軸流風(fēng)扇的案例
智能快速的高性能軸流風(fēng)扇設(shè)計(jì)軟件AIFan介紹
基于AIFan快速設(shè)計(jì)及CAESES的參數(shù)化模型處理，可以得到批量的設(shè)計(jì)模型及其性能參數(shù)，從而可以方便的進(jìn)一步建立風(fēng)扇模型庫。
基于AIFan軟件及CAESES軟件等結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)軸流風(fēng)扇的快速設(shè)計(jì)及快速性能評估，風(fēng)扇氣動性能自動優(yōu)化等功能，并且最終可以打造基于數(shù)據(jù)庫的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)體系。
目前該軟件已經(jīng)為多家企業(yè)進(jìn)行過軸流通風(fēng)機(jī)、軸流散熱風(fēng)扇及涵道推進(jìn)風(fēng)扇等設(shè)計(jì)服務(wù)，均取得了較好的效果。
某型空調(diào)軸流風(fēng)扇的氣動噪聲仿真分析
1、概述 研究對象是帶短導(dǎo)管軸流風(fēng)扇的氣動噪聲分析問題。這里主要介紹使用LMS公司著名聲學(xué)軟件SYSNOISE的流體聲學(xué)模塊生成氣動噪聲聲源，然后使用SYSNOISE強(qiáng)大的聲學(xué)邊界元（Acoustic BEM）功能進(jìn)行整個聲場諧波分析的過程和結(jié)果。其中帶短導(dǎo)管軸流風(fēng)扇的流場分析使用FLUENT軟件，分析模型和輸入數(shù)據(jù)由美的研發(fā)中心的游斌博士提供。SYSNOISE模型的網(wǎng)格在FLUENT模型網(wǎng)格的基礎(chǔ)上快速生成得到。
本文目的在于SYSNOISE流體聲學(xué)功能演示和拋磚引玉，并未對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確程度特別關(guān)注。實(shí)際上本題計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性由FLUENT流場計(jì)算的精度和SYSNOISE聲學(xué)計(jì)算精度共同決定，我們這里只選取了FLUENT計(jì)算初期的部分流場結(jié)果，初始條件擾動較大，導(dǎo)致噪聲計(jì)算的結(jié)果可能偏大。共計(jì)算了6~2300Hz之間的噪聲分布，這里只列出部分結(jié)果。
根據(jù)與游斌博士的交流，做了兩種不同網(wǎng)格密度的SYSNOISE模型進(jìn)行驗(yàn)證。一種是嚴(yán)格按照CFD導(dǎo)出網(wǎng)格的密度，直接生成對應(yīng)的SYSNOISE模型；另一種是按照聲學(xué)分析理論進(jìn)行了網(wǎng)格稀疏化的SYSNOISE模型。對兩種模型的內(nèi)聲場計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，結(jié)果基本完全一致。但是第二種稀疏化模型（有效頻率已經(jīng)達(dá)到8000Hz）的計(jì)算速度大幅度增加。實(shí)際應(yīng)用中建議使用第二種模型。
2、分析流程
圖1 SYSNOISE的流體聲學(xué)分析流程圖
具體的分析流程如下：
A）在FLUENT模型網(wǎng)格基礎(chǔ)上快速生成各種密度的SYSNOISE模型網(wǎng)格。
B）使用FLUENT軟件對帶短導(dǎo)管軸流風(fēng)扇的流場進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)分析，并在時域內(nèi)輸出流場的分析結(jié)果。（FLUENT分析模型和輸入數(shù)據(jù)由美的研發(fā)中心游斌博士提供）。
展開 軸流風(fēng)扇降噪研究：結(jié)合CAESES中便捷的參數(shù)化模型進(jìn)行流動優(yōu)化
