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汽车上隐藏了哪些我们很难发现,但是却精妙无比的设计?
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汽车上隐藏了哪些我们很难发现,但是却精妙无比的设计?

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xjldm

 
 
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2008-03-15
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这道题,cao sir是为了致敬而答!

有这么一个零件,它远不像发动机/变速箱那般引人瞩目,但是它却是汽车热管理中最核心最关键的部件!它就是——汽车冷却风扇!

什么?你以为cao sir说的是下面这个风扇?

No!No!No!cao sir说的是下面这个风扇!
cao sir拆卸来的思域风扇
1、叶片数量有讲究

      风扇分为离心式和轴流式两种,受限于布置空间,汽车风扇基本采用轴流式设计,如果你把汽车风扇拆卸来看看就会发现,你就会发现风扇的叶片基本上是7,9,11等单数。单数设计可不是工程师随便拍脑袋出来的,它有以下考虑:

1)由于汽车风扇都是注塑成型的,多个模穴是难以保证同时冷却的,所以密度会差异却又很难调节,因此对称的叶片之间难免会产生内应力。即使少量偶数叶片风扇为避免注塑产生内应力而采用非均布排列,对风量连续性有较大劣势。
风扇叶片模具设计图纸
2)偶数叶片容易使风扇在高速运转时产生更多的共振,从而导致叶片无法长时间承受共振产生的疲劳,最终出现叶片断裂等情况。奇数无法达成对称,就不会产生叶片共振问题。

3)许多车子上使用双风扇设计,为防止两个风扇之间发生拍频,两个风扇叶片数量也要差异。如丰田prius采用双风扇,一个风扇叶片数量9个,另外一个风扇叶片数量11个。
在自然界中,当两个振源的激励幅值和频率接近时,整体对外观现出来的震动幅值以一种很低的频率周期性变化的现象,由于该现象具有明显的“强-弱-强-弱”的节拍属性,让人能敏感察觉,所以大家称之为“拍频(beat frequence)”
假设两震动信号:  ,
令震动幅值  ,  ,初始相位  ,  为常数,则两者叠加:
  
当初始相位 丰田prius上双风扇设计一个采用9叶片,一个采用11叶片,防止产生共振
2、叶片造型有学问

    风扇设计理论己经经历了一百多年的发展。早在1906年,Joukowski创立了机翼升力理论(Joukowski-俄国著名的空气动力学家,当代航空科学的开拓者,提出如可夫斯基函数,奠定了机翼空气动力计算的理论基础)),恰普雷金在该理论的基础上进行了提升总结为叶栅理论;针对叶栅理论的求解问题,伐里捷尔等提出了保角变换法,西蒙诺夫等提出了奇点分布法,用流体力学的方法进行求解。这样,叶栅理论及其求解方法构成了叶轮设计的基础。60~80年代,波特曼等学者利用有限差分方法及有限元方法计算叶栅的二维及三维势流问题,使得问题得到有效的解决;陈乃兴、Moore等运用湍流模型研究叶轮流体机械,引入了不可压缩流体的粘性对其的影响。

     扇叶的性能受到众多参数的影响,如层叠高度、叶片曲率、叶片倾角、叶片间距、叶片厚度、叶片数目、叶片冲角、叶端间隙、叶片宽度、主轴直径等等,且各参数之间互相制约,关系复杂,不断的调节各项参数,查找最适合目标工作要求的组合,便是进行扇叶设计的研究人员所从事的工作。若要将这些参数全部解释清楚并加以分析,足以写出几篇博士论文了。

风扇工作的基本原理:

1、气流速度三角形:

对于单级轴流式风扇,叶片沿风扇径向是扭曲的,故在差异半径的圆柱面上,叶片的气流参数是差异的。为了研究差异半径上空气的流动,用一圆柱面切开叶片,得到叶片的截面。该截面上的速度分布情况,称为基元级。 
轴流式风扇的基元级
叶片在沿圆周方向的进、出口速度是相等的,即  ,若不考虑空气的可压缩性,则叶片在沿轴向上进、出口速度也相同,即  : 故得到基于级速度三角形如下图所示。可知 
基元级速度三角形
    2、气流的径向受力规律

    在风扇的叶片上差异的半径处,对应的圆周速度各不相同,则其对应的基元级也是不相同的。但是,各基元级之间又是相互联系的,存在着一定的规律。为了研究他们之间的规律,要进行一定的假设.

