張 立

（浙江經貿職業(yè)技術學院應用工程系，浙江 杭州 310018）

前言

支撐架作為小型軸流風扇結構中必不可少的部件，通常安放在風扇的出口附近，主要具有兩個作用：其一是固定風扇系統(tǒng)；其二是安置電機和電線。但在風扇的傳統(tǒng)性能測試中支撐架的影響一般卻很少考慮，有很多學者圍繞著風扇葉片的結構優(yōu)化開展了大量的研究工作，文獻[1][2]在對小型風扇性能測試過程中，沒有考慮風扇電機和支撐架的影響，只對葉片本身進行了結構優(yōu)化和性能測試研究。作者所在的科研團隊先后就葉片數[3]、葉片輪轂比[4]、葉片安裝角[5]等結構參數對風扇性能的影響開展了研究，結果表明優(yōu)化風扇葉片結構參數對改善風扇性能具有積極意義。然而在上述結構參數優(yōu)化過程中，支撐架的影響也很少涉及。由于支撐架對風扇的氣流流動具有阻塞作用，由此設計合理的支撐架結構很有必要。本文以某服務器上的散熱風扇為研究，討論了支撐架對風扇性能和內部流場的影響，研究結果將為高性能小型軸流風扇的結構設計提供依據。

1 風扇模型及計算方法

1.1 風扇模型

本文選擇某服務器型號為QW1245H的小型軸流風扇作為模型1，其設計工況和主要結構參數為：風量Q＝0.011kg/s，風壓P＝47.43Pa，轉速n＝3000 r/ min，葉輪外徑D＝90 mm，厚度 d=20mm，輪轂比 Xb=0.49，葉片安裝角β=44.5°，葉頂間隙TC=2mm，葉片數Z＝7。本文研究的風扇模型的支撐架形狀為細長方體，數目為4個，如圖1所示。

圖1 帶支撐架的風扇模型1

1.2 計算方法

由于風扇氣流Ma數不超過0.3，可以將氣流視為不可壓縮流體。計算定常模擬采用不可壓分離式求解器隱式方案，采用標準k?ε模型進行湍流模擬。使用SIMPLC算法解決速度和壓力的耦合問題，控制方程的數值離散方法采用二階精度的迎風差分，以求得更為精確的流場解。計算域給定流量進口和壓力出口邊界條件，采用無滑移壁面邊界條件。風扇模型采用結構化六面體Cooper網格，如圖2所示?？偩W格大小分別為 260萬。經過網格質量檢查，網格扭曲度集中在0.1～0.5之間，符合模擬計算的要求。

圖2 網格計算

2 結果分析

2.1 靜特性分析

以風扇模型1為例，對比分析了支撐架對風扇模型1的氣動性能影響，如圖3及圖4所示。從圖3中可以發(fā)現，風扇模型1在有無支撐架兩種給定條件下，其全壓與流量系數曲線在全流域內的變化趨勢基本一致，兩條曲線的擬合度比較高，尤其是在額定工況點附近，支撐架對風扇全壓與流量系數的影響幾乎可以忽略。圖4顯示了在有無支撐架兩種給定條件下風扇模型1的效率隨流量系數的變化趨勢，從圖中可以看出，當流量系數小于0.10時，兩條曲線的擬合度很高，當流量系數大于0.10時，兩條曲線有一定的差值，但總體走向基本一致。綜合圖3及4可以判斷支撐架對風扇氣動性能影響有限，尤其在額定流量工況點附近幾乎可以忽略。

圖3 模型1的全壓系數—流量系數曲線

圖4 模型1的效率— 流量系數曲線

圖5顯示了風扇模型1在額定流量工況下的能量損失隨葉高的變化趨勢，從圖中可以看出，在有無支撐架的兩種給定條件下，兩條曲線的變化趨勢基本一致，曲線擬合度較好，僅僅在葉頂區(qū)域有細微的差異。這較好的證實了支撐架在額定流量工況點附近對風扇氣動性能的影響可以忽略，也為風扇模型的簡化提供了理論依據。

圖5 額定流量下的能量損失隨葉高變化曲線

2.2 內部流場分析

圖6和圖7分別顯示了在額定流量工況時風扇考慮支撐架以及未考慮支撐架時的速度內部流線分布。從圖中可以看出，當未考慮支撐架的影響時，風扇在葉片頂端存在兩個葉頂間隙渦流以及在葉頂尾緣存在渦流；當考慮支撐架的影響時，風扇在葉片頂端存在的葉頂間隙渦流幾乎沒有影響，但在葉頂尾緣的渦流由于支撐架的因素發(fā)生了裂變，葉頂尾緣渦流基本不成型了，但在靠近葉根尾緣附近卻產生了新的渦流，該渦流的流線變化劇烈的方向恰好是氣流的出口方向，這可能會增大風扇擴散區(qū)域的噪聲分布風險。

圖6 帶支撐架的風扇內部速度流線圖

圖7 未考慮支撐架的風扇 內部速度流線圖

圖8和圖9分別顯示了在額定流量工況時風扇考慮支撐架以及未考慮支撐架時的內部壓力分布。從圖中可以看出，當未考慮支撐架的影響時，風扇出口中央區(qū)域存在一個低壓區(qū)以及在葉頂前緣也存在低壓區(qū)；當考慮支撐架的影響時，風扇葉頂前緣的低壓區(qū)依然存在，只是低壓范圍縮小了，與此同時，風扇出口中央區(qū)域的低壓區(qū)基本消失了，在葉根尾緣附近靠近支撐架的區(qū)域出現了新的低壓區(qū)，該低壓區(qū)容易阻擋氣流流動，從而產生新的渦流。這與圖6中觀察到的現象是一致的，說明了葉根尾緣附近的低壓區(qū)是該區(qū)域產生渦流的主要原因。

圖8 帶支撐架的風扇內部壓力圖

圖9 未考慮支撐架的 風扇內部壓力圖

3 結論

本文主要討論了小型軸流風扇支撐架對風扇靜特性以及內部流場的影響。通過模擬結果分析發(fā)現支撐架對風扇的靜特性性能影響有限，但支撐架影響了葉片尾緣渦流的走向，葉頂尾緣渦流由于支撐架的影響已經基本不成型，但在葉根尾緣靠近支撐架的位置卻產生了新的渦流，通過研究發(fā)現葉根尾緣附近的低壓區(qū)是該區(qū)域產生渦流的主要原因。

[1] 朱立夫.葉片參數對長短葉片小型軸流風扇性能及內部流動影響的研究 [D].浙江理工大學,2013:10-11.

[2] 柳品.轉子結構對風扇性能和內部流動的影響研究[D].浙江理工大學, 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, 王艷萍, 崔寶玲. 輪轂比對小型軸流風扇性能的影響研究[J]. 工程熱物理學報, 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.