FloTHERM 轴流风扇仿真相关理论
前言
轴流风扇作为电子设备风冷散热系统中最核心的驱动元件之一，其性能的准确仿真对于评估系统散热能力、优化风道设计以及预测设备在高空或极端温度下的可靠性至关重要。本文旨在梳理 FloTHERM 中进行轴流风扇仿真时涉及的理论基础、关键参数修正方法以及特殊风扇类型（如对转风扇）的建模要点，为工程师进行准确高效的散热仿真提供理论依据和实践指导
1.转速对PQ曲线、功耗与噪声的影响
PQ曲线关系：
风量（Q）∝转速（n）
风压（P）∝ n²
功耗（N）∝ n³（理论），实际因效率损失降至∝n².⁵–².⁸（低速区效率骤降）。
噪声（L）：
理论关系：L ∝log₁₀（n⁵）
实际修正：ΔL ≈ 50 log₁₀(n₂/n₁) dB（转速降低50%时，风扇噪声降低约15dB）。
效率损失机制：
·低速时气动效率下降（叶片攻角偏离设计值）、机械损耗占比增大（轴承摩擦）、电机效率降低。
2.海拔&温度对PQ曲线与功耗的影响
空气密度随温度变化关系为
ρ = 1.293 × (P_actual / P_std) × (273.15 / T)
P_actual: 实际大气压（Pa）
P_std: 标准大气压（101,325 Pa）
气压随海拔的变化（经验公式）：
P = P₀ × (1 - 0.02257·h)⁵·²⁵⁶
P₀: 海平面标准大气压（101.325 kPa）
h: 海拔高度（km）
T: 实际绝对温度（K）
综合以上两个变量影响，海拔和温度对空气密度的影响公式为
ρ = 1.293 ×（1-0.02257·h)⁵·²⁵⁶× (273.15 / T)
·核心影响：海拔升高 → 空气密度ρ下降（每1000m降低8–10%）。
·参数修正：
参数 | 修正公式 | 说明 |
风压 | Pₐ = P₀ × (ρₐ/ρ₀) | 风压同比降低 |
质量流量 | Qₘ = Qᵥ × (ρₐ/ρ₀) | 实际散热能力减弱 |
功耗 | Nₐ = N₀ × (ρₐ/ρ₀) | 电机需降容（防过热） |
风扇的P-Q性能一般是20℃标准大气压为基准，ρ0即为该条件下空气密度1.2kg/m3
3.风扇串并联特性
按照理想状态，风扇串联和并联的P-Q曲线如下所示。
3.1 串联：串联后P-Q性能，Q不变，每个Q对应的P翻倍
3.2 并联：并联后P-Q性能，P不变，每个P对应的Q翻倍。N个风扇并联时候噪声变化量ΔL=10log10（N）
注：实际因湍流损失和气流干扰损失，风扇串并联的实际P-Q曲线性能要低于理想值
4.风扇自身发热功率
风扇发热功率Pheat=Pin−Pmech
Pmech为是风扇电机对外输出功率Pmech= Q⋅P/ηfan，
ηfan可按照轴流风扇0.5~0.6计算，双转子轴流风扇效率取0.65~0.75
关键点：电机轴功率要高于风扇对外输出P*Q的有效功
例：风扇输入功率为66W，工作点P=50Pa，风量Q=0.5m3/s，风扇机械效率0.6
计算：机械功率：Pmech=0.5×50/0.6≈41.7W
发热功率：Pheat=66−41.7=24.3W
5.对转轴流风扇（Counter-rotating Fan）
对转轴流风扇有两个风扇转子，且进风口和出风口转子转动方向相对，其性能特点为：
1）后叶片反向旋转，削弱了前叶片产生的空气旋流，从而形成直线气流；
2）后叶片将空气流经前叶片的旋转动能转化为直线气流动能，显著提升风扇静压，当前的对转轴流风扇Pmax可超过2000Pa。
3）显著优化轴流风扇失速区，使其位于P-Q性能曲线的前1/3区域，最佳工作区域明显增大
FLotherm中建模建议对风扇设置Swirl模式，Counter-rotating Fan按照前后风扇的转速差设置旋转速度。
