基于CFX的电动工具马达风扇特性研究

摘要

电动工具是一种机械化工具，它由电动机或电磁铁作为动力，通过传动机构驱动工作头进行作业。由于消费习惯区别，电动工具一直以来都在欧美日等发达国家占有相当大的市场份额，随着制造业在我国的蓬勃发展，国内电动工具市场持续扩张。随着市场竞争越来越激烈，电动工具技术升级越来越受到重视，更多的技术应用于电动工具品质的提升，包括提高效率、拓展功能、降低噪音、提高散热等。
　　马达风扇是电动工具最主要的散热结构，其散热原理是风扇旋转时叶片对空气施加力的作用，在流道内产生强制对流，通过空气的流动带走流道内的热量，以达到散热的目的，其结构参数是影响风扇风量的根本因素。电动工具工作时会产生很大的噪声，主要包括由机械结构工作产生的机械噪声和由风扇工作时产生的气动噪声两部分，其中机械结构噪声远小于风扇产生的气动噪声，而风扇结构参数的改变会极大地影响气动噪声。因此，研究不同结构参数时风扇风量以及噪声特性对于指导工程设计、提高散热效率、降低风扇噪声有着极为重要的意义。
　　本文主要研究不同结构参数对于电动工具马达风扇性能的影响，基于计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)数值模拟的方法安排仿真实验，获得完备的风扇性能影响曲线，其中，通过将仿真数据与特定结构参数风扇的实验数值进行对比来验证仿真模型的准确性。首先，合理安排仿真实验，通过逆向成型原理建立流道三维模型，然后在ICEM CFD中完成风扇流道模型的网格划分，并在CFX中完成风扇的旋转仿真，针对不同结构参数的风扇流道，需要重复完成建模、网格划分和旋转仿真过程。
　　对实验数据进行统计，计算不同结构参数时的风量值，作为评价风扇性能的指标之一。采用多项式回归的方法对实验数据进行统计分析，拟合不同结构参数对风量的影响关系曲线，获得定量或者定性的数学关系，并根据风扇旋转时的气动特性，分析风量的变化机理。对仿真实验所获得的噪声数据进行分析，横向研究了不同结构参数对于风扇噪声特性（包括整体噪声、离散噪声和宽频带噪声）的影响，纵向研究了特定风扇尺寸下叶片以及流道的噪声特性，包括声压分布、离散频率声强分布以及噪声指向性等，并通过分析边界层分离、涡流区的形成来分析结构参数对风扇噪声的影响机理。
　　本文得到的数据结果可以为工程设计提供直接指导，以降低工程设计中的工作量和盲目性;对于风扇风量和气动噪声特性变化机理的研究，可为工程设计和下一步的研究提供理论依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 课题研究意义

1．3 课题国内外研究现状

1．3．1 计算流体力学研究进展

1．3．2 国内外电动工具马达风扇特性研究现状

1．4 论文的技术路线和框架

1．5 本文的主要工作

第二章 马达风扇结构与气动噪声基础

2．1 马达风扇简介

2．1．1 流体机械分类

2．1．2 电动工具马达风扇简介

2．2 风扇的主要性能参数与结构参数

2．2．1 风扇的主要性能参数

2．2．2 马达风扇的主要结构参数

2．3 风扇的噪声

2．3．1 噪声的物理量度

2．3．2 风扇的噪声源

2．3．3 风扇的空气动力噪声

2．4 离心式通风机的基本方程

2．4．1 叶道进出口速度三角形

2．4．2 叶片式流体机械的基本方程

第三章 风扇流道CAD建模与工作状态实验

3．1 实测角磨机简介

3．2 基于实测数据的三维模型构建

3．2．1 角磨机马达风扇及流道数据实测

3．2．2 CAD三维模型建立

3．2．3 STP格式文件的获取

3．3 风扇工作状态实验及数据采集

第四章 风扇流道网格划分及数值模拟实验

4．1 模型网格划分

4．1．1 ICEM CFD软件简介

4．1．2 网格的划分要求与形式选用

4．1．3 网格的划分

4．1．4 网格的局部加密及整体优化

4．2 风扇旋转数值仿真

4．2．1 ANSYS CFX软件简介

4．2．2 计算流体力学湍流模型选择

4．2．3 Lowson噪声模型的校核与选用

4．2．4 仿真参数设定及数值模拟

4．3 数值模拟准确性验证与误差分析

4．4 不同结构参数的数值仿真实验

4．5 本章小结

第五章 仿真结果分析与探究

5．1 仿真数据统计方法

5．1．1 最小二乘法原理

5．1．2 一元多项式回归

5．2 结构参数对于风量的影响分析

5．2．1 马达风扇散热原理

5．2．2 叶片数对风量的影响

5．2．3 叶片高度对风量的影响

5．2．4 叶片倾角及曲率对风量的影响

5．2．5 叶轮直径对风量的影响

5．3 风扇气动噪声特性分析

5．3．1 风扇离散频率噪声特性分析

5．3．2 基于Proudman理论的宽频带噪声特性分析

5．3．3 风扇整体噪声特性分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 后续工作展望

参考文献

致谢