基于數(shù)值模擬探究單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)對小型軸流風(fēng)扇性能的多維影響一、緒論1.1研究背景與意義1.1.1研究背景在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時代，小型軸流風(fēng)扇作為一種關(guān)鍵的散熱設(shè)備，在眾多領(lǐng)域中發(fā)揮著不可或缺的作用。尤其是在電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域，小型軸流風(fēng)扇的應(yīng)用極為廣泛。隨著電子產(chǎn)品朝著集成化、大功率化方向不斷邁進(jìn)，其內(nèi)部電子元件在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的熱量急劇增加。以智能手機(jī)為例，現(xiàn)代智能手機(jī)集成了高性能處理器、高像素攝像頭、5G通信模塊等大量功能強(qiáng)大的電子元件，這些元件在運(yùn)行時會產(chǎn)生大量熱量，如果不能及時有效地散熱，將會導(dǎo)致手機(jī)性能下降，出現(xiàn)卡頓、死機(jī)等問題，嚴(yán)重影響用戶體驗(yàn)，甚至還可能縮短電子元件的使用壽命，增加設(shè)備故障的風(fēng)險。同樣，在計算機(jī)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器需要持續(xù)運(yùn)行以處理海量的數(shù)據(jù)，服務(wù)器內(nèi)部的CPU、GPU等核心部件在高負(fù)荷運(yùn)行時會產(chǎn)生大量的熱，若散熱不良，會導(dǎo)致服務(wù)器運(yùn)行不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)處理速度變慢，甚至引發(fā)硬件損壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。除了電子產(chǎn)品散熱領(lǐng)域，小型軸流風(fēng)扇在其他領(lǐng)域也有著重要應(yīng)用。在汽車發(fā)動機(jī)散熱系統(tǒng)中，小型軸流風(fēng)扇能夠有效地將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，保證發(fā)動機(jī)在適宜的溫度范圍內(nèi)工作，從而提高發(fā)動機(jī)的性能和可靠性，延長發(fā)動機(jī)的使用壽命。在工業(yè)自動化設(shè)備中，如機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床等，小型軸流風(fēng)扇用于對設(shè)備內(nèi)部的電氣元件進(jìn)行散熱，確保設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，提高生產(chǎn)效率。在航空航天領(lǐng)域，小型軸流風(fēng)扇被應(yīng)用于飛機(jī)的電子設(shè)備艙、發(fā)動機(jī)艙等部位的散熱，對于保障飛行安全和設(shè)備正常運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。然而，傳統(tǒng)的小型軸流風(fēng)扇在面對日益增長的散熱需求時，逐漸暴露出一些問題。一方面，其散熱效率難以滿足現(xiàn)代設(shè)備高功率運(yùn)行時的散熱要求，導(dǎo)致設(shè)備過熱問題頻發(fā)。另一方面，在追求散熱效率的同時，風(fēng)扇的能耗和噪音問題也日益凸顯。高能耗不僅增加了設(shè)備的運(yùn)行成本，也不符合當(dāng)前節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念；而高噪音則會對工作和生活環(huán)境造成干擾，影響人們的身心健康。因此，迫切需要對小型軸流風(fēng)扇的性能進(jìn)行提升，以滿足現(xiàn)代設(shè)備不斷發(fā)展的需求。1.1.2研究意義研究單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)對小型軸流風(fēng)扇性能的影響具有多方面的重要意義，具體體現(xiàn)在以下幾個關(guān)鍵領(lǐng)域：散熱效率提升：小型軸流風(fēng)扇作為各類設(shè)備的散熱關(guān)鍵部件，其性能直接關(guān)乎設(shè)備的散熱效果。通過深入探究單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)對風(fēng)扇性能的影響，能夠找到優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)的有效方法，進(jìn)而顯著提升風(fēng)扇的散熱效率。這對于保障設(shè)備在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，防止因過熱導(dǎo)致的性能下降、故障甚至損壞等問題具有至關(guān)重要的作用。在數(shù)據(jù)中心中，服務(wù)器的穩(wěn)定運(yùn)行依賴于高效的散熱系統(tǒng)，優(yōu)化后的小型軸流風(fēng)扇可以更有效地將服務(wù)器產(chǎn)生的熱量排出，確保服務(wù)器長時間穩(wěn)定工作，提高數(shù)據(jù)處理的準(zhǔn)確性和效率。能耗降低：隨著能源問題的日益突出，降低設(shè)備能耗已成為各行業(yè)發(fā)展的重要目標(biāo)。小型軸流風(fēng)扇作為耗電設(shè)備，其能耗的降低對于節(jié)能減排具有重要意義。研究不同的單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)，有助于設(shè)計出能耗更低的風(fēng)扇。優(yōu)化后的葉片結(jié)構(gòu)可以使風(fēng)扇在提供相同風(fēng)量和靜壓的情況下，消耗更少的電能，從而降低設(shè)備的整體能耗，減少能源浪費(fèi)，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。在工業(yè)生產(chǎn)中，大量的設(shè)備使用小型軸流風(fēng)扇進(jìn)行散熱，降低風(fēng)扇能耗可以為企業(yè)節(jié)省可觀的能源成本。