李天贈，陳家靜，黃紅梅

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 工業(yè)設(shè)計與陶瓷藝術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000

提升用戶體驗，引導(dǎo)健康、舒適、可持續(xù)發(fā)展的生活理念是現(xiàn)代家電設(shè)計的主要方向。以風(fēng)扇為例，靜音、低能耗、無線蓄電以及智能控制等功能是其主要的設(shè)計要點[1]。小型風(fēng)扇以其輕巧、便攜的特點受到廣大消費者的歡迎，擁有廣闊的市場需求。

目前針對小風(fēng)扇的研究主要集中于扇葉的降噪機理分析[2-5]。而舒適度作為除靜音性能外衡量風(fēng)扇性能的重要指標之一，如何提升風(fēng)扇的舒適性能也是風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計的重點。例如，在家用電扇的研究中，BALMUDA 提出一種基于雙層扇葉結(jié)構(gòu)的舒適性風(fēng)扇解決方案（代表產(chǎn)品為The GreenFan），其通過內(nèi)側(cè)慢速風(fēng)牽引外側(cè)快速風(fēng)匯聚，之后相互撞擊消除渦旋實現(xiàn)模擬舒適自然風(fēng)的目的。盡管如此，大多數(shù)關(guān)于風(fēng)扇舒適性的研究對象主要為常規(guī)家用型電風(fēng)扇，設(shè)計領(lǐng)域關(guān)于小型風(fēng)扇舒適性的研究目前還相對缺乏。本研究將CFD 技術(shù)應(yīng)用于小風(fēng)扇的設(shè)計流程，在現(xiàn)有小風(fēng)扇產(chǎn)品的數(shù)值分析基礎(chǔ)上，提出同時具備短期快速降溫和長期舒緩制冷功能的舒適型桌面小型風(fēng)扇產(chǎn)品設(shè)計解決方案。

1 CFD 技術(shù)

計算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)是基于流體運動的質(zhì)量守恒、動量守恒等基本方程，以計算機為平臺，利用數(shù)值離散方法，實現(xiàn)對流態(tài)問題數(shù)值求解并可輸出豐富流場信息的一門新興技術(shù)，是計算機輔助設(shè)計的重要分支。CFD 技術(shù)具有計算效率高、成本低、計算結(jié)果可視化等特點，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運輸、海洋工程、體育科學(xué)等各個領(lǐng)域，是解決工程與科學(xué)核心問題的有效手段[6-7]。在產(chǎn)品設(shè)計中，CFD 技術(shù)可為廚衛(wèi)用具[8-9]、家電產(chǎn)品[10]等各類涉及流場問題的產(chǎn)品開發(fā)提供技術(shù)支持，可有效增強產(chǎn)品設(shè)計的科學(xué)合理性，提高設(shè)計效率及降低研發(fā)成本。

2 基于CFD 技術(shù)的小風(fēng)扇設(shè)計解決方案步驟

產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計階段決定了83%以上的產(chǎn)品成本，而這一階段本身所占的費用僅為產(chǎn)品總成本的7% 以下[11]，提高設(shè)計階段的成功率對于改善整個產(chǎn)品的開發(fā)效能有重要的積極影響。CFD 技術(shù)可便捷地對涉及流體問題的產(chǎn)品性能進行預(yù)評估，可有效提升產(chǎn)品設(shè)計階段的科學(xué)性，確保方案輸出的合理性。

人體感受到舒適的氣溫為17～24 ℃，當(dāng)周圍的環(huán)境溫度超過舒適溫度的上限時，人們就有熱的感覺。但值得注意的是，作為最為常見的降溫消暑家電，電風(fēng)扇工作時并不能直接使周圍空氣溫度降低，而是通過驅(qū)動空氣流動加快使人體皮膚汗液蒸發(fā)吸收熱量，降低人體溫度，使人有清涼的感覺。因此，當(dāng)人體劇烈運動后或氣溫炎熱出汗較多時，風(fēng)扇給人帶來的舒適度指標反映在可起到加速汗液蒸發(fā)大量吸熱的大風(fēng)量、高風(fēng)壓指標方面；而當(dāng)使用者處于較長時間平靜納涼時，皮膚表面的汗液并沒那么充沛，風(fēng)扇給人帶來的舒適度指標反映在可滿足當(dāng)前汗液蒸發(fā)要求的低風(fēng)壓、接近自然風(fēng)等指標。因此，合理控制風(fēng)扇的風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)類等指標對于實現(xiàn)風(fēng)扇舒適性優(yōu)化至關(guān)重要，而開展針對舒適性指標的流場機理分析是風(fēng)扇性能優(yōu)化研究的關(guān)鍵。CFD 技術(shù)的計算結(jié)果可視化特點可為分析流場運動機理提供極大的便利，為小風(fēng)扇舒適性能設(shè)計提供強大的技術(shù)支持?；贑FD 技術(shù)的小風(fēng)扇設(shè)計解決方案步驟為：

