CC BY
113
электронное научно-техническое издание
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эя № ФС 77 - 30569. Государственная регистрация №0421100025. ISSN 1994-0408_
Аэродинамические свойства вентиляторных установок различных конструктивных решений
77-30569/404548 # 03, март 2012
Терехов А. С., Петров А. П., Петров К. А.
УДК 621.432
Тюменский государственный нефтегазовый университет, Курганский государственный университет
alex_p2@mail.ru
Особенностью работы системы охлаждения двигателя легкового автомобиля является то, что для обдува радиатора используется не только вентилятор, но и набегающий поток воздуха. Причем за счет набегающего потока не некоторых режимах движения подача охлаждающего воздуха может быть в несколько раз больше. Использование набегающего потока вызвано тем, что КПД такого способа подачи воздуха выше, чем КПД вентилятора, поскольку в этом случае не происходит преобразование энергии из одной формы в другую.
Набегающий поток не всегда способен обеспечить необходимый расход воздуха через радиатор, поэтому при низкой скорости движения автомобиля необходим вентилятор. Требования, предъявляемые к вентиляторным установкам взаимно противоположные. Для лучшего использования набегающего потока вентиляторная установка должна обладать наименьшим аэродинамическим сопротивлением, но для обеспечения высокой эффективности работы вентилятора ее конструкция, как правило, имеет высокое аэродинамическое сопротивление. До недавнего времени наиболее распространенной была вентиляторная установка с неполным охватом кожухом радиатора. В таких вентиляторных установках большая часть набегающего потока воздуха идет через свободную зону радиатора. Обладая простой конструкцией, такая установка имеет большой недостаток. При малой скорости движения автомобиля работа вентиляторной установки сопровождается высокой рециркуляцией воздуха из подкапотного пространства в предрадиаторную камеру, из-за этого в радиатор поступает нагретый воздух. Эффективность системы охлаждения при этом существенно снижается.
В последнее время все чаще стали применяться вентиляторные установки с двумя вентиляторами. В основном они используются на легковых автомобилях с кондиционером
для лучшего охлаждения радиатора кондиционера, либо на автомобилях с большой мощностью двигателя.
Рассмотрим плюсы и минусы такой конструкции вентиляторной установки. Вентиляторы для анализа выбирались в соответствии с сопротивлением воздушного тракта системы охлаждения исходя из обеспечения заданного расхода воздуха через радиатор. Вначале расчеты были выполнены аналитическим методом. На рисунке 1 представлены результаты этих расчетов.
Рис. 1. Расходно-напорная характеристика вентиляторов и зависимость сопротивления воздушного тракта от расхода воздуха: а - характеристика одного вентилятора; б - характеристика двух параллельно установленных вентиляторов; в - характеристика воздушного тракта; г - характеристика альтернативного вентилятора;
д - характеристика произвольного тракта
Сначала была рассмотрена вентиляторная установка с одним вентилятором. Для анализа был выбран электровентилятор W3G280-EQ20 фирмы «ЕЬт-рарБЪ» [1]. Вентилятор имеет диаметр лопастей 280 мм, мощность электродвигателя 200 Вт и массу 2,4 кг. В этом случае расход воздуха составил 0,446 м /с (график а).
Вентиляторная установка с двумя вентиляторами W3G280-EQ20 позволила увеличить расход воздуха всего лишь на 37 % и он стал равен 0,612 м /с (график б). При этом общая масса двух вентиляторов составит 4,8 кг. С учетом КПД электродвигателей, потребляемый ток двух вентиляторов по сравнению с одним будет больше чем 37 %. Как видно из рисунка
при параллельно работающих вентиляторах их давление будет равно давлению при их автономной работе, а производительность будет равна сумме производительностей обоих вентиляторов.
Если бы сопротивление воздушного тракта (включая радиаторы системы охлаждения и кондиционера) было меньше (график г), то теоретически эффект от двух вентиляторов был бы больше, т.е. расход воздуха увеличился больше.
В качестве альтернативной вентиляторной установки рассматривался вариант с использованием вентилятора W3G300-RQ28. Вентилятор имеет диаметр лопастей 300 мм, мощность электродвигателя 320 Вт и массу 2,5 кг. Таким образом, мощность электродвигателя была увеличена на 60 % по сравнению с мощностью вентилятора W3G280-EQ20.
