Q/SZJ191001-2017冷卻風(fēng)扇CFD分析規(guī)范SpecificationofCFDAnalysisofCoolingFan20XX-12-3120XX-12-31實(shí)施20XX-11-27發(fā)布XXXX汽車工程技術(shù)有限公司發(fā)布Q/SZXX-X-2017乘員艙制冷性能CFD分析規(guī)范范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了術(shù)語(yǔ)和定義、冷卻風(fēng)扇CFD分析及結(jié)果處理方法。本標(biāo)準(zhǔn)適用于CAE部門冷卻風(fēng)扇CFD分析。規(guī)范性引用文件無(wú)。術(shù)語(yǔ)和定義無(wú)。摘要Abstract本規(guī)范規(guī)定了用StarCCM+進(jìn)行冷卻風(fēng)扇CFD分析的內(nèi)容。本規(guī)范適用于XX汽車公司開(kāi)發(fā)的乘用車?yán)鋮s風(fēng)扇CFD分析。ThisproceduredefinesthecoolingfanCFDanalysisusingStar-CCM+.It’sapplicablefortheXXautomotivecompanypassengercarsCFDanalysisofcoolingfan.流程圖ProcessFlowDiagram圖1流程圖工具描述ToolDescription仿真分析過(guò)程中需要用到的如下軟件:Thefollowingsoftwarefacilitatestheanalyticalsimulationprocess:前處理(Preprocessors):Hypermesh求解器(AnalysisCode):Starccm+后處理(Postprocessors):Starccm+建模和分析過(guò)程Modeling/AnalysisProcedure單位Units分析中所用單位制如下所示:Theunitsusedintheanalysisareasfollows:力(Force) 牛頓(N)質(zhì)量(Mass) 千克(Kg)長(zhǎng)度(Length) 米(M)時(shí)間(Time) 秒(Second)安裝角葉型弦線與葉柵額線之間所夾的銳角。如圖2所示。圖2某半徑截面處的安裝角定義圖前掠角某半徑截面處的葉型弦線中點(diǎn)相對(duì)于葉根處葉型弦線中點(diǎn)的前傾角度。圖3所示，其中：點(diǎn)2為葉根處葉型弦線的中點(diǎn)，點(diǎn)3為某半徑處截面的葉型弦線的中點(diǎn)，點(diǎn)1為旋轉(zhuǎn)軸上軸向坐標(biāo)與點(diǎn)2軸向坐標(biāo)相等的點(diǎn)。圖3某半徑截面處的前掠角定義圖冷卻風(fēng)扇流量CFD分析冷卻風(fēng)扇流量CFD分析包括網(wǎng)格的導(dǎo)入、湍流模式的選擇、邊界條件設(shè)置、其它計(jì)算參數(shù)設(shè)置及結(jié)果的后處理，具體如下：網(wǎng)格的導(dǎo)入導(dǎo)入網(wǎng)格時(shí)可通過(guò)read的方式，也可通過(guò)import的方式，下面以FLUENT導(dǎo)入.nas文件為例介紹如何導(dǎo)入網(wǎng)格，如圖4所示。圖4FLUENT導(dǎo)入.nas文件如圖4所示，只要選擇好路徑及文件即可導(dǎo)入相應(yīng)網(wǎng)格。由于劃網(wǎng)格的軟件與FLUENT的默認(rèn)單位可能不一致，網(wǎng)格導(dǎo)入后需檢查計(jì)算域的范圍是否正確(風(fēng)扇計(jì)算域的范圍一般在m的量級(jí)，而不是Km量級(jí))，如果不正確，可通過(guò)在軟件中選用合適的單位以調(diào)正確。湍流模式的選擇冷卻風(fēng)扇流量CFD分析時(shí)需選擇湍流模式，推薦使用RNG模式。邊界條件的設(shè)置邊界條件的設(shè)置包括進(jìn)出口邊界條件的設(shè)置及旋轉(zhuǎn)域的邊界條件的設(shè)置。進(jìn)出口邊界均設(shè)為壓力邊界，湍流指定方法時(shí)選擇IntensityandHydraulicDiameter。