風(fēng)扇噪音是目前行業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的問題，降噪是一個相當(dāng)龐大而復(fù)雜的內(nèi)容，通過調(diào)整葉片模型，改善風(fēng)扇內(nèi)的流動效果，能夠在一定程度上降低風(fēng)扇的氣動噪音。結(jié)合CAESES便捷的參數(shù)化建模功能，能夠?qū)θ~尖傾斜、尾緣鋸齒等結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行方便快速的研究，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇氣動性能提升及噪聲降低的目的。
下面對CAESES參數(shù)化建模在軸流風(fēng)扇降噪研究中的一些應(yīng)用進(jìn)行介紹：
葉尖傾斜
葉尖傾斜能夠減小軸流風(fēng)扇轉(zhuǎn)子與靜子之間的相互作用，從而降低噪音水平。我們可以在CAESES中對葉片頂端進(jìn)行裁剪，形成傾斜結(jié)構(gòu)，并通過參數(shù)控制裁剪的形狀及深度等，從而能夠快速生成多種方案模型，并結(jié)合CFD軟件進(jìn)行自動化仿真優(yōu)化研究。
軸流風(fēng)扇的葉尖傾斜
尾緣鋸齒
尾緣鋸齒結(jié)構(gòu)能夠?qū)⑷~片吸力側(cè)和壓力側(cè)的氣流相互混合，通過改善兩側(cè)氣流的過渡形式，可以有效減少尾跡損失，繼而實(shí)現(xiàn)效率提高和噪音降低。在CAESES中能夠便捷的通過參數(shù)對尾緣鋸齒形狀、位置、深度及數(shù)量等進(jìn)行控制，對該結(jié)構(gòu)對風(fēng)扇性能的影響進(jìn)行深入研究。
葉片尾緣鋸齒
其他表面特征
CAESES具有強(qiáng)大的功能集成以及開放的feature編輯策略，能夠?qū)崿F(xiàn)各類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的參數(shù)化構(gòu)建，方便的實(shí)現(xiàn)工程師優(yōu)化過程中對于模型變形的各類需求。
考慮其他復(fù)雜表面特征的參數(shù)化葉片模型
自動仿真優(yōu)化
為了找到葉尖傾斜和尾緣鋸齒等結(jié)構(gòu)的最佳參數(shù)，通常需要結(jié)合CFD模擬工具進(jìn)行設(shè)計(jì)探索和形狀優(yōu)化。在這個過程中，CAESES和仿真模擬工具連接，能夠全程自動化的進(jìn)行網(wǎng)格劃分和仿真分析，CAESES的優(yōu)化策略工具會驅(qū)動葉片的形狀參數(shù)自動向著提高葉輪效率和降低噪聲的方向變化。
自動進(jìn)行網(wǎng)格劃分和CFD分析
性能優(yōu)化
展開 CFD專欄丨軸流風(fēng)扇噪聲CFD仿真試驗(yàn)對標(biāo)
待測軸流風(fēng)機(jī)安裝在導(dǎo)管內(nèi)，驅(qū)動電機(jī)安裝在風(fēng)扇下游。上游是一個內(nèi)壁安裝了吸聲材料的風(fēng)箱。風(fēng)箱內(nèi)部安裝了一個整流裝置確保風(fēng)扇入口的風(fēng)速和湍流強(qiáng)度保持均勻。通過風(fēng)箱上游的管路內(nèi)的蝶閥和輔助風(fēng)機(jī)來控制不同的流量。
試驗(yàn)裝置圖
軸流風(fēng)扇尺寸
7個B&K麥克風(fēng)，間隔30°均勻布置在風(fēng)扇中心上游1米半徑的圓周面上。
噪聲測點(diǎn)布置
風(fēng)扇性能參數(shù)
軸流風(fēng)扇入口
為了消除測試過程的隨機(jī)誤差，信號處理分別從5~8秒，10~13秒等時間片段采樣。從7個麥克風(fēng)位置的總聲壓級柱狀圖和平均聲壓級SPL曲線看，各個時間段采集的信號一致性較好。
7個麥克風(fēng)位置采集的聲譜圖信號，表明噪聲信號采樣的一致性。
