支撑架对小型轴流风扇的性能影响研究

张 立

（浙江经贸职业技术学院应用工程系，浙江 杭州 310018）

前言

支撑架作为小型轴流风扇结构中必不可少的部件，通常安放在风扇的出口附近，主要具有两个作用：其一是固定风扇系统；其二是安置电机和电线。但在风扇的传统性能测试中支撑架的影响一般却很少考虑，有很多学者围绕着风扇叶片的结构优化开展了大量的研究工作，文献[1][2]在对小型风扇性能测试过程中，没有考虑风扇电机和支撑架的影响，只对叶片本身进行了结构优化和性能测试研究。作者所在的科研团队先后就叶片数[3]、叶片轮毂比[4]、叶片安装角[5]等结构参数对风扇性能的影响开展了研究，结果表明优化风扇叶片结构参数对改善风扇性能具有积极意义。然而在上述结构参数优化过程中，支撑架的影响也很少涉及。由于支撑架对风扇的气流流动具有阻塞作用，由此设计合理的支撑架结构很有必要。本文以某服务器上的散热风扇为研究，讨论了支撑架对风扇性能和内部流场的影响，研究结果将为高性能小型轴流风扇的结构设计提供依据。

1 风扇模型及计算方法

1.1 风扇模型

本文选择某服务器型号为QW1245H的小型轴流风扇作为模型1，其设计工况和主要结构参数为：风量Q＝0.011kg/s，风压P＝47.43Pa，转速n＝3000 r/ min，叶轮外径D＝90 mm，厚度 d=20mm，轮毂比 Xb=0.49，叶片安装角β=44.5°，叶顶间隙TC=2mm，叶片数Z＝7。本文研究的风扇模型的支撑架形状为细长方体，数目为4个，如图1所示。

图1 带支撑架的风扇模型1

1.2 计算方法

由于风扇气流Ma数不超过0.3，可以将气流视为不可压缩流体。计算定常模拟采用不可压分离式求解器隐式方案，采用标准k−ε模型进行湍流模拟。使用SIMPLC算法解决速度和压力的耦合问题，控制方程的数值离散方法采用二阶精度的迎风差分，以求得更为精确的流场解。计算域给定流量进口和压力出口边界条件，采用无滑移壁面边界条件。风扇模型采用结构化六面体Cooper网格，如图2所示。总网格大小分别为 260万。经过网格质量检查，网格扭曲度集中在0.1～0.5之间，符合模拟计算的要求。

图2 网格计算

2 结果分析

2.1 静特性分析

以风扇模型1为例，对比分析了支撑架对风扇模型1的气动性能影响，如图3及图4所示。从图3中可以发现，风扇模型1在有无支撑架两种给定条件下，其全压与流量系数曲线在全流域内的变化趋势基本一致，两条曲线的拟合度比较高，尤其是在额定工况点附近，支撑架对风扇全压与流量系数的影响几乎可以忽略。图4显示了在有无支撑架两种给定条件下风扇模型1的效率随流量系数的变化趋势，从图中可以看出，当流量系数小于0.10时，两条曲线的拟合度很高，当流量系数大于0.10时，两条曲线有一定的差值，但总体走向基本一致。综合图3及4可以判断支撑架对风扇气动性能影响有限，尤其在额定流量工况点附近几乎可以忽略。

图3 模型1的全压系数—流量系数曲线

图4 模型1的效率— 流量系数曲线

图5显示了风扇模型1在额定流量工况下的能量损失随叶高的变化趋势，从图中可以看出，在有无支撑架的两种给定条件下，两条曲线的变化趋势基本一致，曲线拟合度较好，仅仅在叶顶区域有细微的差异。这较好的证实了支撑架在额定流量工况点附近对风扇气动性能的影响可以忽略，也为风扇模型的简化提供了理论依据。

图5 额定流量下的能量损失随叶高变化曲线

2.2 内部流场分析

图6和图7分别显示了在额定流量工况时风扇考虑支撑架以及未考虑支撑架时的速度内部流线分布。从图中可以看出，当未考虑支撑架的影响时，风扇在叶片顶端存在两个叶顶间隙涡流以及在叶顶尾缘存在涡流；当考虑支撑架的影响时，风扇在叶片顶端存在的叶顶间隙涡流几乎没有影响，但在叶顶尾缘的涡流由于支撑架的因素发生了裂变，叶顶尾缘涡流基本不成型了，但在靠近叶根尾缘附近却产生了新的涡流，该涡流的流线变化剧烈的方向恰好是气流的出口方向，这可能会增大风扇扩散区域的噪声分布风险。

图6 带支撑架的风扇内部速度流线图

图7 未考虑支撑架的风扇 内部速度流线图

图8和图9分别显示了在额定流量工况时风扇考虑支撑架以及未考虑支撑架时的内部压力分布。从图中可以看出，当未考虑支撑架的影响时，风扇出口中央区域存在一个低压区以及在叶顶前缘也存在低压区；当考虑支撑架的影响时，风扇叶顶前缘的低压区依然存在，只是低压范围缩小了，与此同时，风扇出口中央区域的低压区基本消失了，在叶根尾缘附近靠近支撑架的区域出现了新的低压区，该低压区容易阻挡气流流动，从而产生新的涡流。这与图6中观察到的现象是一致的，说明了叶根尾缘附近的低压区是该区域产生涡流的主要原因。

图8 带支撑架的风扇内部压力图

图9 未考虑支撑架的 风扇内部压力图

3 结论

本文主要讨论了小型轴流风扇支撑架对风扇静特性以及内部流场的影响。通过模拟结果分析发现支撑架对风扇的静特性性能影响有限，但支撑架影响了叶片尾缘涡流的走向，叶顶尾缘涡流由于支撑架的影响已经基本不成型，但在叶根尾缘靠近支撑架的位置却产生了新的涡流，通过研究发现叶根尾缘附近的低压区是该区域产生涡流的主要原因。

[1] 朱立夫.叶片参数对长短叶片小型轴流风扇性能及内部流动影响的研究 [D].浙江理工大学,2013:10-11.

[2] 柳品.转子结构对风扇性能和内部流动的影响研究[D].浙江理工大学, 2010:10-11.

[3] Lihong Wang,Yingzi Jin,Baoling Cui,Yuzhen Jin,Jin Lin Yanping,Wang Chuanyu Wu.Factors Affecting Small Axial Cooling Fan Per-formance.Journal of Thermal Science,2010(2):126-131

[4] 柳品, 金英子, 王艳萍, 崔宝玲. 轮毂比对小型轴流风扇性能的影响研究[J]. 工程热物理学报, 2010, Vol.31, 1564-1567

[5] Zhang Li, Jin Yingzi, Wang Yanping, Wu Chuanyu. Experimental and Numerical Investigation of Blades Effect on Aerodynamic Per formance of Small Axial Flow Fan. Proceedings of 3rd Asian Joint Workshop on Thermophysics and Fluid Science,Matsue, Japan, Sept 10-13, 2011, 87～91.