噪音減少：風(fēng)扇運(yùn)行時產(chǎn)生的噪音會對工作和生活環(huán)境造成干擾，影響人們的身心健康和工作效率。不合理的單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)往往是導(dǎo)致風(fēng)扇噪音過大的重要原因之一。通過研究單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)與風(fēng)扇性能的關(guān)系，可以優(yōu)化葉片設(shè)計，有效降低風(fēng)扇運(yùn)行時的噪音。這不僅能改善工作和生活環(huán)境的舒適度，還能減少噪音對設(shè)備操作人員的聽力損傷。在辦公室、家庭等場所，低噪音的小型軸流風(fēng)扇可以為人們提供一個安靜的環(huán)境，提高人們的生活質(zhì)量和工作效率。產(chǎn)品性能優(yōu)化：在電子產(chǎn)品、汽車、工業(yè)設(shè)備等眾多領(lǐng)域，產(chǎn)品的性能和可靠性是用戶關(guān)注的重點(diǎn)。小型軸流風(fēng)扇作為這些產(chǎn)品的重要組成部分，其性能的提升能夠直接優(yōu)化產(chǎn)品的整體性能。通過對單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)的研究，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇性能的優(yōu)化，有助于提高產(chǎn)品的競爭力。在智能手機(jī)市場，散熱性能和噪音控制是用戶選擇手機(jī)的重要因素之一，采用優(yōu)化后的小型軸流風(fēng)扇可以提升手機(jī)的散熱性能和用戶體驗(yàn)，使手機(jī)在市場競爭中更具優(yōu)勢。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1小型軸流風(fēng)扇研究進(jìn)展小型軸流風(fēng)扇的研究經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程，從早期簡單的結(jié)構(gòu)設(shè)計到如今復(fù)雜的性能優(yōu)化，每一個階段都見證了技術(shù)的進(jìn)步和創(chuàng)新。早期的小型軸流風(fēng)扇主要應(yīng)用于簡單的通風(fēng)散熱場景，其設(shè)計相對簡單，主要側(cè)重于滿足基本的通風(fēng)需求。隨著工業(yè)革命的推進(jìn)，各行業(yè)對風(fēng)扇性能的要求逐漸提高，小型軸流風(fēng)扇的研究開始朝著提高效率和增加風(fēng)量的方向發(fā)展。研究人員通過改進(jìn)葉片形狀和結(jié)構(gòu)，優(yōu)化風(fēng)扇的空氣動力學(xué)性能，使風(fēng)扇在相同能耗下能夠提供更大的風(fēng)量，從而提高了散熱效率。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的集成度越來越高，對小型軸流風(fēng)扇的性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。一方面，需要風(fēng)扇在狹小的空間內(nèi)提供高效的散熱能力，以確保電子設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行；另一方面，對風(fēng)扇的噪音和能耗也有了更高的限制，以滿足用戶對舒適和節(jié)能的需求。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，研究人員開始采用先進(jìn)的設(shè)計理念和技術(shù)手段，如計算流體力學(xué)（CFD）、有限元分析（FEA）等數(shù)值模擬方法，對風(fēng)扇的內(nèi)部流場和結(jié)構(gòu)力學(xué)進(jìn)行深入研究，從而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇性能的優(yōu)化設(shè)計。在散熱效率提升方面，相關(guān)研究不斷探索新的設(shè)計思路和方法。一些研究通過優(yōu)化葉片的形狀和角度，使氣流在風(fēng)扇內(nèi)部的流動更加順暢，減少能量損失，從而提高散熱效率。還有研究采用新型材料制造葉片，減輕葉片重量的同時提高其強(qiáng)度和剛度，使得風(fēng)扇能夠在更高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，進(jìn)一步提升散熱能力。在能耗降低方面，研究人員致力于開發(fā)高效的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)和智能控制算法，根據(jù)設(shè)備的實(shí)際散熱需求自動調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，避免不必要的能耗。在噪音控制方面，通過優(yōu)化葉片的結(jié)構(gòu)和表面處理，減少氣流與葉片之間的摩擦和湍流，降低噪音的產(chǎn)生。目前，小型軸流風(fēng)扇的研究正朝著智能化、集成化和綠色環(huán)保的方向發(fā)展。智能化方面，風(fēng)扇將具備更多的智能感知和控制功能，能夠?qū)崟r監(jiān)測設(shè)備的溫度、濕度等參數(shù)，并自動調(diào)整運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)散熱。集成化方面，風(fēng)扇將與其他散熱組件進(jìn)行有機(jī)集成，形成一體化的散熱解決方案，提高散熱系統(tǒng)的整體性能。綠色環(huán)保方面，研究人員將更加注重風(fēng)扇的能源效率和環(huán)保材料的應(yīng)用，減少對環(huán)境的影響。1.2.2單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)研究情況單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)作為小型軸流風(fēng)扇的核心組成部分，其設(shè)計和類型對風(fēng)扇性能有著至關(guān)重要的影響。在葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。