CFD仿真模型描述
CFD模型包含了風(fēng)扇、風(fēng)箱、導(dǎo)管和安裝支架。導(dǎo)入虛擬麥克風(fēng)的空間坐標(biāo)文件（紅點(diǎn)）。在風(fēng)箱內(nèi)壁面設(shè)置多孔介質(zhì)區(qū)域，模擬聲學(xué)無反射壁面條件。
展開 
基于STAR-CCM+軸流風(fēng)葉 風(fēng)扇仿真分析 噪音優(yōu)化
空調(diào)作為量大面廣的家用電器之一，除給消費(fèi)者帶來制冷、制熱性作用以外，空調(diào)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪音直接關(guān)系到消費(fèi)的舒適性，因此，低噪風(fēng)葉正成為軸流風(fēng)葉設(shè)計(jì)的一個趨勢。從學(xué)科上來看，這類風(fēng)葉與工業(yè)用風(fēng)葉相比，一方面在結(jié)構(gòu)配置、設(shè)計(jì)方法和流動特性上有著很大不同；另一方面在性能上，雖然風(fēng)壓低但風(fēng)量范圍變化大且氣動及聲學(xué)的綜合性能要求高，故這類低壓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)并非易事。特別是在軸流風(fēng)扇形狀對噪音抑制方面需要進(jìn)行更深入研究。目前，軸流風(fēng)葉的設(shè)計(jì)主要基于實(shí)驗(yàn)和CFD 技術(shù)，隨著CFD 技術(shù)的成熟和普及，CFD 技術(shù)成為空調(diào)風(fēng)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要手段。本文利用CFD 技術(shù)對不同風(fēng)葉表面形狀和不同葉片外緣翹曲度的空調(diào)軸流風(fēng)葉方案進(jìn)行仿真分析，然后選擇最優(yōu)方案制作模卡，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，從而驗(yàn)證CFD仿真結(jié)果。
02
計(jì)算模型
本文以某空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)扇為研究對象，對軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，提高風(fēng)扇風(fēng)量同時降低風(fēng)扇氣動噪音。風(fēng)扇氣動噪音是空調(diào)外機(jī)噪音的一個主要來源，目前為了降低風(fēng)葉氣動噪音，風(fēng)葉外形在逐步進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，例如風(fēng)葉邊緣做成鋸齒狀，風(fēng)葉端面打孔，葉片增加“蜻蜓痣”等方法，通過大量實(shí)驗(yàn)證明仿生設(shè)計(jì)可以降低風(fēng)葉的氣動噪音。本文對風(fēng)葉外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研討風(fēng)葉外形與噪音的關(guān)系。
為節(jié)省計(jì)算時間，CFD 模擬僅對風(fēng)扇模型進(jìn)行分析，研討風(fēng)扇性能。優(yōu)化前風(fēng)葉幾何參數(shù)如表1所示。
展開 TCFD和CAESES耦合優(yōu)化案例-軸流風(fēng)扇
典型案例——軸流風(fēng)扇
風(fēng)扇制造商最典型的一個目標(biāo)就是開發(fā)一款新的高效風(fēng)扇，或者提升一款現(xiàn)有成熟風(fēng)扇的性能參數(shù)。我們選擇了一款現(xiàn)有的風(fēng)扇模型，來作為演示設(shè)計(jì)流程的案例，該風(fēng)扇主要性能參數(shù)如下所示：
