一种风扇的设计方法以及对应的风扇

摘要

本发明公开了一种风扇的设计方法，包括以下步骤：获取风扇叶片的多个不同预设高度的叶高截面并分别针对叶高截面叶型进行气动仿真；根据气动仿真得到的阻力系数曲线确定每一个预设高度下对应的分离点并根据每一个预设高度下对应的分离点确定吸力面上第一列凹槽的位置；根据所述叶片尾缘的厚度和凹槽的深度确定最后一列凹槽的位置；基于所述第一列凹槽的位置和所述最后一列凹槽的位置确定若干列中间凹槽的位置。本发明还公开了一种风扇。本发明提出的方案通过在扇叶吸力面上采用凹槽设计结构，在保障扇叶负荷前提下能够抑制扇叶表面流动分离、延缓甚至避免失速现象发生，有效降低了气体流动过程中的阻力。

说明书

技术领域

本发明涉及风扇领域，具体涉及一种风扇的设计方法以及对应的风扇。

背景技术

轴流风扇作为服务器风冷散热系统的主要元器件之一，为不断提高风量、风压以满足系统越来越高的散热需求，同时需兼顾到服务器对于风扇噪声及功耗的限制，研究人员一直在探索有限空间下风扇性能的极限。服务器用电子散热风扇属于高压轴流通风机范畴，其作用机理是通过扇叶旋转对气流做功，将扇叶机械能转换为气流的动能及压力能，为了实现更高的风量及风压，电子风扇的扇叶设计不断向着高负荷方向发展。然而，对于轴流风机来说，其内部固有的逆压梯度本就使得边界层流体极易发生分离，随着逆压梯度进一步增加，会发生失速现象，气流的阻力也会急剧增加，引起扇叶通道堵塞，严重影响到风扇的气动性能，导致风扇的高效工作范围变窄，表现在服务器上就是风扇带来的风量及风压降低、耗电量增加，且涡流噪声部分也会增加。基于目前电子风扇进一步增加负荷以提供更大风量、更高风压的需求，上述问题会变得更加严重。

在电子散热风扇设计领域，主要还是采用传统叶型造型优化方法、调整扇叶叶型负荷分配这两种方式来抑制扇叶表面流动分离、延缓失速现象发生，但是近两年来也有研究中提出了一些新型抑制流动分离的方法，例如在专利CN113757170 A中通过提高叶型折转角增加扇叶负荷，扇叶负荷增加可提高扇叶对于气流做功能力，从而增加风量和风压，然而同时也会带来流动分离增加，引起气动效率降低、气动噪声增加，因此，在此基础上，提出自压力面一侧贯穿至吸力面一侧的穿孔设计，即在扇叶上打孔，孔会贯穿扇叶的压力面及吸力面，打孔可有效抑制流动分离，从而达到降低噪声、降低功耗的目的，因而此专利出发点是在提高扇叶负荷前提下，再结合打孔设计，其目的在于提升高负荷扇叶的工作性能上限，并不是拓宽风扇的有效工作范围。此外，小孔在设计的过程中涉及孔的直径、角度及位置分布，因为这些参数对应小孔的作用效果非常重要，但是在进行小孔几何参数设计过程中，还需进行参数化研究，不同扇叶流动工况需反复迭代从而导致设计周期较长，同时由于风扇叶片的厚度较薄，穿孔设计容易导致风扇叶片的强度降低。

因此，如何在保障扇叶负荷前提下有效控制扇叶表面气流的分离，推迟甚至避免失速现象的发生从而拓宽风扇的有效工作范围，是目前提高叶型及扇叶气动性能亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，为了克服上述问题的至少一个方面，本发明实施例提出一种风扇的设计方法，包括以下步骤：