傳統(tǒng)的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計主要基于經(jīng)驗(yàn)公式和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過不斷嘗試和改進(jìn)來優(yōu)化葉片的形狀和尺寸。然而，這種方法存在一定的局限性，難以全面考慮各種復(fù)雜因素對風(fēng)扇性能的影響。隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)值模擬方法逐漸成為葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要手段。利用CFD軟件，研究人員可以對不同葉片結(jié)構(gòu)下的風(fēng)扇內(nèi)部流場進(jìn)行模擬分析，預(yù)測風(fēng)扇的性能參數(shù)，如風(fēng)量、風(fēng)壓、效率等，從而為葉片結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)依據(jù)。在葉片類型方面，常見的有直葉片、后彎葉片、前彎葉片等。不同類型的葉片具有不同的氣動性能和特點(diǎn)。直葉片結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但在高轉(zhuǎn)速下容易產(chǎn)生較大的噪音和能量損失；后彎葉片能夠使氣流在葉片表面的流動更加平穩(wěn)，降低噪音和能量損失，提高風(fēng)扇的效率，但制造工藝相對復(fù)雜；前彎葉片則可以在較小的尺寸下提供較大的風(fēng)量，但效率相對較低，且容易出現(xiàn)氣流分離現(xiàn)象。研究表明，葉片的數(shù)量、厚度、弦長等參數(shù)也會對風(fēng)扇性能產(chǎn)生顯著影響。增加葉片數(shù)量可以提高風(fēng)扇的靜壓，但同時也會增加氣流的阻力和噪音；適當(dāng)減小葉片厚度可以降低風(fēng)扇的重量和慣性，但可能會影響葉片的強(qiáng)度和剛度；調(diào)整葉片弦長可以改變?nèi)~片的氣動性能，從而影響風(fēng)扇的風(fēng)量和風(fēng)壓。許多學(xué)者還研究了葉片表面的粗糙度、波紋度等微觀結(jié)構(gòu)對風(fēng)扇性能的影響。通過在葉片表面制造特定的微觀結(jié)構(gòu)，可以改變氣流在葉片表面的流動狀態(tài)，抑制邊界層分離，降低氣流的阻力和噪音，提高風(fēng)扇的性能。一些研究還探索了采用變截面葉片、扭曲葉片等新型葉片結(jié)構(gòu)，以進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)扇的氣動性能。1.2.3數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀數(shù)值模擬技術(shù)在軸流風(fēng)扇研究中得到了廣泛的應(yīng)用，為深入探究風(fēng)扇的內(nèi)部流動特性和性能優(yōu)化提供了強(qiáng)大的工具。其應(yīng)用范圍涵蓋了風(fēng)扇的設(shè)計、性能預(yù)測、優(yōu)化分析以及噪聲研究等多個方面。在風(fēng)扇設(shè)計階段，數(shù)值模擬可以幫助設(shè)計人員快速評估不同設(shè)計方案的性能優(yōu)劣，提前發(fā)現(xiàn)潛在問題，從而減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，縮短設(shè)計周期，降低研發(fā)成本。通過建立風(fēng)扇的三維模型，利用CFD軟件對風(fēng)扇內(nèi)部的流場進(jìn)行模擬計算，可以得到風(fēng)扇在不同工況下的速度場、壓力場、溫度場等詳細(xì)信息，為風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。在性能預(yù)測方面，數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)扇的風(fēng)量、風(fēng)壓、效率等性能參數(shù)，為風(fēng)扇的選型和應(yīng)用提供參考。與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試方法相比，數(shù)值模擬具有成本低、速度快、可重復(fù)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于對不同工況下風(fēng)扇性能的研究。在優(yōu)化分析中，通過數(shù)值模擬可以對風(fēng)扇的葉片形狀、數(shù)量、安裝角度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以提高風(fēng)扇的性能。通過改變?nèi)~片的形狀和參數(shù)，模擬計算不同方案下風(fēng)扇的性能，找到最優(yōu)的設(shè)計方案，從而提高風(fēng)扇的效率、降低能耗和噪音。在軸流風(fēng)扇研究中，常用的數(shù)值模擬軟件有ANSYSCFX、FLUENT、STAR-CCM+等。這些軟件都基于先進(jìn)的計算流體力學(xué)理論，具備強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分、求解器和后處理功能。ANSYSCFX采用有限體積法對控制方程進(jìn)行離散求解，具有高精度和穩(wěn)定性，在處理復(fù)雜幾何模型和多物理場耦合問題方面表現(xiàn)出色；FLUENT擁有豐富的物理模型和求解算法，能夠模擬各種復(fù)雜的流動現(xiàn)象，如湍流、熱傳導(dǎo)、化學(xué)反應(yīng)等，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用；STAR-CCM+則以其高效的并行計算能力和先進(jìn)的多面體網(wǎng)格技術(shù)，在處理大規(guī)模計算問題時具有優(yōu)勢，并且提供了豐富的優(yōu)化工具，便于進(jìn)行風(fēng)扇的性能優(yōu)化。國內(nèi)外眾多學(xué)者利用這些軟件開展了大量的研究工作，并取得了豐碩的成果。