支撑架对小型轴流风扇气动性能和噪声影响的研究

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1、浙江理工大学硕士学位论文支撑架对小型轴流风扇气动性能和噪声影响的研究第1章绪论1.1课题研究背景和意义流体机械是指可以通过气体或液体对能量进行转化和传递的机械设备，在能源、化工、[1]交通、水利、冶金、船舶等各行各业都发挥着不可替代的作用。风机是工农业生产以及国民经济各部门中大量应用的一种传输气体的的通用旋转机械设备，其根据气体流动方式[2-3]的不同主要分为轴流式风机、离心式风机和混合式风机。风机具有通风散热能力强，产品结构及制造工艺简单、技术成熟、价格适中和安全可靠等优点，与散热器配合使用，是无数集成产品冷却系统中最为常见且使用率最

2、高的散热方式。小型轴流风扇作为常见的一种轴流风机，由于其具有尺寸小、制造和安装方便以及成本低廉等特点广泛应用于电脑、[4-5]服务器、空调和冰箱等众多电子产品及家用电器的通风散热。衡量小型轴流风扇性能好[6]坏的标准是通风散热特性和声学特性，通风量大则风扇的散热效果越显著。提高通风量的有效方法通常是提高电机转速，但由此带来的后果往往是噪声会成倍的增加，因此，对[7-8]风扇进行合理的结构设计是提高通风量和控制噪声的有效方法。小型轴流风扇通常由电机、支撑架和叶轮三部分组成，柳品、朱立夫等人在对小型轴流风扇进行研究的过程中，通常不考虑电机和

3、支撑架对风扇的作用，只对叶轮本身进行结[9-10]构优化以及气动性能和噪声分析。本文在柳品、朱立夫等人研究理论和方法的基础上考虑支撑架对小型轴流风扇气动性能和噪声的影响。支撑架通常位于叶轮下游，叶轮旋转，[11]支撑架固定，两者之间的相互作用类似于转子与定子的相互作用。影响支撑架的结构参数主要包括支撑架的形状、支撑架的数量、支撑架的直径、支撑架的倾斜角度等。支撑架一方面起支撑风扇系统的作用，另一方面支撑架内部通常放置电机和电线，所以支撑架不能过小。当气体从叶轮流出经过支撑架时，支撑架对气体的流动通常会产生一定的阻塞作用，这不利于小型轴流

4、风扇的做功，所以在保证系统刚度的条件下，支撑架的数量越少，[12]对系统的阻塞作用就越小。因此，对小型轴流风扇支撑架进行合理的结构设计是非常必[13]要的。1.2风机气动性能研究进展和现状风机的结构虽然简单，但由于叶片弯曲、扭转等因素导致风机的内部流动非常复杂，且叶片处于旋转中，因此很难对各项水力损失有准确的计算。造型设计不合理的风机叶片[14-15]还会导致叶片表面产生大量的涡脱落现象，使风扇静特性降低，噪声升高。要想提高1万方数据浙江理工大学硕士学位论文支撑架对小型轴流风扇气动性能和噪声影响的研究风机效率，扩大工况范围，提高安全性以

5、及降低噪声等，必须对风机内部真实流动现象的本质、流动结构和能量损失机理进行深入研究。风机主要通过叶轮进行能量转换，叶片旋转过程中不断拍打气体，对气体做功来输送气体介质，叶片性能的好坏直接决定着风机性能的优劣，因此通过对叶片进行气动性能设计或者对叶片进行优化设计一直是国内学者的[16-17]重点研究课题。计算流体力学作为工程技术应用的新兴学科之一，随着计算机的硬件发展计算流体力学虽然已经取得长足的进步，在风机气动性能研究中逐渐应用广泛，但实验研究一直是可视化流体机械内部流动特性的有效手段，例如热线探针技术、激光测速技术以及流场可视化PIV

6、技术等，但同时它们也具有测试成本高以及受用面很小等缺点，因此国内外的不同学者往往综合运用理论研究、CFD和实验研究相结合的方法对风机的气动性能进行计算、测量、分析以及可视化，弥补各研究方法的单一性，能够从各方面对风机的气动性能进行准确计算和预测，缩短从设计到成型的生产周期，提高生产效率以及降低[18-19]成本等。1.2.1风机内部流动研究现状风机的内部流动时间和空间结构极为复杂，各种复杂流动现象如分离流、二次流、叶顶间隙泄漏流以及边界层效应等综合作用深刻影响其气动性能及传热特性。吴仲华提出“叶轮机械准三元流动理论”，将叶轮机械内部真实

7、的非常复杂、难以求解的三元（空间）[20-22]流动流场分解为两个相互正交流面的二元流动问题进行求解。Hirsch从多方面分析了轴流风机边界层理论，首先对单级转子进行主流的计算，通过实验对比发现将叶片形状因子系数和表面摩擦系数设为常数不合理，其次对叶片附近流场特性进行实验分析，发现叶尖摩擦因子较高，轮毂处摩擦因子较低，最后在综合考虑形状因子系数、雷诺数以及壁面[23]扭转角等各因素的基础上在流动坐标系中重新推导边界层基本方程。Mellor等在prandtl边界层理论基础上研究轴流风机近壁边界层理论，提出轴向和切向损失力厚度以及转子定[2

8、4]子的跳跃条件，且能很好地模拟边界层阻塞、边界层损失以及近壁面失速。Hunter等对低速单级风机转子的机匣壁面边界层发展进行了详细地测量，通过压力传感器和热线探针分别测得转子下游的外壁边界层以及叶片流道里