（机械电子工程专业论文）转子结构对风扇性能和内部流动的影响研究.pdf

浙江理工大学硕士学位论文 转子结构对风扇性能和内部流动的影响研究 摘要 随着电子产品的不断小型化和高性能化 对影响其性能和寿命的决定因素一小型换热 风扇的性能提出了更高的要求 如何设计出低噪声 高通量和结构紧凑的小型换热风扇是 人们研究的主要问题 本文选取s u n o n 公司的a c 风扇系列产品型号为s f 2 3 0 9 2 a 和s f 2 3 0 8 0 a t 的小型轴流 风扇作为研究对象 通过数值模拟计算分析了小型轴流风扇共有的静特性和内部流动特 性 结合试验测量验证了型号为s f 2 3 0 9 2 a 风扇全压性能曲线的模拟结果的可靠性 进而 在这个基础上研究不同轮毂比和叶片数情况下的风扇模型 分析它们的静特性 内部流场 及声场分布 结果表明尽管风扇模型的气动性能有所改善 但存在性能改善不明显或噪声 增加的问题 并不能满足目前对小型轴流风扇提出的高性能要求 因此进一步研究了双转 子风扇的两种模型 发现双层反转风扇的优良特性能够很好的满足这种要求 首先利用激光式三坐标测量臂获得的叶片几何数据在u g 中逆向建模获得风扇的几何 模型 用g a m b i t 软件里的t u r b o 模块建立风扇的流道并划分网格 采用r n gk e 湍流模 型进行定常流动的模拟 通过比较全压性能曲线的试验结果和模拟结果来验证数值模拟计 算的可靠性 同时经过对比分析两款不同型号的风扇 总结出小型轴流风扇静特性和内部 流动的共同点 为进一步的研究打下基础 其次 针对s f 2 3 0 9 2 a 小型轴流风扇模型 研究轮毂比和叶片数对风扇气动性能的影 响 其中对于不同轮毂比风扇模型的数值计算分三步进行 首先采用标准的k e 湍流模型 进行定常流动的模拟 然后将定常压力场作为大涡模拟l e s 的初场计算非定常压力场 在 压力场动能稳定后基于l e s 采用精确的f f o w c sw i l l i a m s h a w k i n g s 方程计算声场 将时域 谱应用f f t 对计算得到的声压信号进行处理 保证了声压信号的准确性和可靠性 根据数 值计算结果 对比分析不同轮毂比风扇的静特性 噪声功率谱密度分布 噪声声压级分布 以及噪声声压级衰减的趋势 分析叶片数对风扇性能影响时 采用r n gk e 湍流模型进行 定常流动的模拟 得出叶片数为5 时与本文确定的转速 叶片安装角 叶面弦长相匹配 最后 初步探讨了在较小的空间里实现高压比 高效率并有利于通风的风扇模型一双 层反转风扇 经过数值计算分析 双层反转风扇可以获得远大于两倍的单转子风扇所能得 到的全压 而且效率也不会比单转子效率低 因此采用此种风扇来使流体获得更多的压力 能 进而获得高通风量是可行的 浙江理工大学硕士学位论文 本文致力于如何设计出低噪声 高通量和结构紧凑的小型换热风扇进行了一定的探索 研究 希望对改善小型轴流风扇的性能以及优化设计的研究提供一定的理论支持 关键词 小型轴流风扇 大涡模拟 轮毂比 双层反转风扇 噪声 浙江理工大学硕士学位论文 s t u d yo ne f f e c to fr o t o rs t r u c t u r e so nf a n sp e r f o r m a n c e a n d i n t e r na lf l o w a b s t r a c t w i t l lt h ec o n t i n u e dm i n i a t u r i z a t i o na n dh i g h e rp e r f o r m a n c eo fe l e c t r o n i cp r o d u c t s t h e d e m a n df o re f f i c i e n ts m a l lf a n sf o rh e a td i s p e r s i o n h a sb e e ni n c r e a s i n g s u c hf a n sa f f e c tb o t ht h e p e r f o r m a n c ea n dl i f es p a no ft h e s ep r o d u c t s t h e r e f o r e t h em a i na i mo f t h i sr e s e a r c hi sh o wt o d e s i g nas m a l lf a n 晰t l lt h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wn o i s e h i g hf l u xa n dc o m p a c t n e s s r n l ea cf a ns e r i e sm o d e l ss f 2 3 0 9 2 aa n ds f 2 3 0 8 0 a tf r o ms u n o nc o m p a n yw e r es t u d i e d i nt h i sp a p e r t h eg e n e r a ls t a t i ca n di n t e m a lf l o wc h a r a c t e r i s t i c so fs m a l la x i a lf a n