扇性能影响。通过将叶片的不同参数作为实验因子，进行多款风扇的数值仿真模拟，按照正交试验的方法对模拟得到的流量和功率两个因素进行试验对比。然后利用SPSS对仿真结果进行分析，得到能够使风扇具有良好气动性能的叶片优化组合，采用冷却风洞试验2方冷法对结果以自却行风扇进行分设计的仿真析验证外径500mm分。

析

、叶片数为8，内外径比为0.7的

风扇为参考，在此风扇的基础上进行优化设计，三维模型，如图1

所示。

Fig.1图3D1冷Model却风扇of的the三Cooling维模型

Fan（a）空气流经风扇迹线

（b）静压分布

（c）速度矢量图

根据风扇设计参Fig.2图2数，在Simulation仿真分析结果Fluent中，Results

风扇模型单位设为mm，转速应在Fluent中设为900r/min，旋转方向，如图1所示。进行网格划分，为了尽可能接近真实的风洞试验效果，流经风扇的空气的

进出口风道被延长，进出口边界条件分别设为压力入口（pressure-inlet）和压力出口（pressure-outlet），风道进出口表压力值（GaugeTotalPressure）均设为0[6]。之后对其他参数进行设置及求解，得到的模拟结果包含风扇运行参数为入口静压、全压和空气3流量[7]。3.1叶片结果评价指参，如图2所示。

标

数正交试验分析

设计的冷却风扇要求在外径500mm的空间下，风量达到4m3经满足/s要，同时求，优要化求过功程率对消其耗尽进行量改动小。。由所于以，理论选取设计的阶评价段的指标为外径已

：流量和轴功率[8]。

3.2选择试验因子

风扇主要参数：叶片外径、叶片内外径之比、叶片安装角、叶片厚度、叶片轴向高，叶片数等。这些参数构成了风扇叶片的主要形状[9]。

各因数的选取：

（1）由于设计风扇直径受布置空间的，外径允许的最大值为500mm。

（2）风扇的转速不变，离心风扇由同轴电动机带动，因此转速保持为3000r/min。

（3）厚度，厚度越小越有利于提高风扇的气动性能，同时考虑到叶片强度的要求，这里选取厚度3mm的圆弧叶片。

（4）轴向高度，在一定范围内的轴向高度越高，流量越大。但功率也会随着轴向高的增大而增大，因此选用初始设计的160mm3.3设计作为模正交型表

的固定参数[10-11]。

正交表的设计选用3个因子，取三水平。不考虑因子之间的

交互作用，依照正交试验的的设计原理，要进行9组试验L（934

）

。设计正交实验表的表头，如表1所示。按照表中的详细参数，利用计CATIA算结果建，立如表各组1模所示型，。

利用流体力学软件Fluent进行仿真分析。

表1风扇叶片参数正交试验设计模拟结果

Tab.1ExperimentFanBladeDesignParameterSimulationOrthogonalResult

试验

ABC特性值次数叶片安装角（毅）内外径之比叶片数目（片）流量（m31/s）功率（kw）213531350.650.6104

1350.74.3

36.936.951400.61412

4.23144.273.6334.961400.6571400.71210

27.04.094.0634.3814591450.6124.0732.51450.650.710143.754.06

35.634.128.150机械设计与制造

No.7July.2019

4结果使用SPSS优化软件分进析行分析。SPSS分析正交试验时，必须要设

置一行空白列来进行比较以确定实验数据和结果的准确性。否则就得通过多重实验来验证结果的可靠性[12-13]。

4.1各因素对功率的影响

以功率为考核指标，以安装角、内外径之比、叶片数三个叶片参数为变量，进行方差分析。结果，如表2所示。从方差分析可以看出：安装角、内外径之比和叶片安装角这三个因素对功率值的影响都很显著，但是他们的影响程度的大小却不同，这三个因素对功率值作用的大小依次为：C跃A跃B。