获取风扇叶片的多个不同预设高度的叶高截面并分别针对叶高截面叶型进行气动仿真；

根据气动仿真得到的阻力系数曲线确定每一个预设高度下对应的分离点并根据每一个预设高度下对应的分离点确定吸力面上第一列凹槽的位置；

根据所述叶片尾缘的厚度和凹槽的深度确定最后一列凹槽的位置；

基于所述第一列凹槽的位置和所述最后一列凹槽的位置确定若干列中间凹槽的位置。

在一些实施例中，根据气动仿真得到的阻力系数曲线确定每一个预设高度下对应的分离点并根据每一个预设高度下对应的分离点确定第一列凹槽的位置，进一步包括：

根据每一个预设高度下对应的分离点在所述叶高截面叶型的轴向弦长的位置以及叶型安装角确定第一列凹槽在所述叶片上的弦长位置。

在一些实施例中，基于所述第一列凹槽的位置和所述最后一列凹槽的位置确定若干列中间凹槽的位置，进一步包括：

在所述第一凹槽对应的轴向弦长的位置和所述最后一列凹槽对应的轴向弦长的位置之间沿着轴向弦长方向等距分割；

根据所述叶型安装角和每一个切割点在轴向弦长上的位置确定所述若干列中间凹槽在所述叶片上的弦长位置。

在一些实施例中，获取风扇叶片的多个不同预设高度的叶高截面并分别针对叶高截面叶型进行气动仿真，进一步包括：

获取风扇叶片的第一预设叶高、第二预设叶高、第三预设叶高的截面并分别针对叶高截面叶型进行气动仿真。

在一些实施例中，根据气动仿真得到的阻力系数曲线确定每一个预设高度下对应的分离点并根据每一个预设高度下对应的分离点确定第一列凹槽的位置，进一步包括：

根据获取到的风扇叶片的三个预设高度对应的分离点确定第一列凹槽中三个凹槽的弦长位置；

以三个凹槽的弦长位置为基础进行插值得到所述第一列凹槽中其他凹槽的弦长位置。

在一些实施例中，还包括：

将每一列凹槽设计为在10％～90％叶高范围内均布。

在一些实施例中，还包括：

将每一列的凹槽设计为沿着叶高方向交错分布。

在一些实施例中，还包括：

将所述凹槽设计为半圆状。

在一些实施例中，还包括：

设计每一个凹槽的深度为0.2mm-0.5mm，直径为深度的3-5倍。

基于同一发明构思，根据本发明的另一个方面，本发明的实施例还提供了一种风扇，包括多个叶片，每一个叶片的吸力面上均设置有多列凹槽，其中每一列凹槽在叶片上的位置通过如上述任一实施例所述的方法得到。

本发明具有以下有益技术效果之一：本发明提出的方案通过在扇叶吸力面上采用凹槽设计结构，在保障扇叶负荷前提下能够抑制扇叶表面流动分离、延缓甚至避免失速现象发生，有效降低了气体流动过程中的阻力，从而达到提升风扇风量、风压、降低宽频气动噪声及降低功耗目的。同时本专利中提出的凹槽设计方法可以更高效率、更短时间获得具有正向流动控制效果的凹槽方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1为本发明的实施例提供的风扇的设计方法的流程示意图；

图2为本发明的实施例提供的不同配置2U服务器系统阻抗在风扇P-Q曲线上工作点覆盖范围示意图；

图3为扇叶吸力面侧凹槽作用原理及凹槽参数示意图；

图4为50％叶高截面处叶型叶高截面叶型的阻力系数C

图5为不同叶高截面处吸力面上第一排凹槽示意图；

图6为球形凹槽深度h及直径d定义示意图；

图7为本发明的实施例提供的风扇的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

根据本发明的一个方面，本发明的实施例提出一种风扇的设计方法，如图1所示，其可以包括步骤：

S1，获取风扇叶片的多个不同预设高度的叶高截面并分别针对叶高截面叶型进行气动仿真；

S2，根据气动仿真得到的阻力系数曲线确定每一个预设高度下对应的分离点并根据每一个预设高度下对应的分离点确定吸力面上第一列凹槽的位置；

S3，根据所述叶片尾缘的厚度和凹槽的深度确定最后一列凹槽的位置；

S4，基于所述第一列凹槽的位置和所述最后一列凹槽的位置确定若干列中间凹槽的位置。

本发明提出的方案通过在扇叶吸力面上采用凹槽设计结构，在保障扇叶负荷前提下能够抑制扇叶表面流动分离、延缓甚至避免失速现象发生，有效降低了气体流动过程中的阻力，从而达到提升风扇风量、风压、降低宽频气动噪声及降低功耗目的。同时本专利中提出的凹槽设计方法可以更高效率、更短时间获得具有正向流动控制效果的凹槽方案。

在一些实施例中，如图2所示，下方曲线为一典型现阶段用电子风扇无量纲P-Q示意图，以其在2U机架式服务器上应用为例，对于服务器的不同配置，其系统风阻与P-Q交点的位置大概位于图中所示矩形范围，可以看出，大抵是位于中间风量及中间风压区域，图中标注部分为风扇失速区域，可以明显看出，在该区域内，随着流量的变化，风压基本保持不变，这说明扇叶吸力面上出现大尺度流动分离，导致气流失去了扩压能力，因此引起了风扇失速；如果可以通过采用一些抑制流动分离的方法延迟失速现象的发生，甚至避免该现象发生，则风量和风压可获得有效提高，其变化趋势如图2中上方曲线所示，对于服务器而言，其阻抗与P-Q的交点也会像更高风量和更高风压处移动，散热和噪声性能也会获得显著提高，这意味着扇叶对气流在做相同功的情况下将会克服更低的阻力，其耗电量也会降低。