sw e r e o b t a i n e db yn u m e r i c a la n a l y s i s 砀et o t a lp r e s s u r ep e r f o r m a n c ec u r v eo fm o d e ls f 2 3 0 9 2 aw a s v e r i f i e db ye x p e r i m e n tt oe n s u r et h er e l i a b i l i t yo ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d s t h u st h e s t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s i n t e r n a lf l o wf i e l da n ds o u n dd i s t r i b u t i o n so ft h ef a nm o d e l sd e r i v a t i v e s w i md i f f e r e n th u br a t i o sa n db l a d en u m b e r sw e r ea n a l y z e d r e s u l t si n d i c a t e dl i t t l eo rn o i m p r o v e m e n t i n a e r o d r n a m i cp e r f o r m a n c e o rn o i s e i n c r e a s e w h i c h d i dn o tm e e tt h e r e q u i r e m e n t s h e n c ef u r t h e rs t u d yc o n t i n u e d i i t hd u a l r o t o rf a n s a n dt h eg o o dc h a r a c t e r i s t i c so f c o u n t e rr o t a t i n gf a n sc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n t sw e l l g e o m e t r i cm o d e l so ft h ef a n sw e r eo b t a i n e du s i n gr e v e r s et e c h n o l o g yu s i n gu n i g r a p h i c s u g o nt h eb l a d ed a t ao b t a i n e db y3 dl a s e rs c a n a r m n ef a n s f l o wc h a n n e la n dm e s hw e r e e s t a b l i s h e d u s i n gt h et u r b om o d u l eo fg a m b i ts o f t w a r e t h e nt h es t e a d yf l o ws i m u l a t i o nw a s c a r r i e do u tu s i n gt h er n gk et u r b u l e n c em o d e l w h o s er e l i a b i l i t yw a sv e r i f i e db yc o m p a r i n gt h e t o t a lp r e s s u r ep e r f o r m a n c ec u r v eb ye x p e r i m e n t n l eg e n e r a ls t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n di n t e r n a l f l o wp e r f o r m a n c e so fs m a l la x i a lf a n sw e r eo b t a i n e db yc o m p a r a t i v ea n a l y s i sw h i c hp r o v i d et h e b a s i sf o rn e x ts t u d y t 1 1 ee f f e c to fh u br a t i oa n db l a d en u m b e ro nt h ea e r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fm o d e l s f 2 3 0 9 2 aw a sr e s e a r c h e d t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n si n v o l v e di nt h ea n a l y s i so fh u br a t i ow a s p r o c e s s e di nt h r e es t e p s f i r s tt h es t e a d yf l o wf i e l dw a ss i