摘 要

发动机冷却风扇作为冷却系统中的关键一环对发动机冷却散热效果起着决定性作用，其性能优劣直接影响着发动机的寿命与性能。因此，针对挖掘机散热问题，对发动机冷却风扇进行结构设计及性能优化就显得十分重要。

本文首先介绍了CATIA软件相关信息与建模过程运用的各个模块，设定了冷却风扇相关参数之后利用CATIA各个模块功能建立了冷却风扇风洞实验的三维仿真模型，为后续章节的仿真分析提供了模型基础。

其次，本文介绍了CFD仿真分析的基本理论，对STAR-CCM 软件作了简单介绍，然后详细阐述了CFD仿真分析的基本流程，即应用CATIA建立冷却风扇的三维CAD模型，利用Hypermesh进行面网格划分，最后利用STAR-CCM 设定冷却风扇的旋转坐标系、物理模型、边界条件以及创建体网格，利用后处理功能得到了模型风扇的出口质量流率检测曲线、残差收敛曲线、速度云图、压力云图及流线图，获取了风扇本体及流场的各个特征。

最后，采用控制变量法，在保证其余参数一致的情况下改变单一参数，建立了多个风扇模型以研究风扇转速、扇叶形状、叶片数量与风扇气动性能的相关性，并据此进行参数组合，进行优化设计，改进了风扇的气动性能。

关键词：冷却风扇；CFD；特征参数；气动性能

Abstract

As a key part of the cooling system, engine cooling fan plays a decisive role in the cooling and cooling effect of the engine, and its performance directly affects the life and performance of the engine. Therefore, it is very important to design the structure and optimize the performance of the engine cooling fan.

Firstly, this paper introduces the related information of CATIA software and the modules used in the modeling process. After setting the parameters of cooling fan, the three-dimensional simulation model of cooling fan wind tunnel experiment is established by using the functions of each module of CATIA, which provides the model basis for the simulation analysis in the following chapters.

Secondly, this paper introduces the basic theory of CFD simulation analysis, briefly introduces STAR-CCM software, and then expounds the basic flow of CFD simulation analysis in detail, that is, using CATIA to build the 3D CAD model of cooling fan, using Hypermesh to divide the surface grid, and finally using STAR-CCM to set the rotation coordinate system, physical model, boundary conditions and volume grid of cooling fan, Using the post-processing function, the exit mass flow rate detection curve, residual convergence curve, velocity nephogram, pressure nephogram and streamline diagram of the model fan are obtained, and the characteristics of the fan body and flow field are obtained.

Finally, by using the control variable method, the single parameter is changed under the condition that the other parameters are consistent, and multiple fan models are established to study the correlation between fan speed, fan blade shape, number of blades and fan aerodynamic performance. Based on this, the parameters are combined to optimize the design and improve the aerodynamic performance of the fan.

Key Words: Cooling fan; CFD; characteristic parameters; aerodynamic performance

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1研究目的与意义 1

1.2国内外的研究现状与发展趋势 1

1.3本文研究内容 3

第2章 风扇风洞实验仿真三维模型建立 4

2.1 CATIA建模设计基础理论与方法 4

2.1.1 CATIA软件介绍 4

2.1.2 参数化建模基本概念 4

2.2风扇风洞实验三维仿真模型的建立 5

2.2.1 风扇模型的建立 5

2.2.2 风洞模型的建立 5

2.3本章小结 6

第3章 冷却风扇CFD建模与仿真分析 7

3.1 STAR-CCM 流体分析基础理论 7

3.1.1 CFD仿真分析的基本流程 7

3.1.2有限体积法 7

3.2风扇CFD仿真模型的建立 7

3.2.1风扇风洞模型网格划分 7

3.2.2湍流模型 9

3.2.3 边界条件 9

3.2.4 风扇旋转模型 9

3.2.5 参数设置 10

3.3计算结果与分析 11

3.3.1 出口质量流率检测曲线与残差收敛曲线 11

3.3.2 风扇表面压力云图与速度云图 12

3.3.3 通流区流线图 13

3.3.4 速度矢量图 14

3.4本章小结 14

第4章 特征参数对风扇工作性能影响的分析 15

4.1影响风扇工作性能的特征参数 15

4.2各特征参数对风扇工作性能影响的仿真分析 15

4.2.1风扇转速 15

4.2.2扇叶形状 16

4.2.3叶片数 18

4.3结果分析 19

4.4本章小结 19

第5章 总结与展望 20

5.1结论 20

5.2展望 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1研究目的与意义

从上世纪五六十年代我国开始挖掘机的研制与生产，到八九十年代液压挖掘机在建设中迅速发展，再到如今我国已经成为全球最大的挖掘机市场，不仅市场销是最大，而且产量也是最大，是名副其实的世界挖掘机行业的制造中心。

随着挖掘机发动机控制技术的成熟和应用，发动机的性能、功率不断提高，导致冷却系统散热能力不足，整机出现高温的问题。发动机在运行中产生的大量热量，一部分会被内部的机构所吸收，若散热能力不足，会导致各个零件发生程度不同的膨胀、变形，影响零件间的配合，内部的润滑油也会变质、性能下降，最终使得发动机工作环境恶化从而影响发动机寿命与性能。而发动机冷却风扇作为冷却系统的重要一环对发动机冷却散热效果起着决定性作用，因此针对挖掘机散热问题，对发动机冷却风扇进行结构设计及性能改进就显得十分重要。

1.2国内外的研究现状与发展趋势

上汽通用的田绍军^[1]等人认为优化轴流风扇扇叶结构设计，可以有效降低气动噪声与提高风扇气动性能，在对同一辆车进行的噪声实验与气动性能测试中，发现在风扇外直径变化不大时，叶片弦长缩短，叶片周向间距增大，轮毂比降低，叶轮直径增大，有利于高转速下风量增大；叶片安装角缩小，叶片周向间距增大，叶片弦长缩短的同时方向角、弯转角均增大，有利于减小每个叶片吸力面处的涡旋数量和分散提前脱涡，从而降低压力脉动引起的旋转阶次气动噪声。