1）前期準備：確定合理的研究對象，提取研究對象的簡化模型；

2）現(xiàn)有產(chǎn)品分析：建立數(shù)值計算模型，分析與歸納現(xiàn)有產(chǎn)品性能特點，找出可能的設(shè)計突破點；

3）機理分析：針對可能的設(shè)計點，深入機理分析，尋找規(guī)律；

4）解決方案：合理利用設(shè)計對象的機理特點，提出最終解決方案。

3 設(shè)計研究過程

3.1 前期準備

3.1.1 明確研究對象

桌面小風(fēng)扇是一種利用電機驅(qū)動扇葉旋轉(zhuǎn)切割氣流引起空氣加速流通的小型日用電器，因其體型小巧、充電方便、攜帶方便、價格適中等特點，成為眾多消費者清涼解暑的必選裝備。

市面上，除靜音特性外，舒適性也是各大風(fēng)扇品牌的主要賣點。影響風(fēng)扇風(fēng)舒適度的部件主要為電機、扇片、網(wǎng)罩三大部件。其中，扇葉與電機除作為風(fēng)扇的核心部件外，也廣泛應(yīng)用于各大電器與機械等領(lǐng)域，針對其節(jié)能、靜音、送風(fēng)等關(guān)鍵性能的研究非常多[12-13]，相關(guān)技術(shù)已趨于成熟，可提升空間較小，設(shè)計提升效能較低。而網(wǎng)罩除起保護作用外，還起到風(fēng)的導(dǎo)流作用，可實現(xiàn)控制風(fēng)向、風(fēng)量等作用?；谛⌒惋L(fēng)扇的成本定位及目前針對網(wǎng)罩的研究較電機、扇葉研究相對欠缺，性能提升潛力較大。綜合以上因素，本研究選擇以網(wǎng)罩作為桌面小風(fēng)扇性能提升的研究對象。

3.1.2 現(xiàn)有產(chǎn)品歸類及簡化模型提取

市面上的小型桌面風(fēng)扇網(wǎng)罩造型各式各樣，直徑一般有13.3、16.7 及20 cm 規(guī)格（對應(yīng)小、中和大號桌面小風(fēng)扇），依據(jù)網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)類型特點，桌面小風(fēng)扇的網(wǎng)罩主要以平面網(wǎng)罩為主，大致可歸類為6 種。本研究以市面上較為普遍的13.3 cm桌面小風(fēng)扇為參照，將6 款代表性網(wǎng)罩制作為統(tǒng)一接口的測試模型，各款網(wǎng)罩形態(tài)特征及簡化模型如表1、圖1 所示。

表1 桌面小風(fēng)扇網(wǎng)罩類型

圖1 桌面小風(fēng)扇網(wǎng)罩類型

3.2 現(xiàn)有產(chǎn)品分析

本研究以實物產(chǎn)品為參照，建立小風(fēng)扇數(shù)值求解模型，并采用ANSYS Fluent 流體計算軟件平臺進行求解與分析。

3.2.1 控制方程

本問題中，空氣被假設(shè)成不可壓縮黏性流體，無熱量傳遞，僅需考慮質(zhì)量與動量守恒，即僅需求解連續(xù)方程與Navier-Stokes 方程：

式中：ρ為空氣的密度，kg/m3；i、j為運動維度；u為速度，m/s；p為壓強，Pa；μ空氣的黏度，Pa·s；S為動量源項，N/m3。

此外，選用工程中常用的RNGk-ε湍流模型對控制方程進行封閉求解[8-9]。

3.2.2 數(shù)值實現(xiàn)

本研究中，由于風(fēng)扇與葉片幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，風(fēng)扇與葉片區(qū)域被單獨分離出來，形成小圓柱體計算域，網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。此外，為保證計算準確性，對風(fēng)扇與葉片邊界層區(qū)域進行了局部網(wǎng)格加密處理（最小網(wǎng)格尺寸為0.001 m）。除風(fēng)扇葉片與網(wǎng)罩附近區(qū)域外，剩余區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，整個計算域網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)Skewness 值控制在0.76 以內(nèi)，網(wǎng)格總數(shù)約為210 萬。計算前處理的網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置如圖2 所示。為處理風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)問題，將旋轉(zhuǎn)核心區(qū)域設(shè)置為滑移網(wǎng)格，選用Interface 邊界條件與周圍流場連接，并通過指定相對于已移動(旋轉(zhuǎn)和平移)的參考系的運動框架模式控制風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)速度。求解策略采用PISO 速度-壓力耦合方法，動量方程采用二階迎風(fēng)離散格式。