有學(xué)者通過數(shù)值模擬研究了葉片的彎曲角度和扭曲程度對軸流風(fēng)扇性能的影響，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)調(diào)整葉片的彎曲角度和扭曲程度可以提高風(fēng)扇的效率和靜壓；還有學(xué)者利用數(shù)值模擬分析了風(fēng)扇內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)和漩渦分布，揭示了風(fēng)扇內(nèi)部流動損失的產(chǎn)生機(jī)理，為風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)；在噪聲研究方面，通過數(shù)值模擬預(yù)測風(fēng)扇的噪聲源和傳播路徑，提出了相應(yīng)的降噪措施，如優(yōu)化葉片形狀、調(diào)整葉片間距等，取得了良好的降噪效果。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本研究旨在深入探究單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)對小型軸流風(fēng)扇性能的影響，具體從以下幾個關(guān)鍵方面展開：葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對靜特性的影響：系統(tǒng)研究葉片數(shù)量、形狀、角度等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對小型軸流風(fēng)扇靜特性的影響。通過數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，全面分析不同參數(shù)組合下風(fēng)扇的風(fēng)量、風(fēng)壓、效率等靜特性參數(shù)的變化規(guī)律。改變?nèi)~片數(shù)量，研究其對風(fēng)扇靜壓和風(fēng)量的影響，確定在不同工況下的最佳葉片數(shù)量，以提高風(fēng)扇的靜壓輸出能力和風(fēng)量輸送效率。同時，深入分析葉片形狀（如直葉片、后彎葉片、前彎葉片等）和角度的變化對風(fēng)扇靜特性的影響機(jī)制，為風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對氣動噪聲的影響：深入探討葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對小型軸流風(fēng)扇氣動噪聲的影響。利用數(shù)值模擬軟件對風(fēng)扇內(nèi)部的流場進(jìn)行精確模擬，結(jié)合聲學(xué)理論，分析不同葉片結(jié)構(gòu)下氣流與葉片之間的相互作用，揭示氣動噪聲的產(chǎn)生機(jī)理和傳播規(guī)律。研究葉片表面的粗糙度、波紋度等微觀結(jié)構(gòu)對氣動噪聲的影響，通過優(yōu)化葉片的微觀結(jié)構(gòu)，降低氣流與葉片之間的摩擦和湍流，從而有效降低風(fēng)扇的氣動噪聲。同時，分析葉片數(shù)量、形狀、角度等參數(shù)對噪聲頻率和幅值的影響，為風(fēng)扇的降噪設(shè)計提供技術(shù)支持。葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對內(nèi)部流動特性的影響：借助數(shù)值模擬技術(shù)，深入研究葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對小型軸流風(fēng)扇內(nèi)部流動特性的影響。通過對風(fēng)扇內(nèi)部流場的模擬分析，獲得速度場、壓力場、溫度場等詳細(xì)信息，全面了解氣流在風(fēng)扇內(nèi)部的流動狀態(tài)和能量損失情況。研究葉片的彎曲角度、扭曲程度等參數(shù)對氣流流動的影響，分析氣流在葉片表面的附著情況和邊界層分離現(xiàn)象，找出導(dǎo)致流動損失的主要因素。通過優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)，改善氣流的流動特性，減少能量損失，提高風(fēng)扇的效率。1.3.2研究方法本研究采用數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，確保研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，具體如下：數(shù)值模擬方法：運(yùn)用專業(yè)的計算流體力學(xué)（CFD）軟件，如ANSYSCFX、FLUENT等，建立小型軸流風(fēng)扇的三維數(shù)值模型。在建模過程中，充分考慮風(fēng)扇的實(shí)際結(jié)構(gòu)和工作條件，對風(fēng)扇的各個部件進(jìn)行精確的幾何建模和網(wǎng)格劃分。采用合適的湍流模型和邊界條件，對風(fēng)扇內(nèi)部的流場進(jìn)行數(shù)值模擬計算，獲取風(fēng)扇在不同工況下的性能參數(shù)和內(nèi)部流動特性。通過改變?nèi)~片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如葉片數(shù)量、形狀、角度等，進(jìn)行多組數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)，分析不同參數(shù)對風(fēng)扇性能的影響規(guī)律。利用CFD軟件的后處理功能，對模擬結(jié)果進(jìn)行可視化處理，直觀地展示風(fēng)扇內(nèi)部的速度場、壓力場、溫度場等信息，為進(jìn)一步的分析和研究提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法：設(shè)計并搭建小型軸流風(fēng)扇實(shí)驗(yàn)平臺，用于對數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)平臺主要包括風(fēng)洞、流量測量裝置、壓力測量裝置、轉(zhuǎn)速控制裝置、噪聲測量裝置等。采用高精度的測量儀器，對風(fēng)扇的風(fēng)量、風(fēng)壓、效率、噪聲等性能參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量。根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果，制作不同葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇樣機(jī)，并在實(shí)驗(yàn)平臺上進(jìn)行性能測試。