m u l a t e db ya d o p t i n gt h es t a n d a r dk e t u r b u l e n c em o d e l w h i c hw a st h e nu s e da st h ei n i t i a lf i e l do ft h el a r g ee d d ys i m u l a t i o n l e s t o c a l c u l a t et h eu n s t e a d yp r e s s u r ef i e l d f i n a l l yw h e nt h ek i n e t i ce n e r g ys t a b l i z e d t h es o u n df i e l d w o u l db ec o m p l e t e db yl e sp r e c i s e l yc a l c u l a t i n gf f o w c sw i l l i a m sh a w k i n g se q u a t i o n a n dt h e s o u n dp r e s s u r es i g n a l sa r eo fa c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yb yt h ea p p l i c a t i o no ff a s tf o u r i e r t r a n s f o r m f f t o nt h et i m e d o m a i ns p e c t r u m f o rt h ed i f f e r e n th u br a t i o st h en u m e r i c a lr e s u l t s f o rt h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s s o u n dp o w e rs p e c t r a l d e n s i t y s o u n dp r e s s u r e l e v e la n di t s a t t e n u a t i o nt r e n dw e r ec o m p a r a t i v e l ya n a l y z e d w h i l et h es t e a d yf l o ws i m u l m i o nw a sc a r r i e do u t t t t 浙江理工大学硕士学位论文 u s i n gt h er n gk et u r b u l e n c em o d e l t h ea n a l y s i sf o rt h e e f f e c to fb l a d en u m b e ro nt h e p e r f o r m a n c ec o n c l u d e dt h a tf i v eb l a d e sw a s t h eb e s tc h o i c ec o n s i d e r i n gt h ef i x e ds p e e d s t a g g e r a n g l ea n dc h o r d f i n a l l y c o u n t e rr o t a t i n gf a n s w h i c hc o u l da c h i e v eh i g h e rp r e s s u r er a t i o e f f i c i e n c ya n d f l o wi nas m a l l e rs p a c e w e r ep r e l i m i n a r ys t u d i e d a c c o r d i n gt on u m e r i c a la n a l y s i s t h ep r e s s u r e o fc o u n t e rr o t a t i n gf a n si sd o u b l et h a to fs i n g l e r o t o rf a n s w h i l et h ee f f i c i e n c yi sn o tl o w e r e d s o t h e i ra d o p t i o nt oo b t a i nm o r ep o w e r f u lf l u i dt og e tar a g h e rv e n t i l a t i o nr a t ei sf e a s i b l e t h i sp a p e rp r o v i d e ss i g n i f i c a n tt h e o r e t i c a ls u p p o r ti nt h eo p t i m a ld e s i g no fs m a l la x i a lf l o w f a n sw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o wn o i s e h i 曲f l u xa n dc o m p a c t n e s s k e y w o r d s