小型軸流風扇氣動噪聲特性及性能優(yōu)化研究.pdf

1、小型軸流風扇通常作為服務器、投影儀等電子通信產(chǎn)品的首選散熱部件，其性能和噪聲狀況往往決定了電子通信產(chǎn)品的使用壽命和運行環(huán)境的舒適度。隨著電子通信產(chǎn)品的更新?lián)Q代，其對風扇性能和噪聲水平的要求越來越高，因此開展小型風扇氣動性能和噪聲特性的研究對解決電子通信產(chǎn)品的散熱和噪聲問題具有很強的現(xiàn)實意義。
　　本文以小型軸流風扇為研究對象，對其氣動性能和噪聲特性開展計算和實驗研究。首先探討了該風扇模型的靜特性和內部流動規(guī)律，分析了葉片數(shù)對風扇靜

2、特性及內部流場的影響，揭示了不同流量工況下的風扇內部流動特性以及額定流量工況下的風扇內部溫度場特性;其次基于風扇內部流動特性推導出額定工況下風扇的氣動噪聲特性，發(fā)展了適用于小型軸流風扇的遠場噪聲預測模型，分析了葉片數(shù)對風扇氣動噪聲特性的影響;而后提出小型軸流風扇多目標性能優(yōu)化策略，建立了以葉片數(shù)和輪轂比等結構參數(shù)為優(yōu)化變量、風扇效率和噪聲為優(yōu)化目標的優(yōu)化函數(shù);再次提出了風扇結構降噪措施，并進一步提出降噪系數(shù)來定量評價風扇降噪措施的降噪效

3、果;最后開展了不同結構風扇的靜特性、噪聲以及內部流場實驗研究，證實了本論文計算方法的可行性和結論的有效性。
　　論文的主要研究工作和主要結論如下:
　　(1)確立了小型軸流風扇的內部流動特征和內部溫度場分布規(guī)律。在對比幾種類型風扇靜特性的基礎上，選擇效率最佳的風扇，分析其在不同流量工況下內部流場和額定流量工況下溫度場的分布規(guī)律;運用壓力、速度、渦量和渦核運動軌跡相結合的方法確定了風扇在不同流量工況下的內部流動特征;探討了風扇

4、內部流場和溫度場之間的相互影響關系，定性分析了風扇內部溫度場在不同時刻的變化趨勢，并引入風扇對流換熱系數(shù)，定量分析了風扇內部流場的對流換熱能力。
　　(2)進行了小型軸流風扇氣動噪聲特性及噪聲預測的數(shù)值計算。運用渦聲理論和寬頻噪聲模型，發(fā)現(xiàn)小型軸流風扇的氣動噪聲源主要分布在風扇葉片附近，并且確定尾緣渦脫落噪聲和葉頂泄漏噪聲是小型軸流風扇的主要氣動噪聲源;通過引入壓力脈動功率譜的分析方法，確定風扇氣動噪聲源的主要影響頻段范圍一直在3

5、0Hz-200Hz之間和風扇的基頻及諧波處，其中能夠傳遞到遠場的氣動噪聲主要影響頻段在30Hz-200Hz之間。利用Strouhal數(shù)分析法，可以確定頻段在30Hz-200Hz之間的氣動噪聲主要來源是由于風扇葉片附近邊界層分離引起旋渦脫落造起的。通過引入螺旋度開展風扇葉片尾跡流特征寬度的數(shù)值計算，并選取出口截面距離風扇中心點7mm處的尾跡流特征寬度為樣本值，在此基礎上結合Fukano渦脫落噪聲預測模型開展了小型軸流風扇的遠場氣動噪聲預測

6、，預測值與實驗值相差0.39dB，這證實了該方法的可行性。
　　(3)提出并驗證了適用于小型軸流風扇的多目標性能優(yōu)化策略。即以某一單目標最優(yōu)為切入點選擇若干結構參數(shù)制定正交試驗方案，篩選對該目標影響程度大的幾個結構參數(shù)組成多目標優(yōu)化變量，利用響應面法和熵權法相結合建立優(yōu)化變量與多目標之間的優(yōu)化函數(shù)，選擇優(yōu)化函數(shù)最大值對應的結構參數(shù)組成優(yōu)化葉型。實驗數(shù)據(jù)表明:優(yōu)化葉型不僅提升了風扇的靜特性，而且降噪效果十分明顯。因此，本文提出的優(yōu)化

7、方法是有效的。
　　(4)提出了降噪系數(shù)定量評價小型軸流風扇結構降噪措施的降噪效果。分流葉片、葉根中空、葉片尾緣齒形和葉片壓力面凸緣等風扇降噪措施的設計不僅保證了風扇靜特性幾乎無損失，而且實現(xiàn)了風扇局部頻段的降噪效果。其中降噪效果最好的降噪措施是分流葉片，其次是葉片壓力面凸緣，而后是葉片尾緣齒形，最后是葉根中空。提出了降噪系數(shù)物理量，通過對上述降噪措施的設計和對比試驗，驗證了降噪系數(shù)定量評價上述降噪措施降噪效果的正確性。
　

8、　(5)開展了風扇的靜特性實驗、內部流場實驗以及噪聲實驗研究。利用實驗驗證了對風扇開展定常數(shù)值計算以及噪聲數(shù)值計算的有效性，驗證了風扇的遠場氣動噪聲特性，得到了葉片數(shù)對風扇靜特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化葉型的內部流動狀況要明顯優(yōu)于風扇原型的內部流動狀況。通過轉速—聲壓曲線實驗和指向性分布實驗可以判斷小型軸流風扇的氣動噪聲為典型的偶極子源。引入三次樣條插值和流量增量函數(shù)相結合的方法較好的解決了不同流量下的小型軸流風扇的噪聲測試問題，并且風扇噪