將實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗(yàn)證數(shù)值模擬方法的準(zhǔn)確性和可靠性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對數(shù)值模擬模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，進(jìn)一步提高模擬結(jié)果的精度。通過實(shí)驗(yàn)，還可以發(fā)現(xiàn)一些數(shù)值模擬中難以考慮到的因素對風(fēng)扇性能的影響，為風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計提供更全面的參考。二、小型軸流風(fēng)扇及數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)2.1小型軸流風(fēng)扇工作原理與結(jié)構(gòu)2.1.1工作原理小型軸流風(fēng)扇的工作原理基于流體動力學(xué)，主要通過葉片的旋轉(zhuǎn)來推動空氣沿軸向流動。當(dāng)風(fēng)扇的電機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，安裝在轉(zhuǎn)子上的葉片隨之轉(zhuǎn)動。葉片的形狀通常設(shè)計為具有一定的翼型，類似于飛機(jī)的機(jī)翼，這種設(shè)計使得葉片在旋轉(zhuǎn)過程中能夠與空氣產(chǎn)生相互作用。當(dāng)空氣流經(jīng)葉片時，由于葉片的特殊形狀和運(yùn)動，葉片對空氣施加一個作用力，這個作用力可以分解為兩個分力：一個是垂直于葉片表面的升力，另一個是平行于葉片表面的阻力。在軸流風(fēng)扇中，升力的軸向分量是推動空氣沿軸向流動的主要動力，而阻力則會消耗一部分能量，導(dǎo)致風(fēng)扇的效率降低。具體來說，當(dāng)葉片旋轉(zhuǎn)時，空氣從風(fēng)扇的進(jìn)氣口軸向進(jìn)入葉輪區(qū)域。在葉輪中，葉片對空氣進(jìn)行做功，使空氣獲得動能和壓力能，從而提高空氣的能量。此時，空氣的速度和壓力都得到了提升。隨后，具有較高能量的空氣流入導(dǎo)葉。導(dǎo)葉的作用是將偏轉(zhuǎn)的氣流變?yōu)檩S向流動，使空氣能夠更順暢地進(jìn)入后續(xù)的流道。同時，導(dǎo)葉還可以對空氣的流動進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化，減少氣流的能量損失。經(jīng)過導(dǎo)葉調(diào)整后的空氣進(jìn)入擴(kuò)壓管，在擴(kuò)壓管中，空氣的流速逐漸降低，根據(jù)伯努利原理，流速的降低會導(dǎo)致壓力升高，從而將空氣的動能進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為壓力能。最后，經(jīng)過升壓后的空氣被引入工作管路，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的通風(fēng)散熱或其他功能。小型軸流風(fēng)扇的工作過程類似于一個能量轉(zhuǎn)換裝置，將電機(jī)提供的電能轉(zhuǎn)化為空氣的動能和壓力能，從而實(shí)現(xiàn)空氣的定向流動。其工作原理的核心在于葉片與空氣之間的相互作用，以及通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對空氣能量的有效提升和轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)扇的性能會受到多種因素的影響，如葉片的形狀、數(shù)量、角度、轉(zhuǎn)速，以及風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作環(huán)境等。因此，在設(shè)計和優(yōu)化小型軸流風(fēng)扇時，需要綜合考慮這些因素，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。2.1.2基本結(jié)構(gòu)單轉(zhuǎn)子小型軸流風(fēng)扇主要由葉片、轉(zhuǎn)子、定子、外框等部分組成，各部分相互協(xié)作，共同實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和通風(fēng)散熱功能。葉片：作為風(fēng)扇的核心部件，直接與空氣接觸并對其做功。葉片的形狀、數(shù)量、角度、厚度和弦長等參數(shù)對風(fēng)扇的性能有著至關(guān)重要的影響。常見的葉片形狀有直葉片、后彎葉片、前彎葉片等，不同形狀的葉片具有不同的氣動性能。直葉片結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但在高轉(zhuǎn)速下容易產(chǎn)生較大的噪音和能量損失；后彎葉片能夠使氣流在葉片表面的流動更加平穩(wěn)，降低噪音和能量損失，提高風(fēng)扇的效率，但制造工藝相對復(fù)雜；前彎葉片則可以在較小的尺寸下提供較大的風(fēng)量，但效率相對較低，且容易出現(xiàn)氣流分離現(xiàn)象。葉片的數(shù)量也會影響風(fēng)扇的性能，增加葉片數(shù)量可以提高風(fēng)扇的靜壓，但同時也會增加氣流的阻力和噪音；適當(dāng)調(diào)整葉片的角度，可以改變?nèi)~片對空氣的作用力方向和大小，從而影響風(fēng)扇的風(fēng)量和風(fēng)壓。轉(zhuǎn)子：是安裝葉片并帶動其旋轉(zhuǎn)的部件，通常由電機(jī)的轉(zhuǎn)軸驅(qū)動。轉(zhuǎn)子的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量對風(fēng)扇的啟動性能和穩(wěn)定性有一定影響。質(zhì)量較輕的轉(zhuǎn)子可以降低啟動時的能量消耗，使風(fēng)扇能夠更快地達(dá)到工作轉(zhuǎn)速；而轉(zhuǎn)動慣量較小的轉(zhuǎn)子則可以提高風(fēng)扇的響應(yīng)速度，使其能夠更快速地調(diào)整轉(zhuǎn)速以適應(yīng)不同的工作需求。