s m a l la x i a lf l o wf a n s l e s h u br a t i o c o u n t e rr o t a t i n gf a n s n o i s e 浙江理工大学硕士学位论文 角速度 丹转速 刀效率 p 密度 q 流量 f 时间 p 全压 总压 肌动压 丁扭矩 乃 乃前 后转子扭矩 轴功率 n e 有效功率 d t 叶轮外径 尺半径 l 弦长 d 转子间距 d h d t 轮毂比 z 叶片数 a p 2 进 出口静压力 q c 2 进 出口速度 术语表 v i i l 湍流粘性系数 七湍流动能 耗散率 石基本频率 频率 h u b 轮毂 g a s 转子间隙 p s 压力面 s s 吸力面 印声压级 l w 声功率级 p s d 功率谱密度 r r 同向转动双转子风扇 f r 双层反转风扇 s i m u l a t i o n 数值模拟 t e s t 试验 u g 三维软件 c f d 计算流体力学 f l u e n t 流体计算软件 g a m b i t 前处理软件 t e c p l o t 后处理软件 浙江理工大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 空调 冰箱 计算机等电子电器以及化工 机械等行业广泛采用小型轴流风扇作为散 热器件 由于此类风扇的数量十分庞大 工作过程中将产生的能量损耗不容忽视 空调 冰箱 计算机等电子电器与人们的工作和生活密切相关 小型风扇运行过程中产生的空气 动力噪声将会影响人们的日常生活 身体健康以及工作环境 伴随着电子产品的不断小型 化和高性能化 特别是计算机的更新换代更加频繁 如何更有效的降低电子部件工作过程 的发热量 高性能的小型轴流风扇成为提高电子产品的性能和寿命的关键因素 因此 对 小型轴流风扇进行以提高性能和降低噪声为目的的设计和制造方法的研究 将会有利于提 高电子产品的性能和寿命 达到节电 节能 降低噪声的目的 近年来高压比 大流量的大中型风机已研究得较为深入 卜3 1 并且获得了丰富的研究 成果 与此相比 用于笔记本电脑 服务器等较昂贵的电子产品中的小型换热风扇而言 其研究主要集中在性能测试方面 4 对于内部流动和优化方法的研究相对缺乏 计算机 用小型散热风扇的工作原理是快速将c p u 的热量传导出来并吹到附近的空气中去 因此对 风扇性能及内部流场的研究显得极为重要 本文采用c f d 方法对小型轴流换热风扇的内部 流场 噪声特性进行数值模拟计算及分析 并结合实验方法验证所得风扇的性能曲线 总 结出指导性和方向性的结论 将有助于高流量低噪声风扇的设计方案的选择 具有明显的 应用价值和经济效益 1 2 叶轮机械内部流动研究的现状和发展 叶轮机械主要是以叶片旋转输送流体的机械 设计和优化的最终目的是高效的输送流 体 因此 弄清楚叶轮机械内部流体的流动情况 对设计和改进叶轮机械的效率有着重要 的作用 工程热物理学的一个分支内部流动气动热力学与外部流动相比 存在各种不同的边 界 有着不同的规律和特点 需要加以专门的 系统的研究 引 叶轮机械是泵 各类气轮 机和其他许多做功装置的主要部件 工作过程中包含旋转运动具有周期性条件和非定常性 的特点 同时叶轮机械所特有的轴向和径向问题 流动与传热的相互作用 流体与固体之 间的耦合作用 气体与液体两相流动 9 1 0 1 气体与固体两相流动 油气水三相流动 1 1 1 非 n e w t o n 流体和真实气体效应等 离心力项和哥氏力项也出现在其内部流动的控制方程中 1 浙江理工大学硕士学位论文 边界条件和初始条件相对于外部流动也更为多样 这些使叶轮机械的内部流动十分丰富和 异常复杂 1 2 在各种流动中叶轮机械的内部流动也是最为复杂的一种 国内外学者和专家 也一直致力于此方面的研究1 1 3 1 4 1 2 1 数值模拟方法的进展 采用计算流体力学的方法对叶轮机械内部流场进行数值计算分析 可以得到叶轮机械 内部流场中复杂 细微的流动结构和大量有关流场结构等方面的重要信息 加深对叶轮机 械内部流动尤其是对非稳态流动以及三维粘性流动本质的认识 与此同时 数值模拟计算 方法的发展也带动了高性能叶轮机械的发展和应用 数值模拟方面 2 0 世纪4 0 年代 电子计算机的诞生使得复杂非线性偏微分方程组的数 值求解逐渐成为可能 计算流体力学 c f d 在高速发展的电子计算机和计算数学的影响下 很快发展 并逐步地应用于流体机械内部流动数值模拟的计算研究 1 5 1 6 解决了的叶轮机 械内部复杂的三元流动的计算 上个世纪5 0 年代初期 吴仲华教授 1 7 2 1 1 提出了s 1 和s 2 流面 模型 将三维流动分解为一系列二维流动的组合 在2 0 世纪6 0 年代中期发展了应用任意非 正交曲线坐标系统的叶轮机械三元流动理论 并研究其数值计算方法 研制了整套的应用 任意非正交曲线坐标系统的叶轮机械三元流动计算机程序包 把叶轮机械三元流动设计 分析又提高到了新的水平 被誉为 叶轮机械三元流动理论新的里程碑 2 0 世纪8 0 年代 计算流体力学在离散方法 网格生成和求解方法等各方面已基本成熟 针对各种具体流动 情况而发展起来的不同的湍流模型 全三维定常粘性数值模拟已经可以应用于叶轮机械的 数值模拟 2 0 世纪9 0 年代 叶轮机械的c f d 技术已经可以解决全三维非定常粘性数值模拟 