支撐架對(duì)小型軸流風(fēng)扇的性能影響研究

張 立

（浙江經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院應(yīng)用工程系，浙江 杭州 310018）

前言

支撐架作為小型軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)中必不可少的部件，通常安放在風(fēng)扇的出口附近，主要具有兩個(gè)作用：其一是固定風(fēng)扇系統(tǒng)；其二是安置電機(jī)和電線。但在風(fēng)扇的傳統(tǒng)性能測(cè)試中支撐架的影響一般卻很少考慮，有很多學(xué)者圍繞著風(fēng)扇葉片的結(jié)構(gòu)優(yōu)化開展了大量的研究工作，文獻(xiàn)[1][2]在對(duì)小型風(fēng)扇性能測(cè)試過(guò)程中，沒(méi)有考慮風(fēng)扇電機(jī)和支撐架的影響，只對(duì)葉片本身進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能測(cè)試研究。作者所在的科研團(tuán)隊(duì)先后就葉片數(shù)[3]、葉片輪轂比[4]、葉片安裝角[5]等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)風(fēng)扇性能的影響開展了研究，結(jié)果表明優(yōu)化風(fēng)扇葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)改善風(fēng)扇性能具有積極意義。然而在上述結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化過(guò)程中，支撐架的影響也很少涉及。由于支撐架對(duì)風(fēng)扇的氣流流動(dòng)具有阻塞作用，由此設(shè)計(jì)合理的支撐架結(jié)構(gòu)很有必要。本文以某服務(wù)器上的散熱風(fēng)扇為研究，討論了支撐架對(duì)風(fēng)扇性能和內(nèi)部流場(chǎng)的影響，研究結(jié)果將為高性能小型軸流風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 風(fēng)扇模型及計(jì)算方法

1.1 風(fēng)扇模型

本文選擇某服務(wù)器型號(hào)為QW1245H的小型軸流風(fēng)扇作為模型1，其設(shè)計(jì)工況和主要結(jié)構(gòu)參數(shù)為：風(fēng)量Q＝0.011kg/s，風(fēng)壓P＝47.43Pa，轉(zhuǎn)速n＝3000 r/ min，葉輪外徑D＝90 mm，厚度 d=20mm，輪轂比 Xb=0.49，葉片安裝角β=44.5°，葉頂間隙TC=2mm，葉片數(shù)Z＝7。本文研究的風(fēng)扇模型的支撐架形狀為細(xì)長(zhǎng)方體，數(shù)目為4個(gè)，如圖1所示。

圖1 帶支撐架的風(fēng)扇模型1

1.2 計(jì)算方法

由于風(fēng)扇氣流Ma數(shù)不超過(guò)0.3，可以將氣流視為不可壓縮流體。計(jì)算定常模擬采用不可壓分離式求解器隱式方案，采用標(biāo)準(zhǔn)k?ε模型進(jìn)行湍流模擬。使用SIMPLC算法解決速度和壓力的耦合問(wèn)題，控制方程的數(shù)值離散方法采用二階精度的迎風(fēng)差分，以求得更為精確的流場(chǎng)解。計(jì)算域給定流量進(jìn)口和壓力出口邊界條件，采用無(wú)滑移壁面邊界條件。風(fēng)扇模型采用結(jié)構(gòu)化六面體Cooper網(wǎng)格，如圖2所示。總網(wǎng)格大小分別為 260萬(wàn)。經(jīng)過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢查，網(wǎng)格扭曲度集中在0.1～0.5之間，符合模擬計(jì)算的要求。

圖2 網(wǎng)格計(jì)算

2 結(jié)果分析

2.1 靜特性分析

以風(fēng)扇模型1為例，對(duì)比分析了支撐架對(duì)風(fēng)扇模型1的氣動(dòng)性能影響，如圖3及圖4所示。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，風(fēng)扇模型1在有無(wú)支撐架兩種給定條件下，其全壓與流量系數(shù)曲線在全流域內(nèi)的變化趨勢(shì)基本一致，兩條曲線的擬合度比較高，尤其是在額定工況點(diǎn)附近，支撐架對(duì)風(fēng)扇全壓與流量系數(shù)的影響幾乎可以忽略。圖4顯示了在有無(wú)支撐架兩種給定條件下風(fēng)扇模型1的效率隨流量系數(shù)的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出，當(dāng)流量系數(shù)小于0.10時(shí)，兩條曲線的擬合度很高，當(dāng)流量系數(shù)大于0.10時(shí)，兩條曲線有一定的差值，但總體走向基本一致。綜合圖3及4可以判斷支撐架對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能影響有限，尤其在額定流量工況點(diǎn)附近幾乎可以忽略。

