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风扇基础知识和风冷风扇模型仿真分析

LEVEL水平线仿真

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1，风扇的基础知识

1.1风扇的分类

①轴流风扇：轴流风扇的工作原理是将空气从一端抽进，并以与轴线平行的方向将其从另一端吹出；风量大、风压小、不改变气流方向；

②离心风善：其特点是叶轮包含在电机驱动的轮毂中，将空气吸入壳内，然后从与进气口成 90 °(垂直)的出口排出；风量小，风压大，改变气流方向；

图1.1 轴流风扇（左）&离心风扇（右）

表1.2 轴流风扇&离心风扇基本特征比较

1.2 风扇线性的定义

①两线风扇：分别为正负极两根线，可通过调节输入电压调节转速；

②三线风扇：正负两根线+FG信号线，FG可提供转速反馈及报警；

④四线风扇：比三线风扇多出一条PWM控制线，PWM控制线通过输出占空比的方式较为精确的控制转速

图1.3 风扇线性定义（两线、三线、四线）

1.3 吹抽风模式

①吹风：

优点：风扇出风附近气流主要为紊流，局部换热强烈，宜用于发热器件比较集中的情况；吹风时机柜内部为正压，可以防止缝隙中的灰尘进入机柜；风扇不会受到系统散热量的影响，风扇寿命较长；

缺点：吹风具有方向性，送风量不均匀；风扇HUB附近有部分回流和低速区，换热较差；

②抽风：

优点：送风均匀，气体均匀流过发热体表面，适用于发热器件比较均匀，风道复杂的情况；

缺点：机柜内部为负压，灰尘容易进入机箱；风机将在出风口高温气流下工作，寿命较短；

图1.4 风扇吹抽风模式（吹风VS抽风）

1.4轴承类型

①含油轴承：成本低，噪音低，耐受冲击和振动的性能更强，寿命较短；

②滚珠轴承：成本高、噪声大、复杂度更高，耐冲击能力不及滑动轴承，寿命较长。

图1.5 风扇轴承类型（含油轴承VS滚珠轴承）

1.5 风扇的基础用语

①风量&静压

PQ曲线中：压力导致的损耗（静压）为0时的情况称为最大风量Qmax，即曲线与横坐标交点处值；压力损耗（静压）最大时称为最大静压Pmax，即曲线与纵坐标交点处值；

风扇入口与出口两端压力差与当时状态下流量Q的对应值为PQ值，即曲线上的各点的值（P，Q），组成风扇特性曲线；

图1.6 风扇风量&静压

1.6.风扇的动作点

系统阻抗曲线（红色）与风扇特性曲线（黄色）的交点为风扇的动作点，根据不同的系统阻抗，动作风量也会发生相应的变化。

轴流风机应尽量工作在PQ曲线的后1/3区域，离心风机应尽量工作在PQ曲线的前1/3区域。同时应避免风机工作点落在风机的不稳定区（失速区），此区域工作状态变得不稳定，振动值，噪音值上升。

图1.7 风扇动作点

1.7.风扇的CAE仿真

如果有如下图所示的散热器和风扇结构，散热器直接安装在散热器背面：

则在Simcenter STAR-CCM+中需要定义出以下Regions和相关边界，其中外围的淡蓝色为空气域，橙色为散热器域，灰色为风扇域：

CAD

为了获取这些Regions，建议从Simcenter STAR-CCM+中的3D-CAD层级将车辆的CAD导入。也可以从外部导入，通过类似STAR-NX的CAD Clients连接，或直接在Simcenter STAR-CCM+ 3D-CAD中创建几何，然后转换到Parts层级。本文所用的几何均在3D-CAD中创建，然后转到Parts层级。

Regions

下一步将Parts转到Regions层级。几何中的每对重合边界都需要设置为Simcenter STAR-CCM+中的Interface。通常在将Parts转为Regions时会自动设置Interface，如果没有自动设置，则可以按住Ctrl键在Regions-Boundaries中选择两个边界面，右键-Create interface。散热器罩和风扇罩为壁面，应设置为Baffle interface，风扇用面代替，设置为Fan interface，其他所有重合面均设置为Internal interface。将散热器设置为多孔介质区域（单击该Region，转到“属性”窗口并将类型设置为“Porous”）。

多孔介质设置

数据来源

首先，打开表格“rad_resistance_term_calculations”（可从文末的链接下载）。输入压降和速度值，这些值需要通过风洞或其他测试方法获得，表格中已输入了计算阻力项的公式，输入压降和速度即可得到对应的阻力值。如果没有这些值且无法获得，表格中还给出了用于汽车、卡车和摩托车的典型值范围。本表中使用的数值与某高校FSAE团队测试的压降和速度值非常吻合。

测试装置

测试团队在低速1'（1英尺）直径的风洞中，以2018年散热器作为试验对象，测量上游和下游压力。以下为测试现场图片：

测试数据

·试验段动压：V=6.05米/秒

·上游和下游总压差：ΔP=P0,1-P0,2=270.24帕

·散热器芯厚度：T=1.8英寸=0.0457米

用下式计算得到沿流动方向（X方向，垂直于散热器）的粘性阻力：

其他两个方向的粘性阻力均设置为1000000 kg/m^3-s，模拟散热器将气流限制在X方向的真实情况。

请注意，不同于用一组P-V值拟合曲线的做法，这里演示了如果仅知道速度和压降的单个数据点，如何得到阻力项的方法。

验证阻力数据

将求得的阻力数据应用于验证案例，使用卡车试验测量30mph下的质量流量，并将其与相同设置的Simcenter STAR-CCM+模拟结果进行比较

输入惯性阻力项和粘性阻力项模拟得到的质量流量为0.422kg/s，而实验测量的质量流量为0.4433kg/s（误差为4.8%）。关于这个测试、实验的更多信息，请参阅所附的Cal Poly，San Luis Obispo FSAE的文档，文末链接可以下载。