2 0 世纪末 压力修正法 时间相关法和拟可压缩法等数值模拟方法得到广泛的发展 清华大学李海锋 吴玉林 翻采用了压力修正法来求解叶轮机械内部流场 利用数值模拟方 法和实验方法预估了水力效率 得出在流速场和压力场能量性能等方面均优于圆柱叶片叶 轮的三维扭曲叶片叶轮 中国科学院工程热物理研究所的陈乃兴 2 3 采用有限体积法对单转 子压气机的三维湍流场进行了计算 对比分析了数值计算和实测结果 提出了利用显式格 式的时间推进三维雷诺时均n s 方程和有限体积法相结合的方法来验证叶轮机械气动设 计 华中理工大学的蔡兆麟 2 4 利用实验方法验i i e s i m p l e r 算法来求解三维n s 方程来计算 叶轮机械内部三维粘性流动 通过对比分析数值模拟和实验结果 证明了该数值模拟方法 的有效性 s e o 2 5 采用有限体积法和标准加模型求解雷诺时均n s 方程 并采用此方法对多 叶离心风机的内部流动进行了数值模拟计算 c h i m a t 2 6 采用详细的多网格算法计算了叶珊 的有粘流动和无粘流动 g i a n g i a c o m 0 1 2 7 采用基于近似因式分解法的隐式a d i 并行处理方法 2 浙江理工大学硕士学位论文 应用于并行计算区域 并提出了将此高效并行计算分解技术用于叶轮机械的流动计算 h e 2 8 采用了拟可压缩法对三维n a v i e r s t o k e s 方程进行求解 计算了多级叶轮机械非稳态不 可压缩流动 h a h t 2 9 采用高阶迎风松弛方法模拟了流体在压缩机后弯叶轮中的流动情况 与理论研究和试验方法相比 数值模拟方法所需的时间和费用都比较少 能够解决复 杂的流动问题 而且具有高精度 目前计算机数值模拟技术趋于成熟 出现了f l u e n t p h o e n i c s n u m e c a s t a r c d 等实用新型的流场模拟计算软件 数值模拟方法需要提炼出较 精确的数学方程 要求对所研究问题的物理特性有充分的了解 叶轮机械内部流动极为复 杂 对于湍流模型的选取 网格生成技术 优化设计计算方法等仍需改进和完善 1 2 2 叶轮机械内部流场的研究 实验手段能够直观 准确的表达流场的真实物理形态 而且数值模拟计算算法的可靠 性 结果的准确性也迫切需要实验提供大量客观 可靠的数据给予验证 因此实验研究方 法对改善叶轮机械的性能和设计研究起着不可替代的指导作用 接触式和非接触式测量技术是两种主要的叶轮机械流场的参数测量技术 两种测量技 术均有其优缺点 接触式测量又称为非光学测量 这种测量技术需要利用遥测技术采集信 号从转子传递到静止参考系 利用各种探针比如多孔探针 旋转探针 涡量探针等介入真 实流场 但是测量准确度非常高 非接触式测量又称为流动显示技术 这种测量技术在测 量时不接触待测介质 因此能够较为真实的还原流场 不会损伤被测流场 但光的折射和 衍射等会产生一定的测量误差 常规的流动显示技术有壁面显迹法 丝线法 示踪法和光 学法4 类 随着近代各种技术日益成熟和完善 产生了相位多普勒技术 p d p a 激光多普 勒测速技术 l d v 激光诱发荧光技术 l i f 激光分子测速技术 l m v 粒子图像测速技 术 p i v 和压敏涂层测压技术 p s p 等高响应 非接触的现代流动显示技术 热线风速仪的工作原理是利用热线因电流通过所产生的发热量与流场中因气流吹拂 产生的散热量之间的温度平衡来确定流场中流动参数 热线测速范围广 频率响应时间短 分辨率高 测量布置简单 因此在风洞和湍流研究中得到较普遍的应用 陈烈科3 0 在风洞 中用恒温热线风速仪测量了强制对流条件下 基面竖直放置 侧壁与流动平行时 散热片 通道内空气的速度分布 得出了散热片的结构形状对流动的影响 陈启峰 3 l 单丝斜热线多 方位旋转方法测量了旋流燃烧器模型出口参数 测量误差波动较小 得到了平均速度和雷 诺应力的分布 其平均速度结果与采用五孔探针的测量结果趋势基本一致 为解决涡街流 量传感器在测量小流量时的缺陷 郑丹丹 3 2 在三元回流式风洞中试验 利用热线测速以及 压电探头测压得到发生体下游不同位置处的速度和压力信号 总结出了风洞中3 种尺寸旋 3 浙江理工大学硕士学位论文 涡发生体下游的最佳检测位置 并将结论和方法推广到管道三维涡街流场中 贾琼 3 3 利用 i f a 3 0 0 型二维恒温热线风速仪系统测量了双旋流气体燃烧器模型的冷态流场内不同位置 的瞬时速度分布及湍流强度特性 论立勇 3 4 在热线探针两侧布置了一定量丝网作为均流元 件 提出了一种通过测量气库内压力变化并按绝热热力学过程计算进出气库气体流速从而 标定热线风速仪的方法 上海交通大学的胡丹梅 杜朝辉 3 5 等人利用旋转单斜丝热线在风 轮下游进行尾迹流场速度测量 采用周期性采样和锁相平均技术 获得了风轮下游尾迹三 维流场的定量信息 二十世纪6 0 年代发展起来的激光多普勒测速仪 简称l d v 的基本原理是利用运动粒 子发出散射光的多普勒效应 当粒子通过两光束交汇点时 产生多普勒信号 采用了激光 测量体实现了无接触测量 分辨率高 目前 不干扰 不接触流场和粒子场的三维激光多 普勒技术 p d a 主要应用于测量粒子 是球形或者接近球形分布粒子速度和尺寸测量的最 有效的方法 j a n g 3 6 j 等用数值模拟计算的方法揭示了空调室外机风扇的内部流动特性 