(l)不考虑气流的重力大小,假定气流是稳定的、理想的没有与外界发生热调换。

(2)忽略气流在径向上的流动,并且在沿圆周方向上,流动的参数不变。

两叶片间取一流体微元。其质量大小为:  ,该质量微元所受的离心力为  ,根据达朗贝尔原理,作用在微元的离心力与压力是受力平衡的:  
流体微元的径向受力
省略上式中的高阶无穷小量,  比比较小,即有  ,可将上式简化为:

 

      上式即为气流受力的径向平衡方程。由上式可以看出,沿径向流体压力梯度与惯性力平衡,当气流的圆周速度随着半径变化时,压力按照该规律变化。

     风扇的叶片上的参数主要包括叶栅及翼型的几何参数、气流参数,以及风扇的主要结构参数,例如:风扇的直径、轮毅比、叶型安装角、叶片数、翼型等。这些叶片参数构成了风扇造型的基本参数,直接影响着风扇的气动性能如流量、静压、轴功率等指标。
风扇的主要几何约束条件各参数敏感度分析结果示意图    叶栅:在单级轴流通风机中,区别以r和r dr为半径,从叶轮上截取一个圆环,可以得到由形状相同的叶片切面所组、彼此以相同的距离沿圆周排成的一个环形表面,称为环形叶栅。将环形叶栅展开到平面所得到的为平面直列叶栅。叶型参数有:叶栅前额线、叶栅后额线、栅距t、翼型安装角     翼型是沿主气流的流动方向上叶片横截面的几何形状。翼型参数有:翼型中线、翼弦及弦长b、翼型弯折角      气流参数有:气流进口相对速度  、气流出口相对速度  、进口气流角  、出口气流角  、进口冲角i、攻角  、出口落后角  、气流转折角  。
3、风扇设计有难度

    如果将汽车发动机的冷却系统看成人体,则冷却风扇在其中扮演心脏的角色。它负责驱动气体在系统中流动,以实现系统散热。因此,冷却风扇性能的好坏对冷却系统至关重要。但是,冷却风扇的性能指标有哪些呢?以及如何评价这些指标的好坏呢?从冷却风扇的使用功能来看,冷却风扇的主要性能指标有以下几个: 

(1)风压((Pa),它包含静压  ,与全压  ,静压,即冷却风扇前后的静压差,用于克服冷却系统的阻抗;全压等于动压  、和静压之和。

(2)流量q(  /s),表示单位时间通过风扇的气体体积,用于保证系统换热。

(3)功率P(Kw),表征冷却风扇的能耗指标。

(4)效率  (%),它包含静压效率与全压效率。全压效率是指风扇对气体做功的效率,一般全压效率高的风扇其静压效率也高。但是,对发动机冷却系统而言,气体在流过冷却系统后直接流入大气,其动能损失于大气之中,可见表征气体动能的风扇动压部分对冷却系统来说并不起任何作用。所以在冷却风扇行业中,如无特殊说明,风扇的风压就是指风扇的静压,而效率也就是指静压效率。静压效率用于表征风扇对冷却系统做功的效率。

在实际使用中,一个理想的风扇应该是:在一定的静压下能够驱动足够流量的空气以保证系统散热,同时其磨损的功率与产生的噪音应该尽可能的小,效率应该尽可能的高。因此一款风扇的性能主要通过风扇的三条性能曲线来评价即:流量一静压曲线、流量一功率曲线、流量效率曲线。当一个风扇安装在某一确定的冷却系统里时,风扇的流量一静压关系曲线与系统的阻抗曲线之间的交点即为风扇的工作点如下图所示。在此点流量下风扇的功率与效率即为风扇的工作功率与工作效率。而对于同一个风扇安装在差异的冷却系统里,由于系统的阻抗曲线不一样,风扇的工作点也会有变化。对于一个匹配合理的冷却系统,风扇应工作在高效率的中间流量区域(工作区),避开高流量与低流量区。
风扇性能曲线与系统阻抗曲线匹配示意图
4、仿真软件有大用

    计算流体动力学技术简称CFD。随着计算机技术及数值计算方法的快速发展,CFD技术开始被人们有效的引到入风扇设计中来。其相当于风扇性能试验的数值模拟。利用CFD技术,一方面,不经过试验可以直接获取风扇的流量、静压、功率等性能基本参数,从而避免了反复的试制试验,节约开发成本的同时缩短了开发周期;另外一方面,利用CFD技术还可以得到如风扇上气流在流场的速度分布等流场中差异的位置物理量的分布情况,这有助于更深入的认识风扇叶片附近及其流场内的气流流动,对风扇设计的改善提供参考。