該優(yōu)化案例有兩個優(yōu)化目標(biāo)：第一個是在流量576 m3/h到1296 m3/h范圍內(nèi)使得風(fēng)扇效率整體最大化；第二個是增大最大風(fēng)量。
優(yōu)化流程
首先需要創(chuàng)建風(fēng)扇幾何模型。CAESES提供了一個CAD環(huán)境，其中包括方便靈活的創(chuàng)建幾何變體，定義高效的參數(shù)化模型并輸出用于模擬的模型。之后，在TCFD中創(chuàng)建基于CAESES輸出模型的CFD模擬設(shè)置模板，并返回到CAESES的軟件連接器。最后，設(shè)置CAESES里的優(yōu)化策略，之后會自動生成不同的幾何變體并使用TCFD進(jìn)行模擬。
軸流風(fēng)扇參數(shù)化建模——CAESES
按CFD的計(jì)算需求創(chuàng)建軸流風(fēng)扇的流動域。整個幾何模型被劃分成轉(zhuǎn)子域和靜子域。為了節(jié)省計(jì)算資源提升模擬速度，流動域?yàn)橹话粋€葉片的單通道模型。參數(shù)化的幾何模型簡要總結(jié)如下：
靜子葉片數(shù)：12
靜子葉片幾何：固定
轉(zhuǎn)子葉片數(shù)：9
轉(zhuǎn)子葉片幾何參數(shù)：
CFD設(shè)置——TCFD
在TCFD的智能化GUI中，可以設(shè)置和保存模板化配置文件（*.tcfd）。
展開 公開課 |《軸流風(fēng)扇逆向建模》 干貨內(nèi)容搶先看
軸流風(fēng)扇的單流道和全六面體網(wǎng)格
通過Ansys的旋轉(zhuǎn)機(jī)械模塊，如BladeGen可抽取單個葉輪流道、TurboGrid可繪制葉形的全六面體網(wǎng)格，導(dǎo)入Fluent/CFX后即可計(jì)算風(fēng)扇的性能，Ansys的解決方案如下：
其中BladeGen可實(shí)現(xiàn)該過程的重要的風(fēng)扇設(shè)計(jì)參數(shù)提取，但在這之前，需要勇spaceclaim或其他三維CAD工具在原有的風(fēng)扇模型上，提取出如下子午面和翼型并導(dǎo)出igs文件，如某個軸流風(fēng)扇的提取過前后的對比如下：
在bladeGen中，通Data Import Wizard進(jìn)行該項(xiàng)逆向參數(shù)識別功能，如下圖：
Bladegen通過樹形菜單的stepbystep即可完成子午面參數(shù)、翼型、厚度的提取，Data Import Wizard識別完成結(jié)果如下：
Data Import Wizard識別完成后，可再次打開BladeGen進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，BladeGen打開的識別后的界面如下：
BladeGen可繼續(xù)導(dǎo)出單流道、或TurboGrid可識別的網(wǎng)格輸入幾何文件，在TurboGrid中可劃分全六面體的葉輪網(wǎng)格，這在其他工具中是很難做到的，甚至是不可能的，BladeGen導(dǎo)出過程和Turbogrid繪制的全六面體網(wǎng)格如下所示：
展開 CAESES在軸流風(fēng)扇性能優(yōu)化中的應(yīng)用
本文將結(jié)合某散熱風(fēng)扇案例重點(diǎn)介紹CAESES在軸流風(fēng)扇優(yōu)化中的應(yīng)用。
本案例中，在CAESES中建立軸流葉片全參數(shù)化模型，耦合CFX軟件建立自動化仿真流程，對風(fēng)扇葉片自動進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和仿真計(jì)算，并總結(jié)出各個參數(shù)對風(fēng)扇性能的影響，通過一系列的自動優(yōu)化，最終得到性能最優(yōu)的模型。
全參數(shù)化模型
CAESES中可以方便的定義各類參數(shù)化葉型模板，并可以對積疊規(guī)律進(jìn)行靈活控制。
本案例所選葉型截面曲線形狀變化示意如下圖所示：