圖2 計算域及邊界條件設(shè)置

3.2.3 數(shù)值方法可靠性驗證

為驗證數(shù)值計算方法可靠性，本研究采用3D 打印技術(shù)制作1 號網(wǎng)罩，并安裝在小號小風(fēng)扇實體機中進行試驗測試。利用風(fēng)速儀記錄流場特定位置的風(fēng)速，并與對應(yīng)的數(shù)值模擬計算結(jié)果進行對比分析。實驗監(jiān)測點設(shè)置在風(fēng)扇網(wǎng)罩正前方0.3 m 處（監(jiān)測點1），以及同等正前方距離偏離風(fēng)扇中心軸0.15 m 處（監(jiān)測點2），測試風(fēng)速轉(zhuǎn)速為2 100 r/min（低速擋）與2 600 r/min（高速檔）。圖3 顯示，數(shù)值計算結(jié)果在2 種不同的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速工況下各監(jiān)測點的數(shù)據(jù)均與實驗結(jié)果較為接近。由此可見，本研究的數(shù)值計算方法較為可靠，計算結(jié)果對小風(fēng)扇的設(shè)計具有一定的指導(dǎo)性的作用。

圖3 搭載1 號網(wǎng)罩風(fēng)扇的實驗與數(shù)值計算結(jié)果對比

3.2.4 計算結(jié)果分析

圖4 為搭載不同類型網(wǎng)罩風(fēng)扇的流場數(shù)值計算圖，可以看出，6 款搭載不同類型網(wǎng)罩的風(fēng)扇，均具有不同的風(fēng)場分布特征。其中搭載第1～4 款及第6 款網(wǎng)罩風(fēng)扇的風(fēng)場均表現(xiàn)有不同程度的發(fā)散特性，而搭載第5 款網(wǎng)罩的風(fēng)扇風(fēng)力強勁，流場發(fā)散效果相對較弱。

圖4 不同類型網(wǎng)罩風(fēng)扇工作時的流場特征（風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 100 r/min）

由此可見，網(wǎng)罩的變化對于風(fēng)扇吹風(fēng)強度及類型有較大的影響，特別是搭載第5 號網(wǎng)罩的風(fēng)扇表現(xiàn)出風(fēng)速大、匯聚力強的特點，可用于實現(xiàn)快速降溫的需求。此外搭載其他幾款網(wǎng)罩的風(fēng)扇具有較好的低風(fēng)速及發(fā)散特點，如第3、4、6 款較符合自然風(fēng)特性。因此，本研究設(shè)計點可聚焦于如何通過改善網(wǎng)罩的結(jié)構(gòu)功能，實現(xiàn)風(fēng)扇強風(fēng)與自然風(fēng)之間的切換功能，提升桌面小風(fēng)扇適用范圍及舒適性。

3.3 深入機理分析

對以上6 款風(fēng)扇網(wǎng)罩造型的共性特征進行對比分析可以發(fā)現(xiàn)，4 號、5 號、6 號網(wǎng)罩的輻條均為放射性布置，對6 號網(wǎng)罩的輻條進行順時針調(diào)整可變化為4 號網(wǎng)罩，再進一步調(diào)整就變?yōu)榕c5 號網(wǎng)罩類似的順時針旋轉(zhuǎn)網(wǎng)罩。為探究此變化過程與風(fēng)場特征變化的關(guān)聯(lián)性，本研究通過對6 號網(wǎng)罩輻條的排列方向進行調(diào)整，建立與5 號網(wǎng)罩類似的順時針旋轉(zhuǎn)的新網(wǎng)罩，并進行數(shù)值模擬測試。圖5 的計算結(jié)果顯示網(wǎng)罩輻條由逆時針排列轉(zhuǎn)變?yōu)轫槙r針排列，原本發(fā)散紊亂的流場變化為強勁的匯聚風(fēng)，與6 號網(wǎng)罩的結(jié)果類似。由此可得出結(jié)論，與風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)方向（順時針）相同的網(wǎng)罩柵欄排列方式具有增強匯聚風(fēng)場的效果，相反則起到抵消渦旋發(fā)散風(fēng)場的效果。

圖5 調(diào)整網(wǎng)罩輻條排列方向?qū)τ诹鲌鎏卣鞯挠绊懶Ч?/p>

3.4 解決方案

根據(jù)機理分析顯示，網(wǎng)罩輻條順序呈順時針排列時，風(fēng)扇可實現(xiàn)吹強風(fēng)效果；相反則可抵消風(fēng)的渦旋性，模擬吹自然風(fēng)的效果。因此，利用此機理特性，根據(jù)具體使用場景自由調(diào)節(jié)輻條旋轉(zhuǎn)排列方向的可變形網(wǎng)罩設(shè)計，是實現(xiàn)桌面小風(fēng)扇具備強風(fēng)與自然風(fēng)切換功能的一種有效途徑。

