小型軸流風(fēng)扇氣動噪聲特性及性能優(yōu)化研究.pdf

1、小型軸流風(fēng)扇通常作為服務(wù)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(yùn)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(fēng)扇性能和噪聲水平的要求越來越高，因此開展小型風(fēng)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(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。
　　本文以小型軸流風(fēng)扇為研究對象，對其氣動性能和噪聲特性開展計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究。首先探討了該風(fēng)扇模型的靜特性和內(nèi)部流動規(guī)律，分析了葉片數(shù)對風(fēng)扇靜

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

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

4、內(nèi)部流場和溫度場之間的相互影響關(guān)系，定性分析了風(fēng)扇內(nèi)部溫度場在不同時(shí)刻的變化趨勢，并引入風(fēng)扇對流換熱系數(shù)，定量分析了風(fēng)扇內(nèi)部流場的對流換熱能力。
　　(2)進(jìn)行了小型軸流風(fēng)扇氣動噪聲特性及噪聲預(yù)測的數(shù)值計(jì)算。運(yùn)用渦聲理論和寬頻噪聲模型，發(fā)現(xiàn)小型軸流風(fēng)扇的氣動噪聲源主要分布在風(fēng)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(fēng)扇的主要?dú)鈩釉肼曉?通過引入壓力脈動功率譜的分析方法，確定風(fēng)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(fēng)扇的基頻及諧波處，其中能夠傳遞到遠(yuǎn)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(fēng)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(fēng)扇葉片尾跡流特征寬度的數(shù)值計(jì)算，并選取出口截面距離風(fēng)扇中心點(diǎn)7mm處的尾跡流特征寬度為樣本值，在此基礎(chǔ)上結(jié)合Fukano渦脫落噪聲預(yù)測模型開展了小型軸流風(fēng)扇的遠(yuǎn)場氣動噪聲預(yù)測

6、，預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值相差0.39dB，這證實(shí)了該方法的可行性。
　　(3)提出并驗(yàn)證了適用于小型軸流風(fēng)扇的多目標(biāo)性能優(yōu)化策略。即以某一單目標(biāo)最優(yōu)為切入點(diǎn)選擇若干結(jié)構(gòu)參數(shù)制定正交試驗(yàn)方案，篩選對該目標(biāo)影響程度大的幾個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)組成多目標(biāo)優(yōu)化變量，利用響應(yīng)面法和熵權(quán)法相結(jié)合建立優(yōu)化變量與多目標(biāo)之間的優(yōu)化函數(shù)，選擇優(yōu)化函數(shù)最大值對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)組成優(yōu)化葉型。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:優(yōu)化葉型不僅提升了風(fēng)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(jià)小型軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)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(fēng)扇降噪措施的設(shè)計(jì)不僅保證了風(fēng)扇靜特性幾乎無損失，而且實(shí)現(xiàn)了風(fēng)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(shè)計(jì)和對比試驗(yàn)，驗(yàn)證了降噪系數(shù)定量評價(jià)上述降噪措施降噪效果的正確性。
　

8、　(5)開展了風(fēng)扇的靜特性實(shí)驗(yàn)、內(nèi)部流場實(shí)驗(yàn)以及噪聲實(shí)驗(yàn)研究。利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了對風(fēng)扇開展定常數(shù)值計(jì)算以及噪聲數(shù)值計(jì)算的有效性，驗(yàn)證了風(fēng)扇的遠(yuǎn)場氣動噪聲特性，得到了葉片數(shù)對風(fēng)扇靜特性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化葉型的內(nèi)部流動狀況要明顯優(yōu)于風(fēng)扇原型的內(nèi)部流動狀況。通過轉(zhuǎn)速—聲壓曲線實(shí)驗(yàn)和指向性分布實(shí)驗(yàn)可以判斷小型軸流風(fēng)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(jié)合的方法較好的解決了不同流量下的小型軸流風(fēng)扇的噪聲測試問題，并且風(fēng)扇噪