針對葉片造型中的彎、掠參數(shù)，在CAESES中也進(jìn)行了相應(yīng)的控制。
本案例葉型截面曲線及徑向積疊規(guī)律主要設(shè)置參數(shù)如下：
Chord （弦長）
Max Camber（最大彎度）
Camber Pos（最大彎度位置）
Thickness （葉片厚度）
Stagger （安裝角）
Rake （軸向傾斜-掠角）Skew （周向傾斜-彎角）
Tip clearance （頂部徑向間隙）
Number （葉片數(shù)）
在CAESES中可以通過方程曲線來控制葉型的形狀及積疊位置參數(shù)沿徑向的分布規(guī)律。最終的操作方式是調(diào)整方程曲線的參數(shù)，控制方程曲線形狀發(fā)生變化，繼而影響葉片的形狀。
方程曲線影響葉片的形狀
自動化仿真優(yōu)化流程搭建
耦合CFX分析軟件，在CAESES中建立自動化的仿真流程，自動輸出模型，劃分網(wǎng)格，并進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。以固定轉(zhuǎn)速及壓力條件下的流量及靜壓效率（通過靜壓效率的提升來改善風(fēng)扇噪音水平）作為評估目標(biāo)，通過CAESES中的優(yōu)化算法來控制模型變化并最終得到性能提升的結(jié)果。
展開 【AICFD案例教程】軸流風(fēng)扇仿真分析
一、概 要
1）案例描述
本案例分析的是某軸流風(fēng)扇，模型包含出口導(dǎo)葉流到和轉(zhuǎn)子流道兩部分組成，模擬風(fēng)扇在入口速度為13.06m/s的工況下，風(fēng)扇流場流動分布及風(fēng)扇效率。本案例采用旋轉(zhuǎn)機(jī)械向?qū)Ｊ剑⒔Y(jié)合通用模式與旋轉(zhuǎn)機(jī)械專用后處理展示計(jì)算結(jié)果。
2）網(wǎng)格
六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量180萬。
圖1-1 網(wǎng)格模型
3）計(jì)算條件
入口速度：13.06m/s；出口靜壓：0Pa；轉(zhuǎn)速：3000rmp；湍流模型：SST k-omega；介質(zhì)：25°空氣。
FloEFD熱仿真分析之模型簡化（二）
FloEFD熱仿真分析之模型簡化（二）
CAE白堤
風(fēng)扇是一種流動邊界條件，可以再未指定邊界條件或調(diào)入邊界條件或熱源的所選固體表面上指定風(fēng)扇。
風(fēng)扇類型
根據(jù)風(fēng)扇的出風(fēng)方向，一般風(fēng)扇分為軸流風(fēng)扇、離心風(fēng)扇和混流風(fēng)扇；
軸流風(fēng)扇：
流體沿著扇葉的中心軸向進(jìn)入扇葉，沿扇葉的中心軸向流出；軸流風(fēng)扇的特點(diǎn)是風(fēng)量大、風(fēng)壓低，適合于系統(tǒng)壓力損失相對較小的場合；
離心風(fēng)扇：
流體沿著扇葉的中心軸向進(jìn)入扇葉，沿扇葉徑向流出；離心風(fēng)扇的特點(diǎn)是風(fēng)量小、風(fēng)壓高，適合于高系統(tǒng)阻抗特性及氣流進(jìn)出方向垂直的場合。
斜流風(fēng)扇：
流體沿著扇葉的中心軸向進(jìn)入扇葉，沿扇葉軸向及扇葉徑向流出；
根據(jù)風(fēng)扇所處的位置，一般風(fēng)扇分為外部風(fēng)扇、內(nèi)部風(fēng)扇
外部風(fēng)扇：
外部風(fēng)扇包括入口風(fēng)扇和出口風(fēng)扇，入口風(fēng)扇的流動方向是從風(fēng)扇到流體，出口風(fēng)扇的流動方向是從流體到風(fēng)扇；FloEFD將環(huán)境壓力條件定義為入口風(fēng)扇的總壓和出口風(fēng)扇的靜壓；
內(nèi)部風(fēng)扇：內(nèi)部風(fēng)扇具有出口面和入口面
風(fēng)扇特性：
風(fēng)扇特性主要涉及風(fēng)量、靜壓、風(fēng)扇特性曲線