旋轉(zhuǎn)域設(shè)置的關(guān)鍵是設(shè)置其旋轉(zhuǎn)中心、旋轉(zhuǎn)軸、旋轉(zhuǎn)方式及旋轉(zhuǎn)速度，如圖4所示。其中：旋轉(zhuǎn)中心及旋轉(zhuǎn)軸在建模時(shí)便已確定；旋轉(zhuǎn)方式，穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)選擇MovingReferenceFrame；旋轉(zhuǎn)速度根據(jù)其它部門輸入確定或者分析者自行確定。圖5旋轉(zhuǎn)域的邊界條件設(shè)置其它設(shè)置設(shè)置完邊界條件后還需做一些其它設(shè)置。（1）設(shè)置interface，冷卻風(fēng)扇流量CFD分析時(shí)計(jì)算域有動(dòng)域和靜域，兩域連接的地方需設(shè)置interface。（2）設(shè)置求解控制參數(shù)，求解控制參數(shù)一般包括：壓力--速度耦合方式、松弛因子及離散格式。FLUENT中的求解控制參數(shù)設(shè)置如圖6所示。圖6求解控制參數(shù)的設(shè)置注意事項(xiàng):壓力的差分格式應(yīng)選用PRESTO!（3）設(shè)置監(jiān)控。監(jiān)控的設(shè)置主要包括殘差(Residual)監(jiān)控的設(shè)置及面上物理量監(jiān)控的設(shè)置。FLUENT中各量的Residual的默認(rèn)值為0.001，建議均改為0.00001。由于冷卻風(fēng)扇CFD分析時(shí)非常關(guān)心的一個(gè)量為風(fēng)扇流量，因而設(shè)置監(jiān)控面上物理量時(shí)一般監(jiān)控出口面的質(zhì)量流量。后處理冷卻風(fēng)扇流量CFD分析主要輸出結(jié)果：風(fēng)扇流量，統(tǒng)計(jì)方式如圖7所示：圖7風(fēng)扇質(zhì)量流量統(tǒng)計(jì)流量計(jì)算完成后，建議查看葉片表面及電機(jī)支架上的流場(chǎng)，如果這些面上的渦流、分離區(qū)域大于總面積的10%，和/或徑向流動(dòng)(如圖8所示)區(qū)域大于總面積的3%，則無(wú)必要進(jìn)行噪聲計(jì)算，這時(shí)應(yīng)先優(yōu)化葉片，待流場(chǎng)改善后再計(jì)算噪聲，反之，如果這些面上流場(chǎng)平順，渦流、分離很弱甚至沒(méi)有，也沒(méi)有徑向流動(dòng)(如圖9所示)，則可繼續(xù)下面的噪聲計(jì)算。圖8具有強(qiáng)烈徑向流的流動(dòng)圖9沒(méi)有渦流、分離及徑向流的平順流動(dòng)冷卻風(fēng)扇噪聲CFD分析冷卻風(fēng)扇噪聲CFD分析包括計(jì)算設(shè)置及后處理兩部分。冷卻風(fēng)扇噪聲CFD分析的計(jì)算設(shè)置冷卻風(fēng)扇噪聲CFD分析需在前述流量CFD分析的基礎(chǔ)上做如下計(jì)算設(shè)置。1）由穩(wěn)態(tài)計(jì)算改為瞬態(tài)計(jì)算并選用二階差分格式；2）湍流模式由RNG改為L(zhǎng)ES；3）噪聲計(jì)算模式的選擇、聲源的選擇及聲音接收點(diǎn)的設(shè)定，如圖10所示。噪聲計(jì)算模式選為Ffowcs-Williams&Hawkings模式；聲源選擇為葉片及葉片后的支架；為與試驗(yàn)比較，聲音接收點(diǎn)為風(fēng)扇輪轂中心正前方(來(lái)流方向)一米處。圖10噪聲計(jì)算設(shè)置4）旋轉(zhuǎn)域的旋轉(zhuǎn)方式由MovingReferenceFrame改為MovingMesh；5）壓力--速度耦合方式由Simple改為PISO；6）設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)并將其命名為monitor，如圖11所示。圖11監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置及命名設(shè)置壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的目的是為了通過(guò)監(jiān)測(cè)該點(diǎn)的壓力變化判斷計(jì)算的收斂情況，該點(diǎn)一般設(shè)置為出口面中心線上離出口面約5個(gè)網(wǎng)格距離處。