表2以功率为考核指标的方差分析表

Tab.2PowerVarianceastheAnalysisEvaluationTableIndex

with源III型平方和自由度df

均方FSig.校正模型102.393a617.066

98.455

0.010截距10020.010110020.01057807.7500.000a30.420215.21087.7500.011b11.52725.76333.2500.029c60.447230.223174.365

0.006

误差.3472.173

总计10122.7509校正的总计

102.740

8

4.1.1综安合装上述角

两表可以得出，AA1和A2的均值最小，且A3与A1、

2之间存在显著差异。因此对于因素A来说选用A2或者A1即安装角为135毅或140毅为最优解，单因素（安装角）统计量表，如表3所示。

表3单因素（安装角）统计量表

Tab.3SingleFactor（InstallationAngle）Statistic

安装角均值标准误差13514032.067145

32.0670.24035.9670.2400.240（I）安装角

（J）安装角

均值差值（I-J）

标准误差135140145-3.900*0.0000.340140135145-3.900*0.000

0.3400.340145

1353.900*0.3401400.3404.1.20.340由内表外可知径3.900*，之比

均值最小的为B3，且B3与B1有显著性差异，而

B3与B2之间不存在显著性差异，单因素

（内外径之比）统计量表，如表4所示。

表4单因素（内外径之比）

统计量表Tab.4DiameterSingleFactorRatio（）InternalStatisticalandTable

External

内外径之比

均值标准误差0.650.634.8670.7

33.1000.24032.1330.2400.240（I）内外径之比（J）内外径之比

均值差值

（I-J）标准误差0.60.650.71.767*

0.62.733*

0..3400..3400.650.7-1.767*0.3400.3400.7

4.1.30.650.6

-2.733*.967

-0.9670.3400.340由上叶片述两数表目

，可得均值最低的是C2，且C2与C1、C3均有显著

性差异。综合上述3个因素的单因素统计量表和配对表分析。可以得出能够得到最低的功率消耗的参数组合为A2B3C2或A1B3C2。即安装角为135毅或140毅，内外径之比为0.7，叶片数目为12片。单因素（叶片数目）

统计量表，如表5所示。表5单因素（叶片数目）

统计量表Tab.5LeavesSingle-Factor）Statistics（NumberTable

of

（I）叶片数

均值标准误差101235.6000.24014

29.73334.7670.2400.240（I）叶片数

（J）叶片数

均值差值（I-J）

标准误差1012145.867*0.340121014-5.867*0.833

0.340-5.033*0.34014

1012-0.8330.3405.033*0.3400.3404.2各因素对流量的影响

以流量为考核指标，以安装角、内外径之比、叶片数三个叶片参数为变量，进行方差分析。结果，如表6所示。由上表得知，对于安装角和内外径之比这两项因素，因素b和c的Sig值均大于0.050.05，即在显著水平0.05上无统显著的水平水平0.05上无上显有显著意义著意义。而。因计因此只子学a意义的需Sig=0.032，也就是要对安装，说角即因子b、c在作叶片单数目因素在分析，如表7所示。

No.7July.2019

机械设计与制造51

表6以流量为考核指标的方差分析表Tab.6UsingVarianceFlowasAnalysisanIndicator

Table源III型平方和自由度df

均方FSig.校正模型.300a60.0522.20.614截距147.7041147.7042635.4710a0.21120.1051.880.032b0.04120.0240.4290.175c0.04820.020.325

0.075

误差0.11220.056

总计148.1159校正的总计

0.412

8

表7单因素（安装角）分析

Tab.7SingleFactor（MountingAngle）Analysis

安装角均值标准误差1351404.267145

3.9270.1373.960.1370.137（I）安装角

（J）安装角

均值差值

（I-J）标准误差1351401453.700*-0.34

0.340.341401351450.34145

135-3.700*4.100*0.340.34140-4.100*0.340.34由上述两表可知，均值A1最大，且A1与A2之间不存在显著性的差异，但是A3与A1、A2之间存在显著性的差异。即当以流量为参考指标时，内外径之比和叶片数目取均值最大值为最优组合，而安装角选取135毅水平或140毅水平。则可得到使流量为最大值时的最优组合为A1B2C3或者A2B2C3。安装角为135毅或140毅，内外径之比为0.65，叶片数目为14片。