鉴于风扇吸力面较容易发生流动分离现象，更需要进行控制以改善流动状况，因此，本发明提出一种吸力面上带有凹槽结构的电子风扇扇叶设计结构，该结构可以有效抑制流动分离并延缓失速现象发生，其具体作用机理主要包含以下两点：(1)如图3所示，考虑到凹槽主要是降低叶型损失，因此以二维叶型进行说明，在气流由扇叶前缘(LE)流向尾缘(TE)过程中，经过吸力面(SS)上凹槽的时候会产生一个旋涡，该旋涡可起到类似于“滚动轴承”的作用，该旋涡可以加强边界层内流体与主流流体掺混，从而使得边界层流体从主流区流体获取动量，动能提升，因此具有更强的抵抗逆压梯度能力，边界层分离状况得以改善；(2)凹槽的存在会对气流产生一个扰动源，该扰动源可提前诱发边界层发生转捩，使得层流边界层提前过渡为湍流边界层，由于湍流边界层更加不易分离，因此也可抑制边界层的分离、推迟失速现象发生。可以看出，凹槽对应的几何参数包含深度h、宽度s及其位置阵列排布，且这些参数的选取决定了凹槽的作用效果，因此若想获得比较好的流动控制效果并结合可加工制造性考虑，对凹槽几何及位置参数进行合理设计是至关重要的。

因此，进一步地，本发明基于凹槽的本质作用原理提出了一种更加高效的新型凹槽设计方法。当气体/流体在固体表面流过时，产生边界层的本质原因是由于存在阻力，当阻力进一步增加时，边界层就会发生分离。当气体从风扇扇叶表面流过时，作用在气体上的阻力分为摩擦阻力和压差阻力两种。在附着流动时，叶型阻力以摩擦阻力为主，且阻力系数C

其中，阻力系数定义如下：

C

其中，τ

在一些实施例中，步骤S1，获取风扇叶片的多个不同预设高度的叶高截面并分别针对叶高截面叶型进行气动仿真，具体的，针对需要进行气动性能优化的风扇，首先应对其典型叶高截面叶型进行气动性能分析。

针对抽取的二维叶型分别进行气动仿真计算，气动性能计算及分析工具可以选用商用软件、开源CFD软件以及自编程序等，获得各种气动参数沿叶片表面的分布。其中最关键的参数即为阻力系数曲线C

在一些实施例中，S2，根据气动仿真得到的阻力系数曲线确定每一个预设高度下对应的分离点并根据每一个预设高度下对应的分离点确定吸力面上第一列凹槽的位置，进一步包括：

根据每一个预设高度下对应的分离点在所述叶高截面叶型的轴向弦长的位置以及叶型安装角确定第一列凹槽在所述叶片上的弦长位置。

具体的，若C

以本发明中研究对象风扇为例进行说明，图4所示为50％叶高截面处叶型对应阻力系数曲线C

需要说明的是，弦长为LE到TE的距离，轴向弦长为弦长在水平面上的投影，即利用弦长乘以叶型安装角的余弦值即可得到轴向弦长。依次类推，利用轴向弦长除以叶型安装角的余弦值即可得到弦长。

在一些实施例中，步骤S3，根据所述叶片尾缘的厚度和凹槽的深度确定最后一列凹槽的位置，具体的，考虑到对于大尺度分离，尤其是失速工况，一排凹槽的控制效果会比较有限，同时考虑到电子风扇叶型在尾缘附近厚度极小，大概只有1mm左右，不太适合开槽，因此可以最后一列凹槽的弦向位置不会大于90％轴向弦长。