7）監(jiān)測(cè)上述monitor的靜壓變化。完成上述設(shè)置后即可開(kāi)始計(jì)算噪聲，其設(shè)置如圖12所示。其中：時(shí)間步長(zhǎng)的設(shè)置跟所想捕捉的最大聲頻率相關(guān)，如果最大聲頻率為f，則時(shí)間步長(zhǎng)取為1/(2f)，當(dāng)想捕捉的最大頻率為5000Hz時(shí)，時(shí)間步長(zhǎng)取為0.0001s；為了便于得到風(fēng)扇頻譜及總聲壓級(jí)，總時(shí)間步數(shù)應(yīng)該至少大于風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)兩圈所需的時(shí)間步數(shù)；每時(shí)間步內(nèi)的最大迭代次數(shù)跟收斂性相關(guān)，開(kāi)始時(shí)由于收斂性不好，其值應(yīng)該取大一點(diǎn)(如：50)，隨著收斂性的變好可將其調(diào)小，推薦按如下方法調(diào)整：希望采用的內(nèi)迭代步數(shù)時(shí)的監(jiān)測(cè)值與它前5步時(shí)的監(jiān)測(cè)值之比在區(qū)間(0.995--1.005)之內(nèi)，如果想取內(nèi)迭代步數(shù)為25，則看計(jì)算了25步時(shí)的監(jiān)測(cè)值與計(jì)算了20步時(shí)的監(jiān)測(cè)值之比是否位于區(qū)間(0.995--1.005)之內(nèi)。對(duì)于圖13所示例子，可將內(nèi)迭代步數(shù)調(diào)小至25。圖11時(shí)間步長(zhǎng)及內(nèi)迭代步數(shù)的設(shè)置圖13內(nèi)迭代收斂曲線示例冷卻風(fēng)扇噪聲CFD分析的后處理輸出結(jié)果：風(fēng)扇噪聲的頻譜及總聲壓級(jí)。（1）計(jì)算得到噪聲文件。如圖14所示，選擇好噪聲源、接收點(diǎn)并取適當(dāng)個(gè)數(shù)(通常為風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)一圈所需時(shí)間步數(shù))噪聲信息文件后點(diǎn)擊compute/write便可得到噪聲文件。圖14計(jì)算噪聲文件（2）對(duì)計(jì)算得到的噪聲文件做FFT變換以得到頻譜及總聲壓級(jí)。如圖15所示，橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)分別選擇為Frequency和SoundPressureLevel，Load好適當(dāng)?shù)?ard文件后點(diǎn)擊PlotFFT后便會(huì)出現(xiàn)圖16所示的頻譜圖，總聲壓級(jí)可在圖17所示的圖中查看。圖15噪聲文件的FFT變換圖16風(fēng)扇噪聲頻譜圖17總聲壓級(jí)噪聲評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)總聲壓級(jí)的判斷總聲壓級(jí)越小越好。高檔運(yùn)行時(shí)，風(fēng)扇噪聲一般在70--75dB，低檔運(yùn)行時(shí)，風(fēng)扇噪聲一般在63--66dB。頻譜分布的判斷當(dāng)噪聲頻譜的取樣頻率為5Hz時(shí)，頻譜上單頻上的噪聲值與頻譜包絡(luò)線的差值小于15dB。優(yōu)化方向常用的優(yōu)化手段有：調(diào)整葉片安裝角、調(diào)整葉片前掠角、改變風(fēng)扇葉片數(shù)及重新選用截面翼型等。對(duì)于前述渦流、分離區(qū)域比較大的情況，一般可通過(guò)調(diào)節(jié)安裝角以減少甚至消除渦流、分離區(qū)域，通常情況下，安裝角越大，渦流、分離區(qū)域越大。調(diào)整安裝角時(shí)需注意其對(duì)流量的影響。對(duì)于葉片上存在徑向流的情況，除調(diào)節(jié)安裝角外，通常還需調(diào)節(jié)前掠角。由葉根往葉尖走，前掠角一般先由零變負(fù)再變