為實現(xiàn)網(wǎng)罩輻條旋轉(zhuǎn)變形的目標，作為網(wǎng)罩核心組成部分的輻條可選用具有彈性變形性能的軟膠輻條、2 個管體套疊可伸縮的剛性伸縮桿輻條、剛性液壓桿輻條等。從機構(gòu)實現(xiàn)的簡單性、穩(wěn)定性及成本角度考慮，采用與雨傘、天線伸縮結(jié)構(gòu)相同的剛性伸縮桿輻條較契合桌面小風(fēng)扇設(shè)計定位。因此，本研究采用剛性伸縮桿輻條作為網(wǎng)罩的柵欄，來實現(xiàn)網(wǎng)罩變形功能的最終解決方案。在此方案中，網(wǎng)罩的每根輻條由2 個管體套疊組成，剛性輻條兩端用鉸鏈分別與網(wǎng)罩的內(nèi)外圈連接，通過網(wǎng)罩內(nèi)外圈的相對運動帶動輻條的伸縮運動，實現(xiàn)網(wǎng)罩輻條順逆時針旋轉(zhuǎn)切換效果，如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)罩輻條由逆時針排列切換為順時針排列示意圖

將以上解決方案與桌面小風(fēng)扇的整體造型設(shè)計相融合，提出一款雙向控風(fēng)桌面小風(fēng)扇設(shè)計方案，如圖7 所示。

圖7 雙向控風(fēng)桌面小風(fēng)扇設(shè)計方案

3.5 方案的測試

針對最終提出的方案，本研究使用3D 打印技術(shù)制作順時針柵欄網(wǎng)罩與逆時針柵欄網(wǎng)罩，并安裝在小號小風(fēng)扇實體機中進行測試與使用體驗。基于小風(fēng)扇工作時與使用者的通常擺放距離及大概吹風(fēng)范圍，監(jiān)測點設(shè)置在離風(fēng)扇正前方0.3 與0.4 m 處，以及同等正前方距離偏離風(fēng)扇中心軸0.15 m 處，如圖8 所示。

由圖9 測量數(shù)據(jù)顯示，搭載順時針排列的網(wǎng)罩風(fēng)扇中軸線處的風(fēng)力強勁，偏離中心軸0.15 m處的風(fēng)速極低，符合強勁匯聚風(fēng)特征；搭載逆時針排列的網(wǎng)罩風(fēng)扇偏離中軸線0.15 m 處依然能監(jiān)測到較大的風(fēng)速，并且在測量過程中發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)有一定的波動，較符合自然風(fēng)的特征。另外，為了進一步確定提出方案的實際合理性，本研究還采用真實體驗測試的形式，對方案的工作性能進行評估。基于通常的使用習(xí)慣，用戶使用反饋顯示，搭載順時針柵欄網(wǎng)罩的風(fēng)扇，在皮膚與氣流相互作用區(qū)域，能感覺到較強烈的強直風(fēng)壓感，且作用部位降溫快速，但維持一段時間后，欠舒適感增加；搭載逆時針柵欄網(wǎng)罩的風(fēng)扇，在皮膚與氣流相互作用區(qū)域，整體的風(fēng)壓感較為均勻，使用一段時間后，基本能維持較好的舒適性。綜上分析，本研究提出的設(shè)計方案基本可到達設(shè)計期望。

圖8 數(shù)據(jù)監(jiān)測位置示意圖

圖9 2 種不同的柵欄排列方式對風(fēng)場的影響

4 結(jié)論

本研究將CFD 技術(shù)應(yīng)用于小風(fēng)扇的設(shè)計階段，利用CFD 技術(shù)可實現(xiàn)計算結(jié)果可視化的優(yōu)勢，完成對現(xiàn)有產(chǎn)品的工作特性及運行原理的分析，驅(qū)動合理設(shè)計方向的形成，為順利提出雙向控風(fēng)型桌面小風(fēng)扇設(shè)計解決方案提供了有效的技術(shù)支持。

1）本研究驗證了現(xiàn)有產(chǎn)品的分析是提出設(shè)計方案的基礎(chǔ)；

2）本研究凸顯出技術(shù)分析手段在構(gòu)建設(shè)計邏輯中發(fā)揮的重要作用，通過技術(shù)分析結(jié)果引導(dǎo)設(shè)計的深入，能有效克服產(chǎn)品設(shè)計方案產(chǎn)生的盲目性與偶然性問題，有助于提高產(chǎn)品設(shè)計效率與質(zhì)量。

文中提出的基于CFD 技術(shù)的設(shè)計解決方案可為類似的產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)提供參考。