并 结合实验方法用l d v 观察了内部流场 分析了气动力学噪声 有利于空调室外机噪声的 降低 杨澍3 7 利用激光多普勒测速技术测量了横流风机在稳定工况和失速工况下 风机内 部流场的相惟与差异 通过对几组试验数据的比较 对横流风机特有的偏心涡的成因和主 要参数作了深入的分析 得出了偏心涡的位置随流量变化的规律 徐俊 3 8 采用l d v 对1 8 0 0 矩形弯管内流场进行了测量 得到时均速度 湍流强度等数据 由于相位多普勒技术的发 展 l d v 的测量方式升级到p d p a 系统 p d p a 系统在测速时可以得到粒径信息 使其在 多相流测量中得到极强的优势 但是两者的均属于单点测量 在测量非稳态流动时 要得 到整个流场图必须逐点测量流场中的各点速度才可以完成 工作量非常大 为了解决单点测量的困难 以美国的a d r a i n p 9 4 0 为代表的科学家发展了面测量的p i v 技术 并详细研究了p i v 测量的各种实现技术 为p i v 系统发展和实际应用奠定了基础 粒子图像测速技术 p i v 采用流场显视技术和图像处理技术相互结合 对于非定常流动特性 的研究意义重大 因为这种技术可以在在很短时间间隔内连续测量几幅图像 利用相关技 术获得流场信息并进行图像处理 从而获得流场的整体结构以及瞬态流动情况 心n 4 1 等运用p i v 技术展示了叶片尾部流动分离的流线分布和云图 阐述了旋转叶轮机械内部尾 流结构以及其与叶片之间的影响关系 直观清楚的显示了尾流分离现象的过程 m y e r s t 4 2 等人采用粒子图像显示技术对轴流式叶轮机械内部流场的不定常流动情况做研究 利用实 验方法验证了数值模拟c f d 计算方法的可靠性 c h o w 和u z o l 4 3 4 4 l 等人采用透明材料加工 叶轮叶片 利用p i v 设备测量了多级轴流叶轮机械的内部流场 得出了叶轮叶片与尾迹以 4 浙江理工大学硕士学位论文 及尾迹间相互作用的关系 国内的企业和单位利用粒子图像测速p i v 技术对流场进行了尝 试性的测量 比如北京立方天地科技发展有限公司和北京大学的特赛流动量测量研究中心 等单位都在粒子图像显示技术和p i v 设备的使用方面进行了一定的研究 北京航空航天大 学刘宝杰等 4 5 在低速风洞中利用在线式互相关p i v 系统 详细测量了n a c a 0 0 1 2 翼型在 确定的雷诺数和攻角下的近尾迹流动 实验结果表明翼型近尾迹存在有序的涡街结构 相 同机构的王光华 4 6 也利用了在线式p i v 系统 同样在低速风洞中测量了两种非光滑表面 阵列涡发生器表面和波纹壁的湍流边界层 结果表明非光滑表面湍流边界层拟序结构受到 壁面形状的影响 并得出了影响趋势 2 0 0 8 年 t s i 公司既p i v 之后推出了全体积内的速度场测量仪器v 3 v 彻底解决了面 测量的难点 它用一个矩形的体光源照亮流场 在流场中添加示踪粒子 得到矩形区域的 示踪粒子的图像 利用软件进行处理得到矩形区域内部所有示踪粒子的速度场 针对于大型叶轮机械及风机上述各种实验方法已经日臻完善 而小型轴流风扇的实验 研究却相对落后 1 3 风扇的国内外研究现状 1 3 1 风扇的国内外研究现状概述 风扇的研究起步于2 0 世纪8 0 年代 目前国内外对小型风扇的研究也往往集中于性能 的测试方面 相对于大型风机而言滞后很多 h e n n i s s e nj 4 7 等采用激光多普勒测速仪测试 并研究了微型轴流风扇出口的气流分布 美国华盛顿大学的q u i nd 4 8 采用实验和数值模拟 方法研究了微型轴流风扇 用试验的方法证明了雷诺效应对其内部流动的影响 提出了适 用于任何尺寸的轴流风扇的三维线性扩展方法 2 0 0 4 年 英国学者g r i m e sr d a v i e sm 1 4 9 1 采用红外热像仪和p i v 设备分别测量了印刷电路板冷却风扇的表面温度和气流速度 用实 验的形式解释了风扇进出口的热传输过程 为实验预测方法提供了一些列数据 2 0 0 7 年 g r i m e sr q u i nd 5 0 l 通过p i v 试验测量了一系列几何相似的微型轴流冷却风扇出口的非定 常流场 结果表明随着风扇尺寸的减小 出口速度分布明显改变 出口射流角度增加 日 本的t o r us h i g e m i t s u 等 5 l 人用实验和数值模拟的方法研究了小型轴流风扇的相似法则以 及采用双层反转型风扇的可行性 给出了双层反转型风扇的性能特点以及内部流场分布和 压力分布 t o s h i ok o d a m a 等 5 2 5 3 1 对双层反转式轴流送风机的流体力学特性和噪声特性做 了深入的实验研究 得出了轴间间距 转子叶片数目 叶顶间隙等对双层反转式轴流送风 机流体力学特性和噪声特性的影响 y u k io k a b e 等 5 4 1 对传统的轴流风扇和对旋风扇进行了 浙江理工大学硕士学位论文 实验和数值模拟分析 得出对旋风扇能够得到比传统风扇更多的压力升 日本学者 s 1 1 i o m i 盐见宪正 5 5 等利用实验方法研究了开放型轴流风扇 实测出了不同叶轮直径风扇 模型的翼端涡流的形成和分布 分析了翼端涡的流动特性以及翼端涡的几何形状对小型轴 流风扇内部流场的影响 国内上海理工大学的唐涛 杨爱玲等 6 