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发动机冷却风扇气动性能CFD仿真分析与优化设计
| 论文题名： | 发动机冷却风扇气动性能CFD仿真分析与优化设计 |
| 关键词： | 汽车工业;发动机冷却风扇;气动性能;计算流体动力学;仿真分析;优化设计 |
| 摘要： | 发动机冷却风扇是汽车冷却系统中的重要部件之一，是发动机运行的稳定性和可靠性的重要保证。传统经设计后再试验研究性能的方法装置复杂、耗时长、成本高、耗费大量人力物力，逐渐跟不上产品迅速更新换代的脚步。基于CFD性能仿真的风扇设计和优化逐渐成为研究的热点。 本文对某企业提供的一款风扇产品进行了风道试验研究。介绍了风道试验台的结构与原理、试验方法与步骤、数据计算处理方法;试验测量了此冷却风扇的静压、轴功率、流量、静压效率等气动性能参数，绘制了性能曲线，并对试验结果数据与性能曲线进行了讨论分析。利用CFD流体分析软件Fluent对风扇进行了CFD仿真分析，得到静压、功率及静压效率的仿真值，然后与其试验值进行对比，多数工况点误差均不超过3％，仿真性能曲线与试验性能曲线贴近且趋势相同，验证了CFD仿真的精确性和可靠性。 为了风扇模型的更进一步优化，对风扇模型实行了参数化重构。将沿叶高方向分布的12个截面的平面叶型使用NURBS曲线进行重构，得到弦长、吸力面厚度、压力面厚度及叶型安装角等4组参数，对叶型前缘积叠线的弯掠规律进行参数化，得到7个周向控制参数和6个轴向控制参数。在三维CAD软件CATIA中实现风扇参数化造型。并运用Matlab对叶型安装角参数进行二项式拟合，减少控制参数数量。对参数化模型进行CFD仿真计算，并将其气动性能参数与原模型仿真值进行对比，结果显示多数工况点的二者误差绝对值不大于3％，验证了参数化建模方法的可行性。因此，参数化模型能够代替原模型实行CFD分析与优化设计。建立风扇参数化模型可以为之后的优化工作提供设计变量，同时其修改的方便性也大大提高了优化设计的效率。 在iSIGHT平台下集成CATIA和Fluent，建立参数化模型修改、网格划分、CFD仿真分析和多目标优化的发动机冷却风扇优化设计平台，以静压和功率为目标函数、静压效率为约束函数，以叶型安装角控制参数和积叠线4个周向控制参数为设计变量，建立响应面近似模型，运用NSGA-Ⅱ算法对冷却风扇进行优化设计研究。将得到的优化模型进行CFD仿真分析，验证优化设计过程和算法的可靠性，并将得到的优化后性能参数与优化之前进行对比，优化后风扇稳定工况静压增大了14.61％，功率减小了23.53W，静压效率提高了12.86％，风扇冷却性能得到提高;对比讨论优化前后内部气流细节特征，可以看出优化后风扇内部气流流动更加通畅，压力和速度分布更均匀，回流和漩涡减少，说明本文建立的优化系统和采用的优化方法是可行的、有效的，为发动机冷却风扇的设计开发和优化研究提供了有利参考。 |
| 作者： | 王天宇 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 王霄 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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