基于CFD 技術的桌面小風扇創新設計

李天贈，陳家靜，黃紅梅

佛山科學技術學院 工業設計與陶瓷藝術學院，廣東 佛山 528000

提升用戶體驗，引導健康、舒適、可持續發展的生活理念是現代家電設計的主要方向。以風扇為例，靜音、低能耗、無線蓄電以及智能控制等功能是其主要的設計要點[1]。小型風扇以其輕巧、便攜的特點受到廣大消費者的歡迎，擁有廣闊的市場需求。

目前針對小風扇的研究主要集中于扇葉的降噪機理分析[2-5]。而舒適度作為除靜音性能外衡量風扇性能的重要指標之一，如何提升風扇的舒適性能也是風扇優化設計的重點。例如，在家用電扇的研究中，BALMUDA 提出一種基于雙層扇葉結構的舒適性風扇解決方案（代表產品為The GreenFan），其通過內側慢速風牽引外側快速風匯聚，之后相互撞擊消除渦旋實現模擬舒適自然風的目的。盡管如此，大多數關于風扇舒適性的研究對象主要為常規家用型電風扇，設計領域關于小型風扇舒適性的研究目前還相對缺乏。本研究將CFD 技術應用于小風扇的設計流程，在現有小風扇產品的數值分析基礎上，提出同時具備短期快速降溫和長期舒緩制冷功能的舒適型桌面小型風扇產品設計解決方案。

1 CFD 技術

計算流體力學（CFD）技術是基于流體運動的質量守恒、動量守恒等基本方程，以計算機為平臺，利用數值離散方法，實現對流態問題數值求解并可輸出豐富流場信息的一門新興技術，是計算機輔助設計的重要分支。CFD 技術具有計算效率高、成本低、計算結果可視化等特點，廣泛應用于航空航天、交通運輸、海洋工程、體育科學等各個領域，是解決工程與科學核心問題的有效手段[6-7]。在產品設計中，CFD 技術可為廚衛用具[8-9]、家電產品[10]等各類涉及流場問題的產品開發提供技術支持，可有效增強產品設計的科學合理性，提高設計效率及降低研發成本。

2 基于CFD 技術的小風扇設計解決方案步驟

產品開發的設計階段決定了83%以上的產品成本，而這一階段本身所占的費用僅為產品總成本的7% 以下[11]，提高設計階段的成功率對于改善整個產品的開發效能有重要的積極影響。CFD 技術可便捷地對涉及流體問題的產品性能進行預評估，可有效提升產品設計階段的科學性，確保方案輸出的合理性。

人體感受到舒適的氣溫為17～24 ℃，當周圍的環境溫度超過舒適溫度的上限時，人們就有熱的感覺。但值得注意的是，作為最為常見的降溫消暑家電，電風扇工作時并不能直接使周圍空氣溫度降低，而是通過驅動空氣流動加快使人體皮膚汗液蒸發吸收熱量，降低人體溫度，使人有清涼的感覺。因此，當人體劇烈運動后或氣溫炎熱出汗較多時，風扇給人帶來的舒適度指標反映在可起到加速汗液蒸發大量吸熱的大風量、高風壓指標方面；而當使用者處于較長時間平靜納涼時，皮膚表面的汗液并沒那么充沛，風扇給人帶來的舒適度指標反映在可滿足當前汗液蒸發要求的低風壓、接近自然風等指標。因此，合理控制風扇的風量、風壓、風類等指標對于實現風扇舒適性優化至關重要，而開展針對舒適性指標的流場機理分析是風扇性能優化研究的關鍵。CFD 技術的計算結果可視化特點可為分析流場運動機理提供極大的便利，為小風扇舒適性能設計提供強大的技術支持。基于CFD 技術的小風扇設計解決方案步驟為：

1）前期準備：確定合理的研究對象，提取研究對象的簡化模型；

2）現有產品分析：建立數值計算模型，分析與歸納現有產品性能特點，找出可能的設計突破點；

3）機理分析：針對可能的設計點，深入機理分析，尋找規律；

4）解決方案：合理利用設計對象的機理特點，提出最終解決方案。

3 設計研究過程

3.1 前期準備

3.1.1 明確研究對象

桌面小風扇是一種利用電機驅動扇葉旋轉切割氣流引起空氣加速流通的小型日用電器，因其體型小巧、充電方便、攜帶方便、價格適中等特點，成為眾多消費者清涼解暑的必選裝備。

市面上，除靜音特性外，舒適性也是各大風扇品牌的主要賣點。影響風扇風舒適度的部件主要為電機、扇片、網罩三大部件。其中，扇葉與電機除作為風扇的核心部件外，也廣泛應用于各大電器與機械等領域，針對其節能、靜音、送風等關鍵性能的研究非常多[12-13]，相關技術已趨于成熟，可提升空間較小，設計提升效能較低。而網罩除起保護作用外，還起到風的導流作用，可實現控制風向、風量等作用。基于小型風扇的成本定位及目前針對網罩的研究較電機、扇葉研究相對欠缺，性能提升潛力較大。綜合以上因素，本研究選擇以網罩作為桌面小風扇性能提升的研究對象。

