转子结构对风扇性能和内部流动的影响研究

论文摘要

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—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Sunon公司的AC风扇系列产品型号为SF23092A和SF23080AT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SF23092A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UG中逆向建模获得风扇的几何模型,用Gambit软件里的Turbo模块建立风扇的流道并划分网格,采用RNG k-ε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SF23092A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-ε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LES的初场计算非定常压力场,在压力场动能稳定后基于LES采用精确的Ffowcs williams—Hawkings方程计算声场,将时域谱应用FFT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RNG k-ε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—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。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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 术语表
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 叶轮机械内部流动研究的现状和发展
• 1.2.1 数值模拟方法的进展
• 1.2.2 叶轮机械内部流场的研究
• 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
• 1.3.2 噪声预测方法及降低风扇噪声
• 1.4 本论文的主要工作及意义
• 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
• 2.2 双转子风扇模型建立
• 2.3 数值计算前处理
• 2.4 数值计算方法及边界条件
• 2.5 风扇性能实验
• 2.6 本章小结
• 第三章 单转子风扇结构参数对风扇性能及内部流场的影响
• 3.1 单转子风扇性能和内部流场分析
• 3.1.1 单转子风扇静特性分析
• 3.1.2 单转子风扇压力分布
• 3.1.3 单转子风扇速度分布
• 3.1.4 小结
• 3.2 轮毂比对风扇性能和内部流动的影响研究
• 3.2.1 轮毂比对风扇静特性的影响分析
• 3.2.2 轮毂比对风扇内部流动的影响分析
• 3.2.3 轮毂比对风扇噪声的影响分析
• 3.2.4 小结
• 3.3 叶片数对风扇性能和内部流动的影响研究
• 3.3.1 叶片数对风扇静特性的影响分析
• 3.3.2 叶片数对风扇内部流动的影响分析
• 3.3.3 叶片数对风扇噪声的影响分析
• 3.3.4 小结
• 第四章 双转子风扇内部流动数值模拟及气动噪声分析
• 4.1 双转子风扇的静特性分析
• 4.2 转子级间间距对双层反转风扇性能的影响
• 4.2.1 双层反转风扇在不同间距下的静特性
• 4.2.2 双层反转风扇在不同间距下总压分布
• 4.2.3 双层反转风扇在不同间距下涡流噪声
• 4.3 转子间隙对双层反转风扇性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结和展望
• 5.1 全文总结
• 5.1.1 双层反转风扇在不同间距下的静特性
• 5.1.2 双层反转风扇在不同间距下的静特性
• 5.1.3 双层反转风扇在不同间距下的静特性
• 5.2 本文主要创新
• 5.3 今后工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读研究生期间发表论文