同向转动双转子小型风扇模型建构及数值计算开题报告

1. 研究目的与意义

通常，如果电脑机箱内的各部件发出的热量在一定的时间内无法排出，那么由此累积产生的高温不但会导致系统的不稳定，甚至还有可能会烧毁某些部件，所以我们选择一个好的散热器是势在必行的。散热器顾名思义，当然就是担当了一个负责电脑内部热量与外部环境热量进行交换的角色，通过主动或者被动的方式，吸收热量传递出去或加快机箱内空气流动，以达到散热的效果。cpu速度与性能不断提升,尺寸愈来愈小,发热量却越来越高,所需解决的散热问题就越严重.cpu发热功率由几年前的20～30 w急速升至130w以上,intel因为150wcpu实在找不到良好散热方案,只好宣布放弃单核,开始全面开发双核cpu.因此如何改善和解决中央处理器在高速运算所伴随的高温问题,就成为目前电子散热行业的重要课题^[1]。

风冷是目前最常见的一种散热方式，具体散热形式就是使用散热片和风扇相配合，让散热片紧密地连接发热部件，然后由风扇带走散热片上的热量，以达到散热的目的。cpu散热器、显卡散热器、机箱散热器大多数都采用了风扇散热的散热方式。

小型轴流风扇在电器以及化工、机械等行业应用十分广泛。尤其在家电产品、计算机等行业，其作为重要的散热元件，其通风量等性能严重影响相关产品的性能和寿命。如：笔记本电脑、服务器等较昂贵的电子产品中换热风扇的通风能力直接影响主机的工作效率和寿命，噪声也直接影响工作环境和效果甚至健康。近年来，随着电子产品的不断小型化和高性能化，电子部件在工作过程中的发热量也增加，如何更好的提高其性能便成为影响电子产品性能和寿命的决定因素。小型换热风扇的性能不仅影响产品生产厂商的经济利益，还会造成社会能源的浪费，更会因为达不到节电、节能、低噪声而影响绿色环保，进而影响社会能源的合理配置和可持续发展。因此，正确计算和测试风扇内部流动特性和风扇性能、逐个分析不同结构因素对小型风扇性能的影响，找到影响风扇性能的主要结构因素，减少由结构因素所造成的损失，不仅从理论上为小型轴流风扇机构优化设计提供理论依据，还对提高风扇本身的性能和寿命有重要的促进作用。

2. 国内外研究现状分析

计算流体动力学（computational fluid dynamics,简称cfd）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析^[1]。cfd可以看做是在流动基本方程控制下对流动的数值模拟，通过这种数值模拟，我们可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量的分布，以及这些物理量随时间的变化情况，确定漩涡分布特性、空气特性及脱硫区等。

其实早在1933年，英国科学家thom应用手摇计算机完成了对一个外掠圆柱流动的数值计算。1952年，我国科学家吴仲华教授指出采用考虑叶片间相互作用的方法来重新研究内部流动问题，他提出的两类相对流面理论对叶轮机械内部流动的数值模拟产生了深远的影响，六、七十年代，以该理论为基础的叶栅流场数值研究在世界范围内得以迅速发展。大约从20世纪60年代开始，计算流体动力学便在全世界范围内形成规模，发展至今天，已经取得了许多丰硕的成果。其具体发展历程可分为三个阶段：

1. 萌芽初创阶段（1965~1974）

3. 研究的基本内容与计划

1. 安装计算流体动力学前处理软件GAMBIT2.1.6、计算流体动力学商用软件FLUENT2.1.66。

2. 熟悉GABMIT界面和操作，包括生成几何模型结构、Turbo工具的操作、模型的网格划分、区域类型设定及网格文件输出。

3. 熟悉FLUENT界面和操作。

4. 复习轴流风机孤立翼型¹设计方法后，利用GAMBIT软件建立风扇模型。风扇参数如表1，翼型采用圆弧板翼型

（1） 风扇选用圆弧板翼型。建模时注意hub（轮毂）、case（机壳）母线建立在xz平面上，叶片安装角是绕z轴负轴旋转37度，风扇轴转是x轴，在生成turbo体用到。可以具体建模方法参见GAMBIT Tutorial Guide之第八²章或者参考文献3第三章。圆弧板翼型参数见附件

（2） 网格划分：由于风扇的几何结构比较复杂，属于不规则形状，结构化网格进行划分具有一定难度，使用非结构化网格相结合对风扇计算域进行网格划分。网格单元可以采用Tet/Hybrid，网格类型可以选： TGrid 。

（3） GAMBIT下边界条件和流体区域的初始设定：

入口边界条件：设定进口边界为压力进口（pressure-inlet)。

出口边界条件：设定出口边界为自由出口（outflow）。

叶片边界条件：设定固壁（wall）。

其余边界选择默认。

风扇旋转区域：设定为流体（fluid）。

输出.msh文件。。

注：

可以利用Turbo工具建立单流道风扇模型，划分网格，设定边界条件，输入FLUENT计算时输出全流道数据。

可以利用Turbo工具建立单流道风扇模型，再合成全流道风扇模型，划分网格，设定边界条件，FLUENT计算时输出全流道数据。

可以直接建立全流道风扇模型，划分网格，设定边界条件，FLUENT计算时输出全流道数据。

三种方法第一种简单些，但全流道数据不如后两种方法真实。第二、第三种方法考虑网格划分的难度，可以忽略叶顶间隙。

5. 利用Fluent－3d求解器进行计算

（1） 读入网格文件、检查网格；设置非耦合求解器（Segregated）选用绝对速度表达式；选择RNG k-e紊流模型；设置流体属性等；

（2） 旋转流体区：旋转流体区是数值模拟计算的主要控制体，采用动参考坐标系（Moving

Reference frame），该区域的旋转速度与风扇转速相同，空气从进口沿Z轴负方向向出口运动。（Fluent定义绕轴逆时针转为正值）；

（3） 对特殊边界条件进行设置：入口和出口边界可以保持默认压力入口和压力出口；叶片壁面重新定义为旋转壁面(moving wall) ，风扇旋转速度为相对速度，与周围的流体速度相等。机壳内壁：机壳壁面采用无滑移固壁边界条件(no-slip)。当壁面运动速度为0时，壁面处的流体速度也为0；当壁面运动速度不为0时，壁面处的流体速度和壁面的运动速度相同。

（4） 启动Fluent进行计算：设置求解控制参数后，用inlet 边界对流场初始化开始迭代计算。

（5） 计算结果后处理：输出叶片压力面、吸力面的压力云图、速度图；等值子午面及等值圆柱面的压力分布图、马赫数分布云图、速度矢量图等。

6． 对流场简单进行分析

风扇各参数表1：

参考文献：

1.风扇翼型气动性能的实验研究

2.基于全三维流场分析的微小型轴流风扇优化设计系统的设计实现

3.台湾风扇流道

4.通风机=李庆宜

5.小型轴流CPU风扇设计与数值模拟_杨春信

6.小型轴流风扇之设计、模拟与实验整合研究

7.轴流风扇转子叶片优化设计

8.軸流風扇流場模擬與性能評估

9.转子结构对风扇性能和内部流动的影响研究

10.experimental computer

4. 研究创新点

本研究针对于双转子且是同一方向转动的情况进行了模型的构建和流场等各个性能的计算分析，为小型轴流风扇的研究提供依据。