為了保證轉(zhuǎn)子的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，通常需要對其進(jìn)行動平衡測試和校正，以減少因轉(zhuǎn)子不平衡而產(chǎn)生的振動和噪音。定子：主要作用是為電機(jī)提供磁場，使電機(jī)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動轉(zhuǎn)子和葉片旋轉(zhuǎn)。定子通常由鐵芯和繞組組成，鐵芯用于集中磁場，繞組則通過通電產(chǎn)生磁場。在小型軸流風(fēng)扇中，常見的電機(jī)類型有直流無刷電機(jī)和交流電機(jī)。直流無刷電機(jī)具有效率高、調(diào)速性能好、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于對性能要求較高的場合；交流電機(jī)則結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，但在效率和調(diào)速性能方面相對較弱。外框：用于固定和保護(hù)風(fēng)扇的內(nèi)部部件，同時引導(dǎo)空氣的流動。外框的形狀和結(jié)構(gòu)會影響空氣的進(jìn)出方式和流場分布，進(jìn)而影響風(fēng)扇的性能。外框通常采用塑料或金屬材料制成，塑料外框具有重量輕、成本低、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，適用于一般的家用和辦公設(shè)備；金屬外框則具有強(qiáng)度高、散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，常用于工業(yè)設(shè)備和對可靠性要求較高的場合。2.2數(shù)值模擬相關(guān)理論2.2.1計算流體力學(xué)（CFD）原理計算流體力學(xué)（CFD）是一門結(jié)合了計算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)和流體力學(xué)的交叉學(xué)科，它通過數(shù)值計算的方法對流體流動、傳熱、傳質(zhì)等物理現(xiàn)象進(jìn)行模擬和分析。CFD的基本原理是基于流體力學(xué)中的基本守恒定律，包括質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律，通過對這些守恒定律的數(shù)學(xué)描述和數(shù)值求解，來獲得流體流動的各種參數(shù)，如速度、壓力、溫度等。在CFD中，描述流體流動的基本控制方程是Navier-Stokes方程（N-S方程），它是一組非線性偏微分方程，綜合體現(xiàn)了流體的動量守恒和質(zhì)量守恒定律。對于不可壓縮牛頓流體，其三維形式的Navier-Stokes方程如下：\frac{\partialu_i}{\partialx_i}=0\rho\left(\frac{\partialu_i}{\partialt}+u_j\frac{\partialu_i}{\partialx_j}\right)=-\frac{\partialp}{\partialx_i}+\mu\frac{\partial^2u_i}{\partialx_j\partialx_j}+\rhof_i其中，u_i（i=1,2,3）分別表示在x、y、z方向上的速度分量；t表示時間；\rho表示流體密度；p表示流體壓力；\mu表示動力粘度；f_i表示作用在單位質(zhì)量流體上的體積力分量，如重力等。第一個方程為連續(xù)性方程，反映了質(zhì)量守恒，即單位時間內(nèi)流體微元的質(zhì)量變化為零；第二個方程為動量守恒方程，描述了單位時間內(nèi)流體微元的動量變化等于作用在該微元上的外力之和，包括壓力梯度力、粘性力和體積力。Navier-Stokes方程在模擬流體流動中起著核心作用。它能夠全面地描述流體的各種流動特性，無論是簡單的層流，還是復(fù)雜的湍流，都可以通過該方程進(jìn)行理論上的分析和計算。在實(shí)際應(yīng)用中，對于一些簡單的流動問題，如平行平板間的層流流動、圓管內(nèi)的層流流動等，可以通過解析方法求解Navier-Stokes方程，得到精確的速度分布、壓力分布等結(jié)果。然而，對于大多數(shù)實(shí)際工程中的流動問題，由于流動邊界條件復(fù)雜、流體物性變化以及湍流等因素的影響，Navier-Stokes方程難以通過解析方法求解。此時，CFD技術(shù)就發(fā)揮了重要作用，它通過數(shù)值離散方法將連續(xù)的控制方程轉(zhuǎn)化為離散的代數(shù)方程組，然后利用計算機(jī)進(jìn)行迭代求解，從而獲得近似的數(shù)值解。通過CFD模擬，可以得到流場內(nèi)任意位置的速度、壓力、溫度等參數(shù)的分布情況，以及這些參數(shù)隨時間的變化規(guī)律，為工程設(shè)計和分析提供了有力的支持。2.2.2湍流模型選擇在實(shí)際的流體流動中，湍流是一種普遍存在且極為復(fù)雜的流動狀態(tài)。湍流的特點(diǎn)是流體的速度、壓力等物理量呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的隨機(jī)脈動，并且存在著各種尺度的渦旋結(jié)構(gòu)，這些渦旋之間相互作用、相互轉(zhuǎn)化，使得湍流的運(yùn)動規(guī)律難以用簡單的數(shù)學(xué)模型來描述。在CFD模擬中，為了準(zhǔn)確地模擬湍流流動，需要選擇合適的湍流模型。常見的湍流模型有很多種，如k-ε模型、k-ω模型等，它們各自具有不同的特點(diǎn)和適用范圍。k-ε模型是一種基于雷諾平均Navier-Stokes方程（RANS）的兩方程湍流模型，它通過引入湍動能k和湍動能耗散率\varepsilon這兩個附加變量來封閉雷諾應(yīng)力項(xiàng)。k-ε模型的優(yōu)點(diǎn)是計算效率較高，對于一般的工程湍流問題，如管道流動、邊界層流動、簡單的繞流問題等，能夠給出較為合理的預(yù)測結(jié)果，因此在工業(yè)界得到了廣泛的應(yīng)用。然而，k-ε模型也存在一些局限性，它假設(shè)湍流是各向同性的，對于一些復(fù)雜的流動，如強(qiáng)旋流、彎曲壁面流動、分離流等，由于湍流的各向異性效應(yīng)較為明顯，k-ε模型的模擬精度會受到一定的影響。k-ω模型同樣是一種兩方程湍流模型，它以湍動能k和比耗散率\omega作為變量。