小型轴流风扇气动噪声特性及性能优化研究

摘要

小型轴流风扇通常作为服务器、投影仪等电子通信产品的首选散热部件，其性能和噪声状况往往决定了电子通信产品的使用寿命和运行环境的舒适度。随着电子通信产品的更新换代，其对风扇性能和噪声水平的要求越来越高，因此开展小型风扇气动性能和噪声特性的研究对解决电子通信产品的散热和噪声问题具有很强的现实意义。
　　本文以小型轴流风扇为研究对象，对其气动性能和噪声特性开展计算和实验研究。首先探讨了该风扇模型的静特性和内部流动规律，分析了叶片数对风扇静特性及内部流场的影响，揭示了不同流量工况下的风扇内部流动特性以及额定流量工况下的风扇内部温度场特性;其次基于风扇内部流动特性推导出额定工况下风扇的气动噪声特性，发展了适用于小型轴流风扇的远场噪声预测模型，分析了叶片数对风扇气动噪声特性的影响;而后提出小型轴流风扇多目标性能优化策略，建立了以叶片数和轮毂比等结构参数为优化变量、风扇效率和噪声为优化目标的优化函数;再次提出了风扇结构降噪措施，并进一步提出降噪系数来定量评价风扇降噪措施的降噪效果;最后开展了不同结构风扇的静特性、噪声以及内部流场实验研究，证实了本论文计算方法的可行性和结论的有效性。
　　论文的主要研究工作和主要结论如下:
　　(1)确立了小型轴流风扇的内部流动特征和内部温度场分布规律。在对比几种类型风扇静特性的基础上，选择效率最佳的风扇，分析其在不同流量工况下内部流场和额定流量工况下温度场的分布规律;运用压力、速度、涡量和涡核运动轨迹相结合的方法确定了风扇在不同流量工况下的内部流动特征;探讨了风扇内部流场和温度场之间的相互影响关系，定性分析了风扇内部温度场在不同时刻的变化趋势，并引入风扇对流换热系数，定量分析了风扇内部流场的对流换热能力。
　　(2)进行了小型轴流风扇气动噪声特性及噪声预测的数值计算。运用涡声理论和宽频噪声模型，发现小型轴流风扇的气动噪声源主要分布在风扇叶片附近，并且确定尾缘涡脱落噪声和叶顶泄漏噪声是小型轴流风扇的主要气动噪声源;通过引入压力脉动功率谱的分析方法，确定风扇气动噪声源的主要影响频段范围一直在30Hz-200Hz之间和风扇的基频及谐波处，其中能够传递到远场的气动噪声主要影响频段在30Hz-200Hz之间。利用Strouhal数分析法，可以确定频段在30Hz-200Hz之间的气动噪声主要来源是由于风扇叶片附近边界层分离引起旋涡脱落造起的。通过引入螺旋度开展风扇叶片尾迹流特征宽度的数值计算，并选取出口截面距离风扇中心点7mm处的尾迹流特征宽度为样本值，在此基础上结合Fukano涡脱落噪声预测模型开展了小型轴流风扇的远场气动噪声预测，预测值与实验值相差0.39dB，这证实了该方法的可行性。
　　(3)提出并验证了适用于小型轴流风扇的多目标性能优化策略。即以某一单目标最优为切入点选择若干结构参数制定正交试验方案，筛选对该目标影响程度大的几个结构参数组成多目标优化变量，利用响应面法和熵权法相结合建立优化变量与多目标之间的优化函数，选择优化函数最大值对应的结构参数组成优化叶型。实验数据表明:优化叶型不仅提升了风扇的静特性，而且降噪效果十分明显。因此，本文提出的优化方法是有效的。
　　(4)提出了降噪系数定量评价小型轴流风扇结构降噪措施的降噪效果。分流叶片、叶根中空、叶片尾缘齿形和叶片压力面凸缘等风扇降噪措施的设计不仅保证了风扇静特性几乎无损失，而且实现了风扇局部频段的降噪效果。其中降噪效果最好的降噪措施是分流叶片，其次是叶片压力面凸缘，而后是叶片尾缘齿形，最后是叶根中空。提出了降噪系数物理量，通过对上述降噪措施的设计和对比试验，验证了降噪系数定量评价上述降噪措施降噪效果的正确性。
　　(5)开展了风扇的静特性实验、内部流场实验以及噪声实验研究。利用实验验证了对风扇开展定常数值计算以及噪声数值计算的有效性，验证了风扇的远场气动噪声特性，得到了叶片数对风扇静特性的影响规律，发现优化叶型的内部流动状况要明显优于风扇原型的内部流动状况。通过转速—声压曲线实验和指向性分布实验可以判断小型轴流风扇的气动噪声为典型的偶极子源。引入三次样条插值和流量增量函数相结合的方法较好的解决了不同流量下的小型轴流风扇的噪声测试问题，并且风扇噪声声压级随流量的增加呈现先增大后下降的趋势。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 与本文相关的研究现状

1．2．1 风机内部流动研究现状

1．2．2 风机气动噪声研究现状

1．2．3 风机气动性能优化研究

1．3 论文主要研究目标和内容

1．3．1 论文的研究目标

1．3．2 论文的研究内容

第二章 小型轴流风扇内部流场数值模拟及静特性分析

2．1 风扇模型与求解方法

2．1．1 风扇模型

2．1．2 控制方程

2．1．3 计算域与网格

2．1．4 数值求解方法及边界条件

2．2 风扇静特性和内部流动特征分析

2．2．1 风扇静特性分析

2．2．2 风扇内部流动特征分析

2．2．3 风扇内部温度场分析

2．3 叶片数对风扇静特性和内部流场的影响

2．4 本章小结

第三章 小型轴流风扇气动噪声特性的数值计算

3．1 风扇气动噪声源分析

3．1．1 涡声理论应用

3．1．2 风扇气动噪声源声功率分布

3．2 风扇气动噪声特性分析

3．3 风扇远场气动噪声预测

3．4 叶片数对风扇气动噪声特性的影响

3．5 本章小结

第四章 小型轴流风扇性能优化策略及结果分析

4．1 优化变量的确定

4．1．1 影响风扇性能的结构参数

4．1．2 优化变量的确定

4．2 风扇多目标性能优化策略

4．2．1 响应曲面建模

4．2．2 试验结果分析

4．2．3 多目标优化模型的建立

4．3 优化叶型性能及内部流场分析

4．3．1 静特性分析

4．3．2 气动噪声分析

4．3．3 内部流场分析

4．4 本章小结

第五章 小型轴流风扇降噪措施

5．1 降噪系数的提出

5．2 非规则叶型的设计及降噪效果

5．2．1 非规则叶型的设计

5．2．2 非规则叶型的降噪效果

5．3 分流叶片的设计及降噪效果

5．3．1 分流叶片的设计

5．3．2 分流叶片的降噪效果

5．4 叶根中空的设计及降噪效果

5．4．1 叶根中空的设计

5．4．2 叶根中空的降噪效果

5．5 本章小结

第六章 小型轴流风扇气动性能及内部流场实验研究

6．1 风扇静特性实验

6．1．1 风扇实验装置及测试系统

6．1．2 试验结果分析

6．2 风扇气动噪声实验

6．2．1 气动噪声测试装置及测试方法

6．2．2 噪声测试结果分析

6．3 风扇内部流场实验

6．3．1 热线测速系统及测速方法

6．3．2 试验结果分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 本文研究工作总结

7．2 后续研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的相关研究成果

致谢