風(fēng)量Q：是指扇葉每分鐘可吹動的空氣體積，單位立方尺/分（CFM）；
靜壓P：是指風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時所吹出的空氣如果不能自由流動所產(chǎn)生的壓力，單位mmH2O；
風(fēng)扇特性曲線（PQ曲線）：風(fēng)壓與風(fēng)量之間的關(guān)系；軸流風(fēng)扇特性曲線相對而言比較平坦，一般建議使軸流風(fēng)扇的工作點(diǎn)處于特性曲線的右側(cè)區(qū)域。離心風(fēng)扇特性曲線相對而言比較陡峭，一般建議工作點(diǎn)處于特性曲線的左側(cè)區(qū)域。
展開 葉輪機(jī)械氣動噪聲高級應(yīng)用公開課
第二天上午：
· Gutin噪聲模型分析方法介紹
介紹Gutin噪聲模型，以軸流風(fēng)扇的案例為參照，講解Gutin模型的實(shí)際應(yīng)用
· 旋轉(zhuǎn)槳空氣動力與氣動噪聲案例演示（Gutin噪聲模型）
以空氣旋轉(zhuǎn)槳為案例，詳細(xì)演示Gutin模型的操作方法，包括如何使用Gutin噪聲模型對噪聲進(jìn)行預(yù)測
第二天下午：
· 冷卻軸流風(fēng)扇聲學(xué)模擬的最佳實(shí)踐介紹與案例演示
以冷卻風(fēng)扇作為實(shí)例，演示并講解軸流風(fēng)扇內(nèi)部噪聲的分析方法，F(xiàn)FT傅里葉變換方法以及風(fēng)機(jī)葉片的氣動聲學(xué)優(yōu)化
· 離心風(fēng)機(jī)氣動噪聲源模擬與風(fēng)機(jī)出口排氣消聲器消聲案例演示
以離心風(fēng)機(jī)為案例演示，詳細(xì)介紹完整的聲學(xué)多物理場耦合工作流程（流體，結(jié)構(gòu)和聲學(xué)）
【報名鏈接】
關(guān)注上海安世亞太微*信*公*眾*號
回復(fù)【JS三月】即可報名
【小貼士】
1. 本次課程有上機(jī)操作環(huán)節(jié)，我們會準(zhǔn)備好電腦與軟件；若報名人數(shù)超額，則需部分學(xué)員攜帶自己的電腦，我們會為您裝好試用軟件。
2. 本次課程含工作午餐，不含其他食宿費(fèi)用。
3. 關(guān)注“上海安世亞太”微信公眾號，掌握最新資訊。
4. 課程報名及咨詢：021-58403100-816（程女士），E-Mail：sh.marketing@peraglobal.com
展開 
流場分析：基于STAR CCM+軸流風(fēng)葉仿真分析
空調(diào)作為量大面廣的家用電器之一，除給消費(fèi)者帶來制冷、制熱性作用以外，空調(diào)風(fēng)機(jī)系統(tǒng)噪音直接關(guān)系到消費(fèi)的舒適性，因此，低噪風(fēng)葉正成為軸流風(fēng)葉設(shè)計(jì)的一個趨勢。從學(xué)科上來看，這類風(fēng)葉與工業(yè)用風(fēng)葉相比，一方面在結(jié)構(gòu)配置、設(shè)計(jì)方法和流動特性上有著很大不同；另一方面在性能上，雖然風(fēng)壓低但風(fēng)量范圍變化大且氣動及聲學(xué)的綜合性能要求高，故這類低壓風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)并非易事。特別是在軸流風(fēng)扇形狀對噪音抑制方面需要進(jìn)行更深入研究。目前，軸流風(fēng)葉的設(shè)計(jì)主要基于實(shí)驗(yàn)和CFD 技術(shù)，隨著CFD 技術(shù)的成熟和普及，CFD 技術(shù)成為空調(diào)風(fēng)葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要手段。本文利用CFD 技術(shù)對不同風(fēng)葉表面形狀和不同葉片外緣翹曲度的空調(diào)軸流風(fēng)葉方案進(jìn)行仿真分析，然后選擇最優(yōu)方案制作模卡，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，從而驗(yàn)證CFD仿真結(jié)果。