4.3选取优化组合

对比三个因素对流量和功率的影响分析，如表8所示。

表8各因素对流量和功率的影响对比

Tab.8TrafficImpactandofPowerVariousComparison

Factorson名称

流量

功率

影响系数优先级最优组合影响系数优先级最有组合安装角

0.032约0.05一

A1或A20.011约0.05二A1或A2内外径之比0.175跃0.05B20.029约0.05三B3叶片数目

0.075跃0.05

C3

0.006约0.05

一

C2

由表可知，对于流量的大小，只有安装角一个因素的影响突出；对于功率的大小，三个因对结果的影响都比较突出；因此在同时考虑两个参考指标的前提下选取最优组合。对模型1和模型2

进行对比分析结果，如表9所示。

表9模型对比分析

Tab.9ModelContrastAnalysis

原始模型1模型2安装角140毅138毅140毅内外径之比0.70.70.7叶片数目121414流量（m3/s)3.6.314.40功率（kW)

32.27

34.9

34.2

由表可知，优化模型2比原始设计模型流量增加了20.2%，而功率只增加了6.0%，而优化模型1流量增加为17.8%，而功率增加5风为8.15%冷却洞风扇试，可的验以试分看出优化模型2的结果更优。

验主要通析

过风洞进行[14-15]，原理图和设备图，

如图3所示。

12

356

4

7

9101112

D3D

8

13

4.数字7.式1.圆风扇微弧压形集流器2.数字微压计3.铁丝网节流器

11.电力护计风（测罩测量功8.机水风12.银筒温内度的计静压9.）5.风筒6进气整流格栅

（空a）盒示意图式气压试表验风扇13.风10.筒支传动架

轴（b）试验设备

通过改变Fig.3试验设Wind图3备的Tunnel冷却风扇风进气整Test流格栅for洞试Cooling验

，改变Fan

流过冷却风扇的空气流量，通过与风扇转轴连接的测功机直接读取风扇的消耗功率[16]，分别对原始设计、优化设计1和优化设计2进行试验测试，结果，如图4所示。由图4可知，与仿真分析结果趋势相同，在相同的冷却风量下，冷却风扇消耗的功率逐渐减小。当原始风扇风量达到3.66m3时，消耗功率为32.37kW，仿真值为32.27kW；优化模型1的冷却风量达到4.31m3时，消耗功率为35.02kW，仿真值为34.9kW；优化模型2的冷却风量达到4.40m3时，消耗功率为

52机械设计与制造

理工大学学报，2018，23（1）：61-69.

No.7

July.2019

于仿真结果，主要由于仿真中忽机械损耗等因素的影响。

403530原始

34.29kW，仿真值为34.2kW；仿真与试验基本一致，试验结果略高

（DingShu-ye，ZhangQi.Coolingperformanceandoptimizationofasyn-［J］.JournalofHarbinUniversityofScienceandTechnology，2018，23（1）：61-69.）

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chronousmotor’sexternalfanunderdifferentstructurecharacteristics

25优优化化模模型型12200

1

2

3

风量

4（m3）56

7

8

Fig.4图Comparison4试验测试of结果6结论

Test对Results

比

基于多叶片结构参数对风扇气动性能影响，对其结构进行

优化分析。结果可知：

（1）叶片安装角、内外径之比、叶片数是影响风扇气动性能的重要参数，作为正交设计的因子；

（2）优化模型2比原始设计模型流量增加了20.2%，而功率只增加了6.0%，而优化模型1流量增加为17.8%，而功率增加为化，8.15%流量，可提以升看而出消优耗化功模率降低型2的；

结果更优，风扇的整体性能得到优

（3）风洞试验表明了优化设计结果的可靠性，对优化模型的试验结果也说明风扇的性能有了明显的提升。说明，正交试验设计为风扇的优化提供一种可行、

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