5 6 1 人采用数值模拟的方法对前掠和后掠型小型 轴流风扇进行了研究 计算结果表明前掠型小型轴流风扇不仅增大了风扇的流量 而且减 小了风扇的流动损失 更有利于小型轴流风扇散热能力的发挥 游斌等 5 7 1 应用p i v 技术测 量了一开式前缘弯掠 扭 斜流转子的叶尖脱落涡 结果显示叶尖脱落涡产生于叶片顶部 并向与转子旋转方向相反的方向发展 为大型中央空调室外机的优化设计及降噪提供重要 的内流实验数据 姜彩玲等 5 8 1 采用计算流体动力学和激光粒子测速p i v 技术对分体空调室 外机空气侧流场和声场进行了研究 深入分析了轴流风扇流道内部和出口的速度分布 华 中科技大学的吴克启教授等针对空调室内机贯流风扇的气动流场及气动噪声展开研究 刘 敏 5 9 1 对贯流风扇样机在三档不同转速下的内流特征及噪声特性进行了数值模拟和实验研 究 总结出了贯流风扇的内流特征 气动噪声源产生的位置和机制以及气动噪声远场的传 播特点 并用实验验证了此贯流风扇气动噪声的预测模型 王企鲲 叶舟等 删采用数值模 拟方法对微型轴流风扇进行了研究 对扭叶片的气动性能以及叶型设计进行了分析 结果 表明按刚性涡进行了扭曲设计扭叶片的效率比等环量叶片的效率低但风压高 但是增大风 扇轮毂比可以提高风压与效率 1 3 2 噪声预测方法及降低风扇噪声 二十世纪7 0 年代以来 噪声污染问题日益为人们所关注 叶轮机械产生的噪声按性质 和来源可以分为气动噪声 气固耦合噪声 机械结构噪声和电机噪声四部分 其中气动噪 声占据主要部分 且最难以治理 风扇气动噪声主要为涡流噪声和旋转噪声 涡流噪声是 旋转的叶轮叶片与气体相互作用 耦合所辐射的宽频带噪声 包括紊流噪声 紊流附面层 噪声 尾缘涡脱落噪声和叶尖涡流噪声 旋转噪声是旋转的叶片周期性地打击空气质点或 临近部位引起空气的压力脉动所产生的离散频率噪声 小型轴流风扇流场中存在旋涡的区 域往往引起较大的压力波动 成为噪声的主要来源 因此研究其流道内部的涡流产生与衰 减的机理极为重要 风扇噪声预测是目前气动声学研究的主要领域之一 一个好的噪声预测模型不仅能适 用于不同的风扇和在任意工况下观测任意位置 而且能进行近场和远场噪声预测 并快速 给出计算结果 概括来说 目前的噪声预测方法主要有以下四种 纯理论分析 半经验方 6 浙江理工大学硕士学位论文 法 计算气动声学c a a 方法 c f d 和声类比相结合的方法 以上均不能同时满足上述的一 些条件 但是与其它三种方法比较 c f d 和声类比相结合的方法是迄今为止最受欢迎的噪 声预测方法 该方法的基本思想是 采用c f d 技术进行数值模拟 以获得近场部分准确的 声源信息数据 采用 声类比 a c o u s t i ca n a l o g y 方法进行精确的解析求解得到声波从 近场到远场部分的传播 c f d 和声类比相结合的方法求解模型更接近物理实际 克服了半 经验方法和纯理论方法对几何外形的限制以及计算气动声学在远场噪声计算方面的不足 大大提高了远场噪声计算的效率 声类比 方法是1 9 5 2 年英国科学家l i g h t h i l l 6 1 提出的 最初该方法被用来描述喷流 噪声 后来c u r l e 叫将其推广到静止固体边界与流体相互作用的发声问题 1 9 6 9 年 f f c o w s w i l l i a m s 和h a w k i n g s 6 3 1 两位科学家采用广义函数理论将该方法推广到最一般形式 得到著 名的f w h 方程 可用来精确描述任意运动固体边界与流体相互作用的发声问题 此噪声 预估方法综合了c f d 和声类比 具备了一个好的噪声预测法几乎所有的特点 l i g h t h i l l 假设流场中的声源是独立存在的 声波不受流体干扰 根据纳维 斯托克斯方 程 简称n s 方程 如式子1 一 1 表示 推导出运动流体发声的声波方程 如式子卜 2 所示 p 警 一丢 p 詈厕 专m t 堕a x j 鲁 q 等一v 2 p 杂 2 乃 p u p p 一c 一风峨 卜 3 z 是应力张量 可由实验或者数值计算求的 c u r i e 对流体中静止的固体表面求解 19 6 9 年 f f o w c sw i l l i a m 和h a w i n g s 将其推广到运动固体边界 提出f f o w c sw i l l i a m h a w i n g s 方程 简称f w h 方程 等 v 最一砉p 剐考毗 未l 材 著对 嘲 其中 卜 4 方程右边第一项是声源项 为四极子声源 第二项表示流体作用于固体 表面的压力引起的偶极子声源项 第三项是固体表面加速度引起的单极子声源项 目前很多研究学者应用此方法 并获得了很好的结果 s h a r l a n d 删 f a r a s s a t 6 5 6 引 l o w s o n 6 9 7 0 1 f u k a n o 7 1 7 2 l e e 7 3 1 s o r e n s e n 7 4 7 6 1 等人一直致力于声类比方法的研究 并 浙江理工人学硕士学位论文 获得了丰富的研究成果 这些研究成果仍然被现在的许多学者采用 上个世纪6 0 年代 p o w e l l 和h o w e 等发现声波的产生同流体中的旋涡有密切的关系 提出了涡声理论 相对 于声类比方法该理论能够更明晰的从物理意义的角度解释声波的产生以及与涡之间的能 