小型轴流风扇流场数值分析及其优化降噪设计和制造研究

摘要

小型轴流风扇是一种使用量大、应用面广的通用机械产品。由于这类风扇在使用过程中靠近人体，因此在不影响其通风效率的前提下进行优化降噪，具有重要的研究意义。
　　 研究过程中，以CPU风扇为对象，运用CFD技术，结合正交试验法，对叶轮叶型进行多参数组合优化降噪。运用模具CAD/CAM/CAE技术，对风扇优化模型进行模具设计和制造。主要研究工作和结果如下：
　　 1．综述轴流风扇在工程设计、提升内部流动性能和降低气动噪声等方面的国内外发展现状。列举叶轮叶栅中的涡流组成，详细介绍改变叶型以降低风扇噪声的多种方案。系统阐述轴流风扇的工作原理，额定工作状态下叶栅内部的涡系结构，风扇的噪声构成和声源分类，以及风扇噪声的产生机理、估算方法和数值计算基础。
　　 2．以FLUENT为平台，阐述CFD技术的求解过程、关键算法及湍流模型。分别对风扇的气动性能和气动噪声进行数值模拟，分析风扇外部和叶轮叶栅内部的流体流动特性、气动噪声成因及对应的降噪方法。
　　 3．以正交试验法和FLUENT软件为平台，对风扇叶轮叶型优化降噪进行了比较深入的研究。设计正交试验的因素、水平，通过FLUENT软件对16组试验模型进行流量和噪声求解。对试验结果进行极差分析，绘制各因素对试验指标的影响趋势图并对各因素对指标的影响程度进行排序。得到噪声优化模型，经分析该模型较风扇原型声压级减小，且流量略有增大。
　　 4．对风扇优化模型进行实验验证，实验对象采用快速成型。结果表明：风扇正前方375mm处，快速成型的风扇原型相对风扇原件噪声声压级增大1.56dB;实验测试数据与数值计算结果有1～2.5dB偏差；风扇优化模型较风扇原型噪声声压级下降，跟数值计算结果基本相符，有较好的降噪效果。
　　 5．对风扇优化模型进行了模具设计，设计过程中以低翘曲变形为目标，采用正交试验法求得模具注塑工艺参数优化组合。制定复杂部件的加工工艺流程，并进行计算机辅助数控编程。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 涡流噪声与叶栅中的涡流构成

1.2.2 改变叶型以降低风扇噪声

1.2.3 基于CFD软件的风扇流场模拟与噪声预估

1.3 研究意义及研究内容

1.3.1 研究意义

1.3.2 研究内容

1.3.3 叶型优化研究方案

1.3.4 叶型优化技术路线图

1.4 本章小结

第2章 叶片的表面流动与噪声

2.1 引言

2.2 轴流风扇机理

2.3 风扇内部流动

2.3.1 起动涡与停止涡

2.3.2 叶轮叶栅内的涡系结构

2.3.3 叶尖涡

2.4 风扇噪声

2.4.1 噪声的构成

2.4.2 声源的分类

2.4.3 风机噪声频谱特性分类

2.4.4 风机的声功率级估算

2.4.5 风扇噪声产生机理及数学表述

2.5 本章小结

第3章 风扇CFD数值分析

3.1 引言

3.2 CFD技术与FLUENT

3.3 CFD求解

3.2.1 控制方程

3.2.2 初始条件、边界条件及网格的划分

3.2.3 控制方程离散

3.2.4 求解离散方程

3.3 三维湍流模型在CFD中的应用

3.3.1 大涡模拟(LES)

3.3.2 RNGk-ε两方程模型

3.3.3 FLUENT气动声学

3.4 风扇计算模型的建立

3.4.1 计算域和网格划分

3.4.2 边界条件和湍流模型

3.5 计算结果及分析

3.5.1 风扇叶轮的气动性能

3.5.2 风扇叶轮的气动噪声

3.6 本章小结

第4章 CPU风扇叶型优化降噪研究

4.1 引言

4.2 正交试验法

4.2.1 正交表的特点

4.2.2 正交表的选取原则

4.2.3 分析方法

4.3 正交试验表设计

4.3.1 因素及水平的选取

4.3.2 试验结果

4.3.3 正交试验极差分析

4.4 本章小结

第5章 噪声实验测试及结果分析

5.1 引言

5.2 快速成型

5.3 实验测试

5.3.1 测量条件

5.3.2 实验设备

5.4 结果分析

5.5 本章小结

第6章 模具设计制造与注塑成型工艺参数优化

6.1 引言

6.2 模具设计

6.2.1 型芯型腔设计

6.2.2 浇注系统、冷却系统的设计和模具流动分析

6.2.3 整体模具设计

6.3 注塑成型工艺参数优化

6.3.1 正交仿真试验

6.3.2 工艺参数对翘曲量的影响分析

6.4 模具关键部件制造

6.5 本章小结

第7章 结论与展望

7.1 结论

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间参加的科研项目和成果