1997年,法国法雷奥公司的S.Moreau等率先将CFD技术引入风扇设计中使得大大缩短的设计周期,降低了风扇开发成本。他们利用CFD技术将一款风扇整体效率提高15%,极大改善了风扇气动性能。1999年,K. J. O h和S.H.Kang在利用Fluent软件对某一螺旋桨风扇的流场进行数字模拟,模拟情况与实测比较,误差比较小,从而验证了数字模拟的可行性。2002年,法雷奥公司对风扇CFD模型的网格画法进行了改善,新的方法网格质量更好,而且计算结果精确度提高。同年,Niazi压气机的用数值模拟的方法分析压气机的旋转失速现象的原因,并提出了解决失速的方法。2005年,Allan Wang等对比某卡车风扇的仿真结果和试验数据,针对CFD仿真计算中采用多参考系模型时差异旋转流体区的大小,对计算结果的影响进行了讨论,得出到的结论是旋转流体区的外壁取在位于风扇与护风圈的中间时,计算结果与试验结果相差最小。2007年,Tobias使用多参考系模型取代了传统的体积力模型,对安装在发动机舱里的工况下的冷却风扇进行了数值模拟。并且计算值与试验值相比误差不超过3.5%。

     总之,看似平淡无奇的风扇,既要保持在高效率区间运行又要运行时低噪音,这都需要花费工程师许多心血来打造!行文至此,cao sir脑海中闪现出那句广告词:“简约而不简单!”,所以,不为苦逼的风扇工程师cao sir点个赞么?!




参考文献:

[1]王静.全球价值链中的中国汽车产业升级研究[D].长春:吉林大学,2013

[2]陈家瑞.汽车构造(上册)[M].第五版.北京:人民交通出版社,2006: 232-238

[3]吴秉礼,李文洲.轴流通风机的工程设计方法「M].第1版.长春:吉林大学出版社, 2007: 1-2

[4]唐彪.汽车发动机冷却风扇优化设计研究[D].广州:吉华南理工大学,2016

[5]唐钊.发动机冷却风扇叶片参数的研究和优化[D].广州:华南理工大学,2012

[6]张玉成,仪登利,冯殿义.通风机设计与选型[M].北京:化学工业出版社,2011:190-191.

[7]赵要珍.轿车发动机冷却风扇的CFD分析与低噪音优化设计[[D].长春:吉林大学, 2007.

[8]张红辉.发动机轴流冷却风扇低噪音气动性能分析与控制研究[D].重庆:重庆大学 2002.

[9]张克危.流体机械原理[M].北京:机械工业出版社,2000: 115-116.

[10]吴玉林,陈庆光,刘树红.通风机和压缩机[M].北京:清华大学出版社,2005: 1-3.

[11]王巍雄,李篙,黄东涛等.叶片磨短对低压冷却风扇气动性能的影响[J].清华大学
 
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何班长

 
 
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睿智111

 
 
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然而我的面包车一个9叶,一个4页……
 
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开小福上班

 
 
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我还以为是讲显卡的[哈哈]
 
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缺只脚的大象

 
 
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有情怀的工程师
 
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大老爷们开红思

 
 
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叶型设计要是研究明白了也可以去做汽轮机或燃气轮机/航发
 
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easonzhu

 
 
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现在一般乘用车还有这电扇?
 
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rz_2635

 
 
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还要考虑到这样的风扇在各种恶劣的情况下能用上十年
 
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mick512

 
 
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车轮也是,大部分5幅,偶数幅的极少
 
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sy1998

 
 
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这就是一篇风机设计的文献综述。。。点个赞吧,毕竟是做这个的。。
 
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sy1998

 
 
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其实给你吹风的电风扇设计除了强度要求低,气动也是要讲究这些的。
 
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心愿520

 
 
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就说怎么可以看懂呢?
 
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vita凯乐

 
 
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硬核干货,
 
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a0999906

 
 
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综述确认[赞同]
 
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小波的罗罗

 
 
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浓浓知乎味儿,嘻嘻
 
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风驰F3

 
 
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哈,之前在某日企做过一段时间这个,真是熟悉
 
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zhaokui825

 
 
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2008-03-22
工程上的美感
 
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家有小骊

 
 
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一脸懵逼的进来一脸懵逼的出去
 
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5月买车

 
 
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哼,别想蒙我,这明明是显卡风扇[滑稽]
 
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