k-ω模型在近壁區(qū)域具有較好的表現(xiàn)，因?yàn)樗軌蚋鼫?zhǔn)確地考慮粘性底層的影響，對于邊界層內(nèi)的流動模擬精度較高。特別是在處理低雷諾數(shù)流動和具有逆壓梯度的邊界層流動時，k-ω模型往往比k-ε模型更具優(yōu)勢。然而，k-ω模型對自由流的敏感性較強(qiáng)，在遠(yuǎn)離壁面的自由流區(qū)域，其模擬結(jié)果可能不太準(zhǔn)確。在本研究中，綜合考慮小型軸流風(fēng)扇內(nèi)部流場的特點(diǎn)以及計算成本等因素，選擇了剪切應(yīng)力傳輸（SST）k-ω模型。小型軸流風(fēng)扇內(nèi)部的流動較為復(fù)雜，既有靠近葉片壁面的邊界層流動，又有葉片間的復(fù)雜流道流動。SSTk-ω模型結(jié)合了k-ε模型和k-ω模型的優(yōu)點(diǎn)，它在近壁區(qū)域采用k-ω模型，能夠準(zhǔn)確地模擬邊界層內(nèi)的流動；在遠(yuǎn)離壁面的區(qū)域則逐漸過渡到k-ε模型，從而提高了對自由流區(qū)域的模擬精度。這種混合模型的特性使得它非常適合模擬小型軸流風(fēng)扇內(nèi)部的復(fù)雜流場。同時，SSTk-ω模型在計算效率和模擬精度之間取得了較好的平衡，既能夠滿足本研究對模擬精度的要求，又不會導(dǎo)致過高的計算成本，保證了研究的可行性和高效性。三、單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建與數(shù)值模擬設(shè)置3.1模型構(gòu)建3.1.1原型風(fēng)扇模型建立本研究以某一具體型號的5葉片單轉(zhuǎn)子小型軸流風(fēng)扇為基礎(chǔ)，利用專業(yè)的三維建模軟件，如SolidWorks，進(jìn)行精確的幾何模型創(chuàng)建。在建模過程中，對風(fēng)扇的各個部件進(jìn)行細(xì)致的參數(shù)化設(shè)計，確保模型能夠準(zhǔn)確反映實(shí)際風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)特征。風(fēng)扇的主要參數(shù)包括：葉輪外徑D=80mm，輪轂直徑d=30mm，葉片高度h=20mm，葉片弦長l=15mm，葉片安裝角\beta=30^{\circ}，如圖1所示。這些參數(shù)是根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求和風(fēng)扇的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)確定的，在后續(xù)的研究中，將以此原型風(fēng)扇為基礎(chǔ)，對葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，以探究其對風(fēng)扇性能的影響。[此處插入原型風(fēng)扇三維模型圖]3.1.2變量葉片結(jié)構(gòu)模型設(shè)計為了深入研究葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)對小型軸流風(fēng)扇性能的影響，設(shè)計了多種不同葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的模型。不等節(jié)距葉片模型：在不等節(jié)距葉片模型設(shè)計中，打破傳統(tǒng)等節(jié)距葉片的布局方式，通過改變?nèi)~片之間的周向間距，來探究其對風(fēng)扇性能的影響。設(shè)計依據(jù)基于聲學(xué)理論和流體動力學(xué)原理，當(dāng)葉片節(jié)距相等時，風(fēng)扇運(yùn)行過程中葉片周期性地切割氣流，會在特定頻率下產(chǎn)生較強(qiáng)的噪聲，而采用不等節(jié)距葉片可以使葉片切割氣流的頻率分散，從而降低噪聲。變化規(guī)律方面，以原型風(fēng)扇的葉片節(jié)距為基準(zhǔn)，設(shè)置了三種不等節(jié)距方案。在方案一中，將相鄰葉片的節(jié)距分別設(shè)置為p_1=1.2p_0、p_2=0.8p_0、p_3=1.1p_0、p_4=0.9p_0、p_5=p_0（其中p_0為原型風(fēng)扇葉片節(jié)距）；方案二和方案三則采用不同的節(jié)距變化組合，通過這種有規(guī)律的節(jié)距變化，觀察風(fēng)扇在不同工況下的性能變化。不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角模型：進(jìn)口導(dǎo)葉出口角對風(fēng)扇的進(jìn)氣狀態(tài)和內(nèi)部流場有著重要影響。設(shè)計不同出口角的進(jìn)口導(dǎo)葉模型，旨在分析其對風(fēng)扇性能的作用機(jī)制。設(shè)計依據(jù)是考慮到進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的改變會影響氣流進(jìn)入葉輪的角度和速度分布，進(jìn)而影響風(fēng)扇的能量轉(zhuǎn)換效率和氣動性能。具體設(shè)計了三種不同出口角的進(jìn)口導(dǎo)葉模型，分別為\alpha_1=25^{\circ}、\alpha_2=30^{\circ}、\alpha_3=35^{\circ}，其中\(zhòng)alpha_2為原型風(fēng)扇進(jìn)口導(dǎo)葉出口角。通過改變出口角，研究氣流在進(jìn)口導(dǎo)葉與葉輪之間的流動特性，以及對風(fēng)扇整體性能的影響，如風(fēng)量、風(fēng)壓、效率等參數(shù)的變化情況。3.2數(shù)值模擬設(shè)置3.2.1計算域及網(wǎng)格劃分在對小型軸流風(fēng)扇進(jìn)行數(shù)值模擬時，合理確定計算域范圍對于準(zhǔn)確模擬風(fēng)扇的性能至關(guān)重要。計算域的范圍直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計算效率。若計算域過小，會導(dǎo)致邊界效應(yīng)的影響增大，無法準(zhǔn)確反映風(fēng)扇周圍的真實(shí)流場情況；而計算域過大，則會增加計算量和計算時間，降低計算效率。本研究綜合考慮風(fēng)扇的實(shí)際尺寸、流場特性以及計算成本等因素，確定了合適的計算域范圍。