圖3 模型1的全壓系數(shù)—流量系數(shù)曲線

圖4 模型1的效率— 流量系數(shù)曲線

圖5顯示了風(fēng)扇模型1在額定流量工況下的能量損失隨葉高的變化趨勢(shì)，從圖中可以看出，在有無(wú)支撐架的兩種給定條件下，兩條曲線的變化趨勢(shì)基本一致，曲線擬合度較好，僅僅在葉頂區(qū)域有細(xì)微的差異。這較好的證實(shí)了支撐架在額定流量工況點(diǎn)附近對(duì)風(fēng)扇氣動(dòng)性能的影響可以忽略，也為風(fēng)扇模型的簡(jiǎn)化提供了理論依據(jù)。

圖5 額定流量下的能量損失隨葉高變化曲線

2.2 內(nèi)部流場(chǎng)分析

圖6和圖7分別顯示了在額定流量工況時(shí)風(fēng)扇考慮支撐架以及未考慮支撐架時(shí)的速度內(nèi)部流線分布。從圖中可以看出，當(dāng)未考慮支撐架的影響時(shí)，風(fēng)扇在葉片頂端存在兩個(gè)葉頂間隙渦流以及在葉頂尾緣存在渦流；當(dāng)考慮支撐架的影響時(shí)，風(fēng)扇在葉片頂端存在的葉頂間隙渦流幾乎沒(méi)有影響，但在葉頂尾緣的渦流由于支撐架的因素發(fā)生了裂變，葉頂尾緣渦流基本不成型了，但在靠近葉根尾緣附近卻產(chǎn)生了新的渦流，該渦流的流線變化劇烈的方向恰好是氣流的出口方向，這可能會(huì)增大風(fēng)扇擴(kuò)散區(qū)域的噪聲分布風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 帶支撐架的風(fēng)扇內(nèi)部速度流線圖

圖7 未考慮支撐架的風(fēng)扇 內(nèi)部速度流線圖

圖8和圖9分別顯示了在額定流量工況時(shí)風(fēng)扇考慮支撐架以及未考慮支撐架時(shí)的內(nèi)部壓力分布。從圖中可以看出，當(dāng)未考慮支撐架的影響時(shí)，風(fēng)扇出口中央?yún)^(qū)域存在一個(gè)低壓區(qū)以及在葉頂前緣也存在低壓區(qū)；當(dāng)考慮支撐架的影響時(shí)，風(fēng)扇葉頂前緣的低壓區(qū)依然存在，只是低壓范圍縮小了，與此同時(shí)，風(fēng)扇出口中央?yún)^(qū)域的低壓區(qū)基本消失了，在葉根尾緣附近靠近支撐架的區(qū)域出現(xiàn)了新的低壓區(qū)，該低壓區(qū)容易阻擋氣流流動(dòng)，從而產(chǎn)生新的渦流。這與圖6中觀察到的現(xiàn)象是一致的，說(shuō)明了葉根尾緣附近的低壓區(qū)是該區(qū)域產(chǎn)生渦流的主要原因。

圖8 帶支撐架的風(fēng)扇內(nèi)部壓力圖

圖9 未考慮支撐架的 風(fēng)扇內(nèi)部壓力圖

3 結(jié)論

本文主要討論了小型軸流風(fēng)扇支撐架對(duì)風(fēng)扇靜特性以及內(nèi)部流場(chǎng)的影響。通過(guò)模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)支撐架對(duì)風(fēng)扇的靜特性性能影響有限，但支撐架影響了葉片尾緣渦流的走向，葉頂尾緣渦流由于支撐架的影響已經(jīng)基本不成型，但在葉根尾緣靠近支撐架的位置卻產(chǎn)生了新的渦流，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)葉根尾緣附近的低壓區(qū)是該區(qū)域產(chǎn)生渦流的主要原因。

[1] 朱立夫.葉片參數(shù)對(duì)長(zhǎng)短葉片小型軸流風(fēng)扇性能及內(nèi)部流動(dòng)影響的研究 [D].浙江理工大學(xué),2013:10-11.

[2] 柳品.轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)扇性能和內(nèi)部流動(dòng)的影響研究[D].浙江理工大學(xué), 2010:10-11.

[3] Lihong Wang,Yingzi Jin,Baoling Cui,Yuzhen Jin,Jin Lin Yanping,Wang Chuanyu Wu.Factors Affecting Small Axial Cooling Fan Per-formance.Journal of Thermal Science,2010(2):126-131

[4] 柳品, 金英子, 王艷萍, 崔寶玲. 輪轂比對(duì)小型軸流風(fēng)扇性能的影響研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2010, Vol.31, 1564-1567

[5] Zhang Li, Jin Yingzi, Wang Yanping, Wu Chuanyu. Experimental and Numerical Investigation of Blades Effect on Aerodynamic Per formance of Small Axial Flow Fan. Proceedings of 3rd Asian Joint Workshop on Thermophysics and Fluid Science,Matsue, Japan, Sept 10-13, 2011, 87～91.