Для обеспечения корректного анализа при выборе вентиляторов пришлось ограничиться номенклатурой вентиляторов производимых одной фирмой. Дело в том, что вентиляторы кроме прочих параметров могут отличаться друг от друга технологией изготовления самого вентилятора и электродвигателя (масса, электрический КПД, относительным диаметром ступицы и т.д.). В данном случае не удалось подобрать вентилятор расходно-напорная характеристика которого проходила бы через рабочую точку параллельно работающих двух вентиляторов. Поэтому в этом случае расход воздуха составил 0,588 м /с (график в), что на 4 % меньше чем у вентиляторной установки с двумя вентиляторами. При этом масса данного вентилятора меньше чем масса двух вентиляторов на 48 % и меньше потребляемый ток. Шум, издаваемый вентилятором W3G300-RQ28 и двумя вентиляторами W3G280-EQ20 практически одинаковый.
Исследования трех вариантов вентиляторных установок были продолжены с помощью численных экспериментов с использованием программного модуля FloWorks.
Вначале рассмотрим режим работы системы охлаждения без использования набегающего потока воздуха (стоянка и низкая скорость движения) при включении электровентиляторов. Рассмотрим свойства вентиляторной установки с симметричным кожухом с полным охватом радиатора и с одним вентиляторам W3G280-EQ20 (радиатор 340^610). На рисунке 2 изображена эпюра скоростей по фронту радиатора. Расход воздуха при этом составляет 0,371 м /с, коэффициент неравномерности поля скоростей по фронту радиатора - 0,224. На эпюре хорошо видно, что охлаждающий воздух имеет максимальную скорость в зоне, расположенной напротив отверстия в кожухе, скорость воздуха на периферийных зонах радиатора очень низкая. Таким образом, поверхность радиатора используется не в полной мере, что приводит к снижению его теплоотдачи.
Для сравнения рассмотрим вторую вентиляторную установку с двумя вентиляторами W3G280-EQ20, радиатор был взят с теми же размерами. На рисунке 3 показана эпюра скоростей для такого кожуха. Видно, что использование двух вентиляторов позволяет увеличить расход воздуха и уменьшить неравномерность поля скоростей по фронту радиатора, по сравнению с вентиляторной установкой с одним вентилятором. Во втором случае расход воздуха по фронту радиатора составила 0,517 м/с, а коэффициент неравномерности поля скоростей - 0,074. Таким образом, средняя скорость увеличилась на 39 %, а неравномерность поля скоростей по фронту радиатора уменьшилась в три раза.
Рис. 2. Эпюра поля скоростей воздушного потока по фронту радиатора с одним вентилятором (при работе вентилятора)
Рис. 3. Эпюра поля скоростей воздушного потока по фронту радиатора с двумя вентиляторами (при работе вентиляторов)
Рассмотрим эти же два случая при использовании набегающего потока воздуха и выключенном вентиляторе. Был задан напор набегающего воздуха 500 Па, что примерно соответствует скорости движения автомобиля 80-90 км/ч. На рисунке 4 изображена эпюра поля скоростей по фронту радиатора с одним вентиляторам. Расход воздуха при этом равен 0,546 м /с, коэффициент неравномерности поля скоростей - 0,248.
Рис. 4. Эпюра поля скоростей воздушного потока по фронту радиатора с одним вентилятором (при использовании набегающего потока воздуха)
При использовании кожуха с двумя вентиляторами расход воздуха составил 0,814 м/с, а коэффициент неравномерности поля скоростей - 0,08 (рисунок 5). Таким образом, при использовании набегающего потока для кожуха с двумя вентиляторами средняя скорость воздуха увеличилась на 49 %, а коэффициент неравномерности поля скоростей уменьшился в три раза.
Отсюда можно сделать вывод, что кожух с двумя вентиляторами имеет лучшие характеристики, как при использовании набегающего потока, так и при использовании вентиляторов.