02
計(jì)算模型
本文以某空調(diào)室外機(jī)軸流風(fēng)扇為研究對象，對軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，提高風(fēng)扇風(fēng)量同時降低風(fēng)扇氣動噪音。風(fēng)扇氣動噪音是空調(diào)外機(jī)噪音的一個主要來源，目前為了降低風(fēng)葉氣動噪音，風(fēng)葉外形在逐步進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，例如風(fēng)葉邊緣做成鋸齒狀，風(fēng)葉端面打孔，葉片增加“蜻蜓痣”等方法，通過大量實(shí)驗(yàn)證明仿生設(shè)計(jì)可以降低風(fēng)葉的氣動噪音。本文對風(fēng)葉外形進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，研討風(fēng)葉外形與噪音的關(guān)系。
為節(jié)省計(jì)算時間，CFD 模擬僅對風(fēng)扇模型進(jìn)行分析，研討風(fēng)扇性能。優(yōu)化前風(fēng)葉幾何參數(shù)如表1所示。
展開 STAR-CCM+乘用車?yán)鋮s風(fēng)扇氣動噪音研究
引言
純電動汽車的不斷普及，在消除了內(nèi)燃機(jī)噪聲的同時，使得冷卻風(fēng)扇的氣動噪聲問題受到更大的重視。并且，在具體的冷卻模塊設(shè)計(jì)中，為了滿足特定的通風(fēng)量要求，或者為了將雙風(fēng)扇合并為單風(fēng)扇，往往涉及到風(fēng)扇直徑的增大。但是，冷卻風(fēng)扇氣動噪聲值和風(fēng)扇直徑之間存在著重要的關(guān)系[1]，大直徑的風(fēng)扇意味著更大的氣動噪聲。
另一方面，近代仿生學(xué)研究表明，將如圖1所示的鳥類翅膀的宏觀非光滑外形，應(yīng)用于機(jī)翼及風(fēng)扇葉片等氣動機(jī)械造型中，有利于降低其氣動噪聲值[2-3]。所以，將仿生學(xué)成果應(yīng)用于電動汽車?yán)鋮s風(fēng)扇，進(jìn)行風(fēng)圖 1 鳥類翅膀非光滑形態(tài)示意圖扇氣動噪聲的優(yōu)化，或者在風(fēng)扇直徑增大時降低其氣動噪聲，無論是在理論研究和工程實(shí)際之中都具有重要的意義。
本文以 CFD（Computational Fluid Dynamics）理論為基礎(chǔ)，以商用CFD軟件star CCM?為主要研究工具，建立了軸流風(fēng)扇氣動噪聲計(jì)算方法。并應(yīng)用該方法對小直徑普通風(fēng)扇和大直徑仿生風(fēng)扇的氣動噪聲值進(jìn)行了計(jì)算，而且對仿生葉片風(fēng)扇的降噪機(jī)理進(jìn)行了深入的研究。
1. 風(fēng)扇氣動噪聲計(jì)算方法
1.1 計(jì)算幾何模型及網(wǎng)格
研究顯示，軸流風(fēng)扇的噪聲源包括干涉噪聲和自噪聲兩部分[4]。其中，干涉噪聲是指旋轉(zhuǎn)葉片與固定部件之間的流體干涉，以及風(fēng)扇上游部件導(dǎo)致的進(jìn)口湍流產(chǎn)生的噪聲；自噪聲的主要噪聲源為風(fēng)扇葉片的氣流分離、尾渦脫落和葉尖窩等。
針對乘用車?yán)鋮s風(fēng)扇而言，如圖2所示，風(fēng)扇由輪轂、葉片、和葉圈組成，葉圈與葉片固連在一起共同運(yùn)動。風(fēng)扇外部有風(fēng)扇框架，風(fēng)扇框架上與葉圈相對應(yīng)的部分為護(hù)風(fēng)圈。另外在散熱器風(fēng)扇上游存在發(fā)動機(jī)艙入口格柵、散熱器、冷凝器等部件，風(fēng)扇下游還有動力總成及其附件等結(jié)構(gòu)。所有這些結(jié)構(gòu)，都會對散熱器風(fēng)扇的氣動噪聲值產(chǎn)生不同程度的影響。