量关系 噪声产生和治理是一个十分复杂的问题 一直困扰着人们 虽然许多学者 7 7 7 9 1 在风机 噪声的产生机理 结构和气流参数对噪声的影响 降噪措施 噪声理论评估方法以及气动 声学的研究等方面进行了大量的研究 但是就计算机用小型散热风扇的噪声机理及气动声 学的研究 仍未引起人们的注意 1 4 本论文的主要工作及意义 本文利用f l u e n t 6 3 商用软件数值模拟了不同结构参数 叶片数 轮毂比 单 双转子 下风扇的性能 内部流场及声场 选取s u n o n 公司的的a c 风扇系列产品型号为s f 2 3 0 9 2 a 和s f 2 3 0 8 0 a t 的小型轴流风扇作为研究对象 利用三坐标测量仪得到风扇模型点云 然后 利用逆向建模技术获得风扇的物理模型 通过u g 三维建模软件改变s f 2 3 0 9 2 a 风扇模型 的某一结构参数 获得不同的模型 进行c f d 仿真分析 c f d 计算过程如图1 1 所示 本文的主要工作如下 1 通过逆向建模得到风扇模型 在已有模型的基础上改变风扇的叶片数和轮毂比 分别得到四种不同叶片数和轮毂比的风扇模型 基于这些风扇模型 在f l u e n t 前处理软件 g a m b i t 中完成它们的计算域设置 网格划分 边界条件设置 然后导入f l u e n t 中 进行 稳态的内部流场计算 得到性能参数及不同风扇模型内部流场变化 并将计算所得性能曲 线与实验曲线进行对比 利用后处理软件t e c p l o t 和o r i g i n 显示内部流场压力场和速度场 变化情况 2 在已完成稳态计算的基础上 选取不同轮毂比风扇模型 利用l e s 计算声场 应 用f f t 对计算得到的声压信号进行处理 对比分析不同轮毂比风扇的噪声及声压级分布 同时分析叶片数对风扇性能的影响 3 基于传统的通过增加速度获得更多通风量以改善风扇性能的方法 存在效率降低 和噪声增加的问题 进一步研究双转子风扇的两种模型 初步探讨了在较小的空间里实现 高压比 高效率并有利于通风的风扇一双层反转风扇 计算并分析了不同间距下双层反转 型散热风扇的性能 内部流场变化及声功率的分布 浙江理工大学硕十学位论文 图1 1 c f i 计算过程图 科技的发展使人们的生活水平迅速提高 计算机应用越来越广泛 不仅公司企业 学 校等教育机构在广泛的使用 而且普通老百姓的家庭也逐渐使用电脑 它给人们的工作和 生活带来了方便和愉悦 小型轴流风扇作为计算机c p u 的散热元件 其性能直接影响到计 算机的性能和寿命 与此同时 小型轴流风扇在散热过程中会产生噪声 噪声不仅影响人 们的日常生活 身体健康 还会影响到周围的环境 给人们的生活和工作造成严重的干扰 因此 深入研究小型轴流风扇的内部流场和性能及噪声 不仅能够为揭示风扇内部流 动和静特性以及噪声的关系提供一定的理论依据 还将为实现小型轴流风扇的高效率低噪 声的设计和有效的降噪途径提供可行的方案 具有一定的理论研究意义和工程应用价值 9 浙江理i 人学硕士学位论文 第二章风扇模型构建及数值求解方法 2 1 单转子风扇模型建立 本文研究对缘为两个小型轴流c p u 换热风扇 均为s u n o n 公司的a c 风扇系列产品型 号分别为s f 2 3 0 9 2 a 和s f 2 3 0 8 0 a t 其外观如图2 1 所示 s f 2 3 0 9 2 a 记作模型1 s f 2 3 0 8 0 a t 汇作模型2 相关参数尺寸如表格2 1 所示 叶片的几何数掘通过美国c i m c o r e 公司的激光 式三坐标测量臂平均测点获得 如图2 2 为测量所得风扇模型1 的一个扇叶的点云数据 然后利用三维建模软件u g 的逆向工程建立风扇的几何模型 图2 3 所示为经过逆向建模 后得到的风扇几何体 本文研究结构参数对风扇性能的影响是基于风扇模型1 通过u g 三维建模在保持叶 轮直径不变的基础上改变其叶片数获得叶片数分别为 3 7 9 的单转子风扇模型 改变 轮毂比获得轮毂比分别为 o 7 7 0 6 7 0 6 2 的单转予风扇模型 所得三维模型如图2 4 所 不 图2 1 模型1 和模型2 轴流换热风扇 表2 1 风扇模型参数 浙江理l 人学硕十 学位论文 辜 v c 4 摧接 毒 叶片点云 图2 3 风扇的几何模型 氐敷 一 7 一 图2 4 不同轮毂比风扇模型 2 2 双转子风扇模型建立 根据s u n o n 风扇模型1 利用三维建模软件u g 在保持扇叶型面不变的基础上建立同 向转动双转子风扇和双层反转风扇两种模型 分别如图2 5 所示 同向转动双转子风扇和 双层反转风扇两种模型中的转子参数均和风扇模型1 相同 同向转动双转子风扇模型的两 个转子同方向同速度旋转 转子问不需要留有问隙 双层反转风扇的两个转予同速度不同 方向旋转 考虑到实际操作中转子 自j 的摩擦 需要留有一定的间隙 图2 5 是假设双层反 转风扇的两个转子之间间隙无限小情况下 双层反转风扇的外形 第四章将讨论双层反转 风扇两个转予f f l j 距对其性能的影响 其中两个转子问无间隙假设和有问隙两种情况均会讨 论 1 1 簪蚴 浙江理l 人学硕 学位论文 计算区域的建立类似于2 1 节单转子风扇 其中进出口区域直径的选择在试算了不同 直径的计算区域的基础上保证物理边界尽可能不影响流场的前提下确