散熱風(fēng)機(jī)內(nèi)非定常流動(dòng)和氣動(dòng)噪聲的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、風(fēng)機(jī)(軸流、離心風(fēng)扇)廣泛應(yīng)用于儀器設(shè)備的散熱部件中，作為散熱關(guān)鍵部件，其運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)是否良好直接影響儀器設(shè)備的散熱性能，且風(fēng)扇的噪聲會(huì)成為影響環(huán)境噪聲的主要因素。噪聲對(duì)人長(zhǎng)時(shí)間作用，會(huì)引起人煩躁不安，降低工作效率。所以，有必要對(duì)散熱系統(tǒng)(含風(fēng)扇)的氣動(dòng)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理及特性進(jìn)行研究，以便為低噪聲風(fēng)扇設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 本論文從流動(dòng)誘發(fā)氣動(dòng)噪聲的角度出發(fā)，主要對(duì)散熱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了一系列的數(shù)值模擬并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性。如對(duì)空調(diào)室

2、外機(jī)軸流風(fēng)扇系統(tǒng)的內(nèi)部流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬并通過(guò)PIV試驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性；對(duì)筆記本電腦用微型離心風(fēng)機(jī)的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬等。其次，實(shí)驗(yàn)研究了散熱風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的氣動(dòng)噪聲特性，并在數(shù)值模擬基礎(chǔ)上對(duì)其噪聲預(yù)測(cè)進(jìn)行了探索性研究。本論文的主要工作和成果如下： (1)采用CFD方法從整個(gè)系統(tǒng)上對(duì)分體式空調(diào)室外機(jī)空氣側(cè)流場(chǎng)特性進(jìn)行了數(shù)值分析，比較風(fēng)機(jī)流道內(nèi)部與其下游的速度分布表明：計(jì)算結(jié)果與PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)試值具有一致的速度分布特性，兩者基本吻合，從而驗(yàn)

3、證了CFD數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。因此，所建的數(shù)值模型可用于室外機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的設(shè)計(jì)計(jì)算，且計(jì)算結(jié)果能反應(yīng)內(nèi)部的實(shí)際情況。 (2)在風(fēng)扇出口，軸向速度在接近風(fēng)機(jī)中徑處(約64.5％葉高處)最大，并向風(fēng)機(jī)輪轂和葉尖方向逐漸減小。CFD數(shù)值模擬與PIV測(cè)量值的誤差小于15％，對(duì)于復(fù)雜的工程問(wèn)題，尤其是非穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)問(wèn)題，認(rèn)為其能夠滿足計(jì)算需求。CFD計(jì)算值略高于PIV實(shí)驗(yàn)值，偏大的原因在于風(fēng)機(jī)出口處格柵的簡(jiǎn)化造成的，故為了進(jìn)一步提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，建

4、議在計(jì)算機(jī)資源允許的情況下，考慮風(fēng)機(jī)下游格柵的影響。 (3)通過(guò)流場(chǎng)分析知，室外機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)存在大的旋渦，所以模擬過(guò)程采用LES模型對(duì)其進(jìn)行非定常模擬計(jì)算是確切的。在風(fēng)機(jī)葉頂吸力面?zhèn)炔蹲降矫黠@的渦流，這是由于葉頂間隙的存在，壓力面與吸力面之間形成壓差流動(dòng)而產(chǎn)生的。渦流被主氣流帶走，會(huì)產(chǎn)生渦流噪聲。因此，在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意合理的選擇間隙的尺寸從而避免渦流的產(chǎn)生，以降低風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)噪聲，改善風(fēng)機(jī)的氣動(dòng)性能。 (4)由噪聲頻譜圖分

5、析知，室外機(jī)的噪聲為寬頻和離散頻率噪聲的疊加。文中對(duì)兩者分開進(jìn)行預(yù)估。由于尾渦脫落是寬頻噪聲的主要聲源，文章采用了Fukano模型，并且考慮估算點(diǎn)到風(fēng)機(jī)尾緣的軸向距離Z值也是噪聲模型中的一個(gè)重要參數(shù)，從而將其Fukano模型進(jìn)行修正。對(duì)于離散頻率的噪聲，基于非定常計(jì)算結(jié)果采用Lowson模型求得各階次噪聲值。噪聲的預(yù)估值與實(shí)驗(yàn)值吻合較好，本文所建噪聲預(yù)測(cè)模型能為空調(diào)界快速有效地進(jìn)行室外機(jī)系統(tǒng)的噪聲預(yù)測(cè)提供依據(jù)。 (5)對(duì)筆記本電

6、腦CPU散熱用微型離心風(fēng)機(jī)的流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，詳細(xì)分析了風(fēng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)壓力、速度、漩渦強(qiáng)度的分布情況。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表面兩者吻合良好。并詳細(xì)分析了帶有旁通的微型離心風(fēng)機(jī)的內(nèi)部流動(dòng)，結(jié)果表明有旁通的風(fēng)機(jī)的性能優(yōu)于不帶旁通的，且在蝸舌處添加旁通可以改善蝸舌處的渦流，有利于降低噪聲。同時(shí)，為研究筆記本電腦的散熱特性，對(duì)微型離心風(fēng)機(jī)置入電腦后整體的內(nèi)部空氣流動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了內(nèi)部的整體流動(dòng)情況，捕

7、捉到很多有價(jià)值的流動(dòng)特性。結(jié)果顯示非工作狀況下筆記本電腦內(nèi)部主要是由離心風(fēng)機(jī)引起的流動(dòng)及噪聲。 (6)實(shí)驗(yàn)研究了筆記本電腦散熱系統(tǒng)中離心式風(fēng)機(jī)引起的氣動(dòng)噪聲特性，主要分析了進(jìn)氣格柵、輸入輸入設(shè)備接口以及DVD、硬盤等處縫隙對(duì)噪聲特性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：?jiǎn)蝹€(gè)接口或縫隙對(duì)噪聲總聲壓級(jí)的影響不大，但是對(duì)某個(gè)方位上的聲壓級(jí)有一定的影響；指向性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)筆記本電腦系統(tǒng)的噪聲在空間分布上不均勻，具有明顯的指向性，這些結(jié)論可為以后筆記本電腦內(nèi)