С помощью численных методов в качестве альтернативного варианта была исследована вентиляторная установка с вентилятором W3G300-RQ28. Производительность вентиляторной установки оказалась на 22 % меньше по сравнению с вентиляторной установкой с двумя вентиляторами W3G280-EQ20, а коэффициент неравномерности поля скоростей увеличился в два раза. При использовании набегающего потока расход воздуха уменьшился на 25 %, а коэффициент неравномерности увеличился в два раза.
Рис. 5. Эпюра поля скоростей воздушного потока по фронту радиатора с двумя вентиляторами (при использовании набегающего потока воздуха)
Как видно результаты численного расчета в существенной степени отличаются от результатов полученных аналитическими методами. Дело в том аналитические методы не учитывают того обстоятельства, что в результате неравномерного распределения скорости воздуха по фронтальной поверхности радиатора аэродинамическое сопротивление радиатора увеличивается [2]. Вот почему в «реальных» условиях производительность вентиляторных установок оказалась ниже расчетной. Поскольку аэродинамическое сопротивление радиатора может составлять большую часть воздушного тракта, поэтому увеличение сопротивления тракта в целом будет существенным. В связи с этим при использовании аналитических методов необходимо расчетное сопротивление воздушного тракта увеличивать в зависимости от прогнозируемой неравномерности поля скоростей и доли сопротивления радиатора от общего сопротивления тракта. Все эти параметры в конструкциях систем охлаждения легковых автомобилей варьируются в широких пределах.
Как показали численные эксперименты, альтернативное использование вентиляторной установки с одним вентилятором в некоторых случаях может быть более предпочтительно, чем вентиляторной установки с двумя вентиляторами.
Производительность вентиляторной установки может быть увеличена за счет увеличения ее мощности.
Неудовлетворительные результаты вентиляторная установка с одним вентилятором показывает при использовании набегающего потока. Расход воздуха оказывается на 50 % меньше. Это происходит потому, что у вентиляторной установки с двумя вентиляторами в кожухе имеется два отверстия, общей площадью 0,123 м (там, где установлены вентиляторы), а у вентиляторной установки с одним вентилятором одно отверстие, площадью 0,071 м .
Поскольку рассмотренные вентиляторные установки с двумя вентиляторами и с одним вентилятором имеют серьезные недостатки необходимо найти альтернативный путь оптимизации системы охлаждения. Необходима вентиляторная установка, которая обладала бы высокой производительностью при минимальных затратах мощности, имела бы небольшую массу, издавала бы меньше шума и при этом способствовала бы рациональному использованию набегающего потока воздуха.
Наиболее кардинально задачу подачи охлаждающего воздуха через радиатор можно решить благодаря принципиально новой конструкции вентиляторной установки. Для лучшего использования набегающего потока воздуха на кожухе вентилятора имеются отверстия, которые могут быть принудительно закрыты клапанами при включении электровентилятора, конструкция кожуха показана на рисунке 6 [3].
/
Рис. 6. Кожух вентилятора с жесткими клапанами: 1 - кожух; 2 - вентилятор; 3 - электропривод; 4 - клапаны
При движении на малой скорости или на стоящем автомобиле клапаны закрыты, что позволяет максимально использовать возможности вентилятора, а также избежать перетока воздуха из подкапотного пространства (как это бывает при использовании вентиляторных установок с неполным охватом кожухом радиатора). При движении с большой скоростью вентилятор не работает, и подача воздуха осуществляется за счет набегающего поток воздуха, при этом клапаны открываются.
На рисунке 7, а видно, что при работе вентилятора с неполным охватом кожухом радиатора большая часть воздуха рециркулирует через свободную зону радиатора, таким образом, в радиатор поступает горячий воздух из подкапотного пространства, а поступление воздуха через воздухозаборные отверстия снижается. При работе перспективной вентиляторной установки такое явление полностью отсутствует, и вентилятор обеспечивает максимальную производительность (рисунок 7, в). Благодаря открытому положению клапанов в новой вентиляторной установке (рисунок 7, г) набегающий поток воздуха используется с не меньшей эффективностью, чем с вентиляторной установкой с неполным охватом кожухом радиатора (рисунок 7, б).
На рисунке 8 показана эпюра поля скоростей воздушного потока по фронту радиатора при использовании набегающего потока воздуха при открытых клапанах кожуха.