设置阻力项

到此为止，已经计算了阻力项并对其进行了验证，输入到Simcenter STAR-CCM+中。转到Radiatorregion，展开Physics values, 将其设置为散热器的局部坐标系。展开Porous inertial resistance > Principaltensor，确保XX和YY的坐标系设置为相同的局部坐标系。

要检查XX和YY的方向，可以打开一个Scene，然后单击散热器的局部坐标系（Tools > Coordinatesystems > Laboratory > Local coordinate systems），在Scene中会显示出该坐标系，可以观察坐标系是否正确。粘性阻力节点的设置方法相

同。

风扇设置

首先得到所用风扇的性能曲线，通常风扇制造商可以提供。本例使用的是VA22-AP11-/C-50A。原始数据的量纲是m^3/hr和mmh20，将其转换为m^3/s和Pa，与Simcenter STAR-CCM+默认的量纲保持一致。

复制m^3/s和Pa两列到Excel表中，在每列顶部的单元格中添加标题（“Vol”和“P”），并将该表另存为一个新的.csv文件。然后导入Simcenter STAR-CCM+的.sim文件，Tools> Table > New table > File table 。

将此表格输入到风扇的Interface设置中。进入Interface，展开Fan interface > Physics values > Fan curve table，单击Fan curve table子节点，在属性窗口中，将Table设置为刚导入的表格，其余各项按照下图设置：

其中Operating rotation rate是计算中所用的风扇转速，Data rotation rate是测量性能曲线时的风扇转速。

需要注意，Fan interface的方向非常重要，运行之前要检查Interface的方向是否正确。如果原始的输入顺序被颠倒了，则计算后高压侧和低压侧会被翻转，从而导致风扇气流向后（回到风道中）。Interface属性界面中，默认Boundary-0是上游边界，Boundary-1是下游边界。如果方向错误，右键单击Interface，选择Reverse Orientation，即可纠正。

网格和湍流模型

如果使用Trimmed网格，则需要勾选Per-part meshing（在“Automated mesh”节点的属性窗口）。设置一个Surface control，取消不需要的棱柱层网格（没有边界层的地方，如散热器的入口和出口），减少网格数。

生成的网格如下

用Volumetric control细化风道百叶窗所在的面和棱柱层（本文后面将用到这些）：

连续体设置

All y+ wall treatment
Constant density
Exact wall disctance
Gas
Gradients
K-Omega Turbulence
RANS
Segregated flow
SST (Menter) K-Omega
Steady
Turbulent

设计方案

初始测试不包括任何尾翼（为了减少网格），并且不进行网格验证。之后将添加尾翼，并使用更精细的网格。每个计算文件的网格总数约为480000。大多数网格细化集中在风道、散热器和风扇表面及其附近。

在本研究的第一部分，即本文所述部分，测试了风道、护罩、风扇的几种形式及其组合，如下表所示：

一、风扇类型

1.风扇交界面

风扇交界面是一种简单模型，它用零厚度交界面表示风扇，并施加跨过交界面的压力跃变。此模型也可将旋流添加到流体下游。该模型是一种隐式实现，它提供了比风扇动量源更快的收敛。

风扇交界面是一种简单模型，它提供了比风扇动量源更快的收敛。它将通过轴向风扇的压力上升建模为局部流率或速度的函数。对于轴向风扇，流出方向与流入方向相同。但是，对于径向风扇（或风机），流出方向与流入方向不同。这些类型的风扇使用风机交界面建模。

风扇交界面将风扇建模为厚度为零的圆形交界面，尽管对使用的拓扑没有限制。此交界面类型仅在属于同一流体连续体的区域之间使用。设置风扇交界面时，需要提供与要建模的实际风扇对应的风扇性能曲线。

2.风机交界面

利用风机交界面可以对两种类型的径向风扇建模：离心风扇和叶轮风扇。

3.风扇动量源

风扇动量源是比风扇交界面更复杂的模型。此模型可以将旋流添加到流体下游，并应用于表示风扇三维体积的区域。风扇动量源模型使用显式实现，因此收敛较慢。

此方法不会对风扇叶片的详细几何建模。圆形风扇盘被网格化为单独区域，而且 Simcenter STAR-CCM+ 将识别由风扇叶片扫掠出的体积中的网格单元。将会对这些网格单元应用适当的动量源（包括旋流组件）。分析是稳态的，所以不包含叶片的通过效应。

风扇动量源模型可以模拟最常见的轴向风扇设计。该模型非常适用于反压力梯度，这种情况下风扇会抵抗背压进行推动。在同一模拟中可以有多个风扇。由于动量源是基于理论的，因此无法保证得到的流率和压力上升位于特定风扇的风扇曲线上。需要指定适当的风扇性能线。软件会自动调整动量源，以使所模拟风扇的操作点落在该风扇曲线上。风扇动量源模型使用显式实现，因此会减慢收敛速度。

风扇交界面和风扇动量源都是简单模型，通过牺牲精度来获得速度。要获得更精确的结果，可以使用移动参考坐标系 (MRF) 或网格运动对风扇的单个叶片建模。