基于双向流固耦合的发动机冷却风扇性能对比分析

针对发动机冷却风扇结构变形影响其气动性能问题，通过ANSYS workbench分别采用双向流固耦合法与多重参考系法(MRF)对一款发动机冷却风扇在不同流量下进行仿真计算分析。得到风扇气动性能对比曲线以及不同流量下的叶片压力分布与叶片变形量，分析叶片变形对仿真结果的影响。结果表明：考虑耦合作用后的叶片压力分布更均匀；转速一定的条件下风扇的变形量随着流量的增大先减小后增大，最大变形位置位于叶片前缘叶尖处；双向流固耦合法计算的仿真值与试验值更吻合，验证了流固耦合方法在风扇性能计算中的优越性。

轴流式风扇具有驱动风量大、工作效率高、结构简单等特点被广泛应用于发动机冷却系统。发动机冷却风扇工作在高压比、高转速、高负荷的复杂环境中，风扇叶片会产生一定程度的变形，这些变形会改变空气流动，从而影响风扇的气动性能。目前对冷却风扇气动性能分析多采用多重参考系法，其作为定常计算并不能真实模拟风扇实际工作状态， 为克服这一缺点， 本文采用流固耦合方法对风扇进行数值模拟计算。

国内外许多学者对流固耦合这一方法进行了大量的研究，周忠宁等[1]对流固耦合的叶片振动力特性进行了分析， 结果表明在旋转预应力与耦合场的作用下， 叶片模态频率与振型发生明显改变。

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[2]等借助流固耦合法对风力机叶片的疲劳强度进行了预测，得出风力机疲劳损伤位置一般出现在叶片前缘位置。Syed-shah Khalid 等[3]采用CFX 对风力机在不同风速下进行了双向流固耦合分析，结果表明无论是结构应力还是变形量双向流固耦合法计算的值均大于单向流固耦合计算值。Jo，Do-Youb Kim 等[4]对某款风机借助单向流固耦合方法进行模拟计算，对风机叶片表面应力分布以及流线分布进行了分析。

David W. [5]对一款水平轴风力机的柔性叶片和刚性叶片分别进行了试验和数值仿真研究，结果表明无论是扭矩还是风能利用系数柔性叶片结果均大于刚性叶片。王军等[6]采用单向流固耦合法对空调轴流风机叶片的气动弹性进行了数值分析，结果表明刚化效应对风机自振频率有较大影响，风机自振频率随转速的增加而增大。

张立茹等[7] [8]采用双向流固耦合法对实木材料和环氧树脂材料风力机叶片变形进行了相关研究，结果表明叶尖位置变形最大。谢军龙[9]等对空调外机旋转叶片进行流固耦合分析，得出考虑风轮材料对样机风轮变形有一定的影响， 随着转速的增大， 风压对叶片变形的影响变大。

罗黎等[10]采用单向流固耦合理论，计算了在离心力与气动载荷的作用下轴流风扇的应力分布情况。

综上所述，双向流固耦合方法可以用于风扇气动性能的研究。许多学者已采用该方法对压气机[11] [12] [13]及风机转子[14] [15] [16]性能进行研究，但采用双向流固耦合法对发动机冷却风扇性能的研究相对较少。

本文对发动机冷却风扇分别进行双向流固耦合法和多重参考系法仿真计算， 并与试验对比分析。