В этом случае расход воздуха составил 0,857 м/с, что на 5 % больше по сравнению с вентиляторной установкой с двумя вентиляторами. Коэффициент неравномерности поля скоростей такой же, что у кожуха с двумя вентиляторами. Из представленных данных видно, что в случае использования набегающего потока воздуха предпочтительнее использовать вентиляторную установку с одним вентилятором и клапанами в кожухе.
При работе вентилятора поступление «холодного» воздуха через воздухозаборные отверстия с предлагаемой вентиляторной установкой будет на 32 % больше чем с вентиляторной установкой с неполным охватом кожухом радиатора.
Применение вентиляторной установки с двумя вентиляторами в некоторых случаях является неоправданным решением, в первую очередь из-за значительного увеличения массы системы охлаждения, увеличения мощности для осуществления подачи охлаждающего воздуха и т.д. Во многих случаях альтернативным решением можно считать применение вентиляторной установки с одним вентилятором и управляемыми клапанами. Все будет зависеть от конкретного автомобиля, от тепловыделения двигателя, компоновочного пространства, условий эксплуатаций и т.д. Особенно не выгодно использовать вентиляторную установку с двумя вентиляторами при большом сопротивлении воздушного тракта.
Рис. 7. Движение потока воздуха через радиатор: а) вентиляторная установка с неполным охватом работа вентилятора - работа вентилятора; б) вентиляторная установка с неполным охватом - набегающий поток;
в) вентиляторная установка с клапанами - работа вентилятора, клапаны закрыты;
г) вентиляторная установка с клапанами - набегающий поток, клапаны открыты
Рис. 8. Эпюра поля скоростей воздушного потока по фронту радиатора с новым вентилятором, при использовании набегающего потока воздуха, клапаны открыты
Список литературы
1. Automotive brushless DC fans. Version 08/2008. Ebm-papst. Mulfingen GmbH & Co, Germany.
2. Петров А.П., Петров К.А. Методика определения влияния неравномерности поля скоростей воздуха по фронту радиатора на коэффициент его аэродинамического сопротивления // Фундаментальные проблемы науки. Т.1: Труды I Международного симпозиума. М.: РАН, 2010. С. 63-71.
3. Вентиляторная установка с клапанами принудительного управления: Патент на полезную модель № 111196 / Петров А.П. Заяв. № 2011120957; зарег. 10.12.11 г.
electronic scientific and technical periodical
SCIENCE and EDUCATION
_EL № KS 77 - 3Ü56'». .V;II421100025, ISSN 1994-jMOg_
Aerodynamic properties of various constructive solutions for fan installations
77-30569/404548 # 03, March 2012
Terehov A.S., Petrov A.P., Petrov K.A.
Tyumen state oil and gas university Kurgan state university alex_p2@mail.ru
The authors present an analysis of several fan installations and consider their aerodynamic characteristics under condition of air stream during car motion and fan operation. The advantages and disadvantages of these installations were considered. Fan installation with hot-performance capabilities in all car operation modes was developed.
Publications with keywords: engine cooling system, fan installation, the incident air flow, aerodynamic characteristics, air flow, the coefficient of irregularity of the velocity field Publications with words: engine cooling system, fan installation, the incident air flow, aerodynamic characteristics, air flow, the coefficient of irregularity of the velocity field
References
1. Automotive brushless DC fans. Version 08/2008. Ebm-papst. Mulfingen GmbH & Co, Germany. Available at: http://www.ebmpapst.com/en/ , accessed 03.06.2012.
2. Petrov A.P., Petrov K.A. Metodika opredeleniia vliianiia neravnomernosti polia skorostei vozdukha po frontu radiatora na koeffitsient ego aerodinamicheskogo soprotivleniia [Methodology of determine the influence of unevenness of air velocity field in front of the radiator on its coefficient of aerodynamic drag]. Fundamental'nyeproblemy nauki. T.1. Trudy IMezhdunarodnogo simpoziuma [The fundamental problems of science. Vol.1. Proceedings of the 1st International Symposium]. Moscow, RAN Publ., 2010, pp. 63-71.
3. Petrov A.P. Patent for utility model RF no. 111196, 2011.