在一些实施例中，S4，基于所述第一列凹槽的位置和所述最后一列凹槽的位置确定若干列中间凹槽的位置，进一步包括：

在所述第一凹槽对应的轴向弦长的位置和所述最后一列凹槽对应的轴向弦长的位置之间沿着轴向弦长方向等距分割；

根据所述叶型安装角和每一个切割点在轴向弦长上的位置确定所述若干列中间凹槽在所述叶片上的弦长位置。

具体的，基于第一列及最后一列位置沿着轴向弦长方向等距平均分布，此步骤可以确定下来选定叶高截面处多列凹槽的弦长位置；

在一些实施例中，S1，获取风扇叶片的多个不同预设高度的叶高截面并分别针对叶高截面叶型进行气动仿真，进一步包括：

获取风扇叶片的第一预设叶高、第二预设叶高、第三预设叶高的截面并分别针对叶高截面叶型进行气动仿真。

具体的，可以选择叶片典型的10％、50％、90％叶高截面叶型，如有特殊需求，可适当增加截面数，抽取所需进行仿真计算的二维叶型。

在一些实施例中，S2，根据气动仿真得到的阻力系数曲线确定每一个预设高度下对应的分离点并根据每一个预设高度下对应的分离点确定第一列凹槽的位置，进一步包括：

根据获取到的风扇叶片的三个预设高度对应的分离点确定第一列凹槽中三个凹槽的弦长位置；

以三个凹槽的弦长位置为基础进行插值得到所述第一列凹槽中其他凹槽的弦长位置。

在一些实施例中，还包括：

将每一列凹槽设计为在10％～90％叶高范围内均布。

在一些实施例中，还包括：

将每一列的凹槽设计为沿着叶高方向应交错分布。

具体的，在获得各典型截面的凹槽位置与凹槽几何参数之后，可通过插值等方式，在扇叶吸力面上布置凹槽中心点。综合考虑叶片几何参数(如叶高)与凹槽几何参数(如直径d)，确定叶片径向凹槽布置个数。受限于扇叶几何结构，一般来说凹槽在10％～90％叶高范围内均布，同时考虑到凹槽控制效果可以更加均匀，针对凹槽中心点位置进行插值时，不同阵列凹槽沿着叶高方向应交错分布。

在一些实施例中，还包括：

将所述凹槽设计为半圆状。

在一些实施例中，还包括：

设计每一个凹槽的深度为0.2mm-0.5mm，直径为深度的3-5倍。

具体的，综合考虑流动控制效果与扇叶的加工制造难度，球形凹槽为进行流动控制的较好选择。受限于电子设备散热风扇的叶片厚度非常的薄，因此凹槽不能过深，否则将对叶片的强度产生明显的负面影响。如上文中所述，凹槽宽度s与深度h(h和s定义如上文中图3所示)的比值也会明显影响凹槽对流动的控制效果。在同样的凹槽深度下，如果凹槽直径与深度的比值过小，则凹槽内壁更接近于球面。这样的凹槽对流体的“抛射”作用更强，虽然能够控制流动分离，但也会导致更多的耗散损失；而如果凹槽直径与深度的比值过大，则凹槽过于平缓，与原有叶片表面形状接近，无法发挥有效的流动控制作用。因此选定凹槽深度h可以为0.2mm-0.5mm，凹槽直径d与深度h比值为3-5。在本实施例中h优选为0.3mm，凹槽直径d与深度h比值为4.0。具体如图6所示，对于球形凹槽，直径和深度定了，宽度即定。上述两个参数可根据不同叶片的几何参数与流动状况进行适当调整。

本发明提出的方案，其好处是可以通过抑制吸力面侧流动分离、延缓失速现象发生降低扇叶表面阻力，从而提高风扇P-Q性能、降低功耗并降低宽频气动噪声；在此基础上，从凹槽减阻的本质原理出发，提出一种基于二维叶型上阻力系数曲线确定凹槽参数的设计方法，可避免为获得凹槽正向控制效果需进行的凹槽参数化研究，从而可以更少的设计时间、更简单的设计步骤获得最优凹槽设计方案。本发明提出的凹槽结构对于气动布局较为复杂的双排对旋/同转风扇来说，失速现象可以得到有效抑制，对于气动布局较为简单的单排风扇来说，失速现象甚至可以完全消失。因此，总体来讲，该设计结构可以使得风扇扇叶气动效率提高5％～10％、噪音整体降低2～4dB，功耗降低1％～3％，同时本发明中提出的设计方法节省50％以上的设计时间。

基于同一发明构思，根据本发明的另一个方面，本发明的实施例还提供了一种风扇，如图7所示，包括多个叶片，每一个叶片的吸力面上均设置有多列凹槽，其中每一列凹槽在叶片上的位置通过如上述任一实施例所述的方法得到。

以上是本发明公开的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的本发明实施例公开的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

应当理解的是，在本文中使用的，除非上下文清楚地支持例外情况，单数形式“一个”旨在也包括复数形式。还应当理解的是，在本文中使用的“和/或”是指包括一个或者一个以上相关联地列出的项目的任意和所有可能组合。

上述本发明实施例公开实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明实施例的保护范围之内。