展開 一文get電子產(chǎn)品散熱仿真（內(nèi)含案例）
主動散熱（強(qiáng)制風(fēng)冷）
即強(qiáng)制對流的方式散熱，具體來說是就是采用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷。相較于被動散熱，主動散熱的優(yōu)點(diǎn)是散熱效果大大提升，缺點(diǎn)是增加成本，產(chǎn)生了噪音問題，以及風(fēng)扇性能在長期使用下存在不穩(wěn)定的風(fēng)險。
若必須采用強(qiáng)制風(fēng)冷的情況下，如何選擇風(fēng)扇成為關(guān)鍵。風(fēng)扇主要分為兩種，軸流風(fēng)扇（axial fan）和離心風(fēng)扇（radial fan），我們并非風(fēng)扇廠家，故本文僅供讀者做一些基本了解：
（左）軸流風(fēng)扇 （右）離心風(fēng)扇
軸流風(fēng)扇的特點(diǎn)是噪聲小，流量大，風(fēng)壓低。離心風(fēng)扇的特點(diǎn)剛剛好相反。離心風(fēng)扇雖然嚴(yán)格意義上講，更適合風(fēng)阻大的場合，比如筆記本電腦中，但是兩者的實(shí)際使用中并沒有特別嚴(yán)格的界限。
散熱問題的仿真
散熱問題的仿真，本質(zhì)上來說是對熱流固耦合（FSI）問題的求解，并且往往涉及整機(jī)結(jié)構(gòu)，尤其對于強(qiáng)制風(fēng)冷而言，因其涉及到湍流模型，更是復(fù)雜。這也無可避免使得設(shè)計(jì)師對精度有所擔(dān)憂，盡管如此，在工程應(yīng)用中，合理運(yùn)用好仿真工具，仍然是十分必要的設(shè)計(jì)手段。
軟件的選擇
在電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域，應(yīng)用最廣泛的是西門子的FLOTHERM軟件，此外，ANSYS的ICEPAK應(yīng)用也很廣泛。具體采用什么軟件，主要看自身的需求。
展開 Flotherm在模塊散熱影響方面的應(yīng)用
結(jié)合圖7~圖13風(fēng)扇中截面速度分布圖與溫度監(jiān)控點(diǎn)隨距離的變化關(guān)系曲線（圖3~圖6），我們可以看出，當(dāng)風(fēng)扇距散熱器為一個風(fēng)扇的HUB直徑時，由于HUB存在而導(dǎo)致的不均勻流場可以得到較大程度上的改善，雖然流場分布還是存在一定程度上的不均勻，但是表現(xiàn)在散熱器上功率元器件的殼溫，卻沒有顯著的變化，從而形成這一漸近的變化趨勢曲線。由此我們可以得出以下結(jié)論：
1、風(fēng)扇強(qiáng)迫吹風(fēng)冷卻時，在冷卻風(fēng)扇出口下游處，造成流場不均勻的主要因素主要是風(fēng)扇HUB的存在，其次才是流體流經(jīng)軸流風(fēng)扇后的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。
2、該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，為了能夠獲得散熱器的最大散熱能力，我們必須要保證冷卻風(fēng)扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個風(fēng)扇HUB的直徑。但是，一旦該距離超過一個風(fēng)扇的外形直徑后，對下游流場均勻程度的貢獻(xiàn)已經(jīng)微乎其為，可以不用考慮該因素造成影響散熱器散熱能力這一因素。
3、如果在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，無法保證冷卻風(fēng)扇出口截面與散熱器間的距離至少大于一個風(fēng)扇HUB的直徑，則必須要求在風(fēng)扇與散熱器間安裝整流柵。
展開 