3.1.2 現有產品歸類及簡化模型提取

市面上的小型桌面風扇網罩造型各式各樣，直徑一般有13.3、16.7 及20 cm 規格（對應小、中和大號桌面小風扇），依據網罩結構類型特點，桌面小風扇的網罩主要以平面網罩為主，大致可歸類為6 種。本研究以市面上較為普遍的13.3 cm桌面小風扇為參照，將6 款代表性網罩制作為統一接口的測試模型，各款網罩形態特征及簡化模型如表1、圖1 所示。

表1 桌面小風扇網罩類型

圖1 桌面小風扇網罩類型

3.2 現有產品分析

本研究以實物產品為參照，建立小風扇數值求解模型，并采用ANSYS Fluent 流體計算軟件平臺進行求解與分析。

3.2.1 控制方程

本問題中，空氣被假設成不可壓縮黏性流體，無熱量傳遞，僅需考慮質量與動量守恒，即僅需求解連續方程與Navier-Stokes 方程：

式中：ρ為空氣的密度，kg/m3；i、j為運動維度；u為速度，m/s；p為壓強，Pa；μ空氣的黏度，Pa·s；S為動量源項，N/m3。

此外，選用工程中常用的RNGk-ε湍流模型對控制方程進行封閉求解[8-9]。

3.2.2 數值實現

本研究中，由于風扇與葉片幾何結構較為復雜，風扇與葉片區域被單獨分離出來，形成小圓柱體計算域，網格類型為非結構化四面體網格。此外，為保證計算準確性，對風扇與葉片邊界層區域進行了局部網格加密處理（最小網格尺寸為0.001 m）。除風扇葉片與網罩附近區域外，剩余區域均采用結構化網格，整個計算域網格質量參數Skewness 值控制在0.76 以內，網格總數約為210 萬。計算前處理的網格劃分及邊界條件設置如圖2 所示。為處理風扇葉片的旋轉問題，將旋轉核心區域設置為滑移網格，選用Interface 邊界條件與周圍流場連接，并通過指定相對于已移動(旋轉和平移)的參考系的運動框架模式控制風扇葉片的旋轉速度。求解策略采用PISO 速度-壓力耦合方法，動量方程采用二階迎風離散格式。

圖2 計算域及邊界條件設置

3.2.3 數值方法可靠性驗證

為驗證數值計算方法可靠性，本研究采用3D 打印技術制作1 號網罩，并安裝在小號小風扇實體機中進行試驗測試。利用風速儀記錄流場特定位置的風速，并與對應的數值模擬計算結果進行對比分析。實驗監測點設置在風扇網罩正前方0.3 m 處（監測點1），以及同等正前方距離偏離風扇中心軸0.15 m 處（監測點2），測試風速轉速為2 100 r/min（低速擋）與2 600 r/min（高速檔）。圖3 顯示，數值計算結果在2 種不同的風扇轉速工況下各監測點的數據均與實驗結果較為接近。由此可見，本研究的數值計算方法較為可靠，計算結果對小風扇的設計具有一定的指導性的作用。

圖3 搭載1 號網罩風扇的實驗與數值計算結果對比

3.2.4 計算結果分析

圖4 為搭載不同類型網罩風扇的流場數值計算圖，可以看出，6 款搭載不同類型網罩的風扇，均具有不同的風場分布特征。其中搭載第1～4 款及第6 款網罩風扇的風場均表現有不同程度的發散特性，而搭載第5 款網罩的風扇風力強勁，流場發散效果相對較弱。

圖4 不同類型網罩風扇工作時的流場特征（風扇轉速為2 100 r/min）

由此可見，網罩的變化對于風扇吹風強度及類型有較大的影響，特別是搭載第5 號網罩的風扇表現出風速大、匯聚力強的特點，可用于實現快速降溫的需求。此外搭載其他幾款網罩的風扇具有較好的低風速及發散特點，如第3、4、6 款較符合自然風特性。因此，本研究設計點可聚焦于如何通過改善網罩的結構功能，實現風扇強風與自然風之間的切換功能，提升桌面小風扇適用范圍及舒適性。

