STAR-CCM+在風扇仿真中PQ與MRF域方法對比

胡忠輝，邢英金，程清波，梁正偉

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心，河北 保定 071000）

1 概述

目前，在風扇仿真中多使用 MRF域方法，由于扇葉模型的復雜性及網格處理精度問題，某些工況仿真準確性降低；PQ方法簡化了風扇模型，通過模擬壓升來代替扇葉作用，減少由于扇葉精度低對仿真結果的影響。本文將風扇PQ與MRF域仿真結果和單體試驗對比，研究兩種方法的仿真精度，為整車開發(fā)初期機艙熱管理CFD分析提供更準確的計算模型[1,2]。

2 模型建立與數值計算

2.1 幾何模型

散熱器風扇由扇葉、框架、電機等組成，該風扇直徑為440mm，7扇葉，導入 STAR-CCM+中進行處理，分別建立風扇單體風洞模型和整車模型。

2.2 仿真方法

2.2.1 PQ方法

通過在STAR-CCM+中建立Fan-interface面，零厚度且可為通過此面流體提供壓升的模型，此面保留風扇中心電機部分，如圖 1，之后在其屬性設置中賦入風扇單體性能試驗測得的風扇PQ曲線。

圖1 Fan-interface面

2.2.2 MRF域方法

MRF域通過穩(wěn)態(tài)方法進行風扇模擬，該方法需要扇葉詳細的 CAD數據，需將旋轉區(qū)域單獨分割，與其他區(qū)域進行interface連接，其網格并非真實運動，通過旋轉坐標系體現風扇旋轉區(qū)域的效果，把動量源加載到葉片轉動所掃過區(qū)域的網格。

3 風扇單體試驗及仿真對比

在風洞試驗臺上進行單體試驗，使用“定靜壓”的方式測量風量，設定靜壓值，PID儀表讀取當前靜壓，調節(jié)輔助風機風量，使當前靜壓值達到設定值，靜壓穩(wěn)定后，計算出測試風機的風量。

在2300rpm工況下，將PQ、MRF域方法采用定流量的仿真值與風扇單體試驗結果進行對比，如圖2：

圖2 PQ、MRF域方法與單體試驗靜壓對比

風扇在轉速2300rpm下，MRF域方法靜壓為0、40、80 Pa時仿真精度較高，隨著壓力增加，誤差逐漸增大[3]。采用MRF域仿真誤差整體大于PQ方法，風扇模型精度及MRF域旋轉區(qū)域的建立方式都是造成誤差的原因。PQ方法輸入試驗測得的PQ曲線，軟件通過插值法得到工作點的數據，導致 0Pa誤差大，但中間數值誤差很小。PQ方法擺脫了對扇葉形狀的依賴，試驗PQ數據足夠精確時，精度高于MRF域方法。

4 PQ與MRF域機艙流場分析

圖3（a）和（b）分別為PQ和MRF域仿真60kph機艙風扇后流線示意圖。PQ仿真，提升通過 interface面流體的壓升，流體方向軸向平行流出，如圖3（a）。MRF域仿真，旋轉區(qū)域內流場受扇葉影響，在扇葉區(qū)域風速高，遠離扇葉區(qū)域風速低，風扇出口流體與水平方向呈一定夾角，且流動呈螺旋狀趨勢，如圖3（b），此流動狀態(tài)與理論較為符合。

圖3 60kph機艙風扇后流線示意圖

5 結論

通過分析對比風扇PQ和MRF域方法，得到以下結論：

（1）風扇PQ單體仿真精度較高，可用于整車初期的仿真評價；

（2）單體仿真MRF域整體誤差比PQ方法略大，且低靜壓精度高，隨靜壓增大誤差增大；

（3）整車仿真中風扇后的流線，PQ呈水平趨勢，MRF域呈螺旋狀更接近真實流動情況。