35.应用star-ccm+进行风扇排气性能分析

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1、2009年CDAJ－China中国用户论文集应用STAR-CCM+进行风扇排气性能分析李义林余小东贾宏涛长安汽车股份有限公司汽车工程研究院CAE所摘要：本文描述了应用starCCM+对长安某混合动力汽车燃料电池的风扇及排气管道散热性能的分析过程，根据分析结果做出了优化方案，并且对优化方案进行了分析验证。本次分析采用了movingreferenceframe对风扇旋转区域进行模拟计算。关键词：风扇MovingReferenceFramesSTAR-CCM+CFD分析多面体网格AnalysisofExhaustingFanbystarCCM+Abstract：Theperformanc

2、eofexhaustingfanandpipe,whichwasusedforthebatteriesofaChanganHEVvehicle,wasanalyzed.Amodificationwasmadeanditseffectwascheckedbyanewroundsimulation.AllthesimulationswereperformedinstarCCM+.Thefanzonewasmodeledbyusingmovingreferenceframe.Keywords：fanMovingReferenceFramesstarCCM+CFDpolyhedral1前言

3、燃料电池的散热性直接影响着混合动力汽车的电池的寿命及整车的可靠性，故在新车型开发时，电池的散热问题是重点关注的问题之一。而与燃料电池相连的风扇的排气性能，是散热性能的最重要指标。因为燃料电池系统布置空间较小，散热风扇叶片直径受限；而过高的风扇转速又会引起过大的气动噪声。所以，对电池散热风扇及其相连的排气管道的优化是最有效地解决电池散热问题的途径之一。应用CFD分析可以在汽车设计开发前期对整车及零部件的相关性能进行预测，能有效地发现存在的风险，还可以根据CFD分析结果得到最优方案。大大减少后期的物理样件、样机制作和物理试验。从而提高了设计成功率，减小了开发费用并缩短了设计开发周期。因

4、此CFD分析在汽车设计中具有十分重要的作用，在汽车开发中得到了广泛应用。本文以长安某混合动力车型的电池散热性能分析为例，介绍了如何应用流体力学软件starCCM+中的Movingreferenceframe模型对散热风扇及排气管道的排气性能进行分析，根据分析结果提出优化方案，并对优化方案进行了分析验证。2009年CDAJ－China中国用户论文集2风扇旋转区域CFD计算原理本次分析主要采用MRF（movingreferenceframe）模型对风扇旋转区域进行模拟计算。MRF模型用于计算区域中（通常是定常计算）含有相对运动（旋转）的子区域，比如风扇系统中叶片相对于风扇框架的转动，马

5、达转子相对定子的转动等都可以利用MRF模型进行模拟。MRF模型基本思路为：建立一个与旋转系统一起运动的相对坐标系，在相对坐标系上建立流体运动的控制方程，通过相对坐标与绝对坐标之间的坐标变换，便可以得到在绝对坐标系中流体运动的控制方程。如下图所示，为旋转流体绕旋转轴的旋转速度，右边的坐标系是一个旋转坐标系，其旋转情况旋转区域相同。图1静止坐标与相对运动坐标假设为旋转矢量单位，则有：相对速度可以用绝对速度表示为：其中：式中表示相对速度，表示绝对速度，表示旋转区域转动速度。2009年CDAJ－China中国用户论文集于是控制方程（以连续性、动量守恒方程为例）在相对坐标系的表达形式为：连续

6、性方程动量方程：而在相对坐标系里的表达形式为：连续性方程：动量方程3应用starCCM+进行风扇排气性能分析3.1几何模型准备如下图所示，红色的为排气管道，管道的右边接燃料电池散热口。故下图所示管道的右边为气流入口，气流通过安装在左边的风扇旋转向外排气。风扇的马达安装于出口位置。图2风扇及相连的排气管道模型2009年CDAJ－China中国用户论文集3.2网格生成利用HYPERMESH对CAD数据进行几何清理，并生成封闭的表面网格导入到StarCCM+中。利用StarCCM+进行表面网格重画(surfaceremesh)以提高表面网格的质量。因为整个风扇排气系统几何形状比较复杂，所

7、以采用多面体体网格进行体网格划分。多面体网格具有良好的几何外形适应能力，能够较精确地反应格栅等细微区域的几何特征，利用StarCCM+简明的用户界面，可以比较简单地从表面网格直接生成多面体。生成的多面体网格如下所示：图3风扇及马达处多面体网格3.3计算区域为准确模拟风扇出口处外部流场区域，于出口处建立一个圆柱形计算区域。如下图所示，圆柱直径为风扇直径的8倍，高为风扇直径的5倍。图4外部计算域及风扇旋转区域2009年CDAJ－China中国用户论文集这样，整个分析模型包