3.3 深入機理分析

對以上6 款風扇網罩造型的共性特征進行對比分析可以發現，4 號、5 號、6 號網罩的輻條均為放射性布置，對6 號網罩的輻條進行順時針調整可變化為4 號網罩，再進一步調整就變為與5 號網罩類似的順時針旋轉網罩。為探究此變化過程與風場特征變化的關聯性，本研究通過對6 號網罩輻條的排列方向進行調整，建立與5 號網罩類似的順時針旋轉的新網罩，并進行數值模擬測試。圖5 的計算結果顯示網罩輻條由逆時針排列轉變為順時針排列，原本發散紊亂的流場變化為強勁的匯聚風，與6 號網罩的結果類似。由此可得出結論，與風扇葉片旋轉方向（順時針）相同的網罩柵欄排列方式具有增強匯聚風場的效果，相反則起到抵消渦旋發散風場的效果。

圖5 調整網罩輻條排列方向對于流場特征的影響效果

3.4 解決方案

根據機理分析顯示，網罩輻條順序呈順時針排列時，風扇可實現吹強風效果；相反則可抵消風的渦旋性，模擬吹自然風的效果。因此，利用此機理特性，根據具體使用場景自由調節輻條旋轉排列方向的可變形網罩設計，是實現桌面小風扇具備強風與自然風切換功能的一種有效途徑。

為實現網罩輻條旋轉變形的目標，作為網罩核心組成部分的輻條可選用具有彈性變形性能的軟膠輻條、2 個管體套疊可伸縮的剛性伸縮桿輻條、剛性液壓桿輻條等。從機構實現的簡單性、穩定性及成本角度考慮，采用與雨傘、天線伸縮結構相同的剛性伸縮桿輻條較契合桌面小風扇設計定位。因此，本研究采用剛性伸縮桿輻條作為網罩的柵欄，來實現網罩變形功能的最終解決方案。在此方案中，網罩的每根輻條由2 個管體套疊組成，剛性輻條兩端用鉸鏈分別與網罩的內外圈連接，通過網罩內外圈的相對運動帶動輻條的伸縮運動，實現網罩輻條順逆時針旋轉切換效果，如圖6 所示。

圖6 網罩輻條由逆時針排列切換為順時針排列示意圖

將以上解決方案與桌面小風扇的整體造型設計相融合，提出一款雙向控風桌面小風扇設計方案，如圖7 所示。

圖7 雙向控風桌面小風扇設計方案

3.5 方案的測試

針對最終提出的方案，本研究使用3D 打印技術制作順時針柵欄網罩與逆時針柵欄網罩，并安裝在小號小風扇實體機中進行測試與使用體驗。基于小風扇工作時與使用者的通常擺放距離及大概吹風范圍，監測點設置在離風扇正前方0.3 與0.4 m 處，以及同等正前方距離偏離風扇中心軸0.15 m 處，如圖8 所示。

由圖9 測量數據顯示，搭載順時針排列的網罩風扇中軸線處的風力強勁，偏離中心軸0.15 m處的風速極低，符合強勁匯聚風特征；搭載逆時針排列的網罩風扇偏離中軸線0.15 m 處依然能監測到較大的風速，并且在測量過程中發現測量數據有一定的波動，較符合自然風的特征。另外，為了進一步確定提出方案的實際合理性，本研究還采用真實體驗測試的形式，對方案的工作性能進行評估。基于通常的使用習慣，用戶使用反饋顯示，搭載順時針柵欄網罩的風扇，在皮膚與氣流相互作用區域，能感覺到較強烈的強直風壓感，且作用部位降溫快速，但維持一段時間后，欠舒適感增加；搭載逆時針柵欄網罩的風扇，在皮膚與氣流相互作用區域，整體的風壓感較為均勻，使用一段時間后，基本能維持較好的舒適性。綜上分析，本研究提出的設計方案基本可到達設計期望。

圖8 數據監測位置示意圖

圖9 2 種不同的柵欄排列方式對風場的影響

4 結論

本研究將CFD 技術應用于小風扇的設計階段，利用CFD 技術可實現計算結果可視化的優勢，完成對現有產品的工作特性及運行原理的分析，驅動合理設計方向的形成，為順利提出雙向控風型桌面小風扇設計解決方案提供了有效的技術支持。

1）本研究驗證了現有產品的分析是提出設計方案的基礎；

2）本研究凸顯出技術分析手段在構建設計邏輯中發揮的重要作用，通過技術分析結果引導設計的深入，能有效克服產品設計方案產生的盲目性與偶然性問題，有助于提高產品設計效率與質量。

文中提出的基于CFD 技術的設計解決方案可為類似的產品設計開發提供參考。