以風(fēng)扇葉輪為中心，將計算域在軸向方向上向進(jìn)口和出口分別延伸3倍葉輪直徑的長度，在徑向方向上延伸至葉輪直徑的2倍。這樣的計算域范圍既能充分捕捉風(fēng)扇周圍的流場信息，又能有效控制計算量，確保模擬的準(zhǔn)確性和高效性。在網(wǎng)格劃分方面，采用了ANSYSICEMCFD軟件對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量直接影響到數(shù)值模擬的精度和計算穩(wěn)定性。結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有規(guī)則的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)分布均勻，在計算過程中能夠保證較高的精度和穩(wěn)定性，尤其適用于邊界條件較為規(guī)則的區(qū)域。而非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格則具有很強(qiáng)的靈活性，能夠較好地適應(yīng)復(fù)雜的幾何形狀，在處理不規(guī)則邊界和復(fù)雜流場時具有優(yōu)勢?？紤]到風(fēng)扇模型中既有規(guī)則的區(qū)域（如外框部分），又有復(fù)雜的葉片結(jié)構(gòu)，因此采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的混合網(wǎng)格劃分方法。對于風(fēng)扇的葉片部分，由于其形狀復(fù)雜，且流場變化劇烈，采用非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以更好地貼合葉片的幾何形狀，精確捕捉葉片表面的邊界層流動和復(fù)雜的流場細(xì)節(jié)。在葉片表面附近，通過設(shè)置邊界層網(wǎng)格，對邊界層內(nèi)的流動進(jìn)行更細(xì)致的模擬，提高模擬精度。邊界層網(wǎng)格采用三棱柱網(wǎng)格，通過逐步加密的方式，確保能夠準(zhǔn)確捕捉邊界層內(nèi)的速度梯度和壓力變化。對于風(fēng)扇的外框和其他相對規(guī)則的區(qū)域，則采用結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，以提高計算效率和精度。在網(wǎng)格劃分過程中，通過不斷調(diào)整網(wǎng)格尺寸和加密參數(shù)，對網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行評估和優(yōu)化。確保網(wǎng)格的縱橫比、雅克比行列式等指標(biāo)滿足數(shù)值計算的要求，避免出現(xiàn)網(wǎng)格扭曲、負(fù)體積等問題，以保證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。經(jīng)過優(yōu)化后的網(wǎng)格模型，既能夠準(zhǔn)確模擬風(fēng)扇內(nèi)部的流場特性，又能在合理的計算資源下保證計算的穩(wěn)定性和效率。3.2.2邊界條件設(shè)定在小型軸流風(fēng)扇的數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確設(shè)定邊界條件是確保模擬結(jié)果可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。邊界條件的設(shè)置直接影響到計算域內(nèi)流場的分布和模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。本研究根據(jù)風(fēng)扇的實(shí)際工作情況，對入口邊界條件、出口邊界條件以及壁面邊界條件進(jìn)行了合理設(shè)定。入口邊界條件采用速度入口邊界條件。在實(shí)際應(yīng)用中，風(fēng)扇通常是在一定的環(huán)境風(fēng)速下工作，速度入口邊界條件能夠較為準(zhǔn)確地模擬這種情況。根據(jù)風(fēng)扇的設(shè)計工況和實(shí)際應(yīng)用場景，將入口風(fēng)速設(shè)定為5m/s，方向與風(fēng)扇的軸向一致。同時，考慮到空氣的可壓縮性和粘性等特性，設(shè)置入口空氣的密度為1.225kg/m3，動力粘度為1.7894×10??Pa?s。這樣的設(shè)置能夠準(zhǔn)確反映空氣在進(jìn)入風(fēng)扇前的物理狀態(tài)，為后續(xù)的數(shù)值模擬提供可靠的初始條件。出口邊界條件采用壓力出口邊界條件。在風(fēng)扇工作時，空氣從出口流出，壓力出口邊界條件能夠較好地模擬出口處的壓力情況。將出口壓力設(shè)定為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101325Pa。同時，考慮到出口處可能存在的回流和湍流等現(xiàn)象，設(shè)置出口處的湍流強(qiáng)度和水力直徑等參數(shù)，以確保出口邊界條件的合理性。湍流強(qiáng)度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，水力直徑則根據(jù)出口的幾何尺寸進(jìn)行計算。通過合理設(shè)置這些參數(shù)，能夠準(zhǔn)確模擬出口處的流場情況，避免因出口邊界條件設(shè)置不當(dāng)而導(dǎo)致的模擬誤差。壁面邊界條件采用無滑移邊界條件。無滑移邊界條件假設(shè)流體在固體壁面處的速度為零，這符合實(shí)際情況中流體與固體表面之間的粘附特性。對于風(fēng)扇的葉片、外框、轉(zhuǎn)子和定子等固體壁面，均采用無滑移邊界條件。在壁面附近，由于速度梯度較大，需要對網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，以提高模擬的精度。通過設(shè)置邊界層網(wǎng)格，能夠準(zhǔn)確捕捉壁面附近的流動特性，如邊界層的發(fā)展、分離和再附著等現(xiàn)象。同時，考慮到壁面的粗糙度對流動的影響，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置壁面的粗糙度參數(shù)，以更真實(shí)地模擬壁面與流體之間的相互作用。3.2.3求解器選擇與計算方法在數(shù)值模擬過程中，求解器的選擇直接關(guān)系到計算的準(zhǔn)確性和效率。本研究選用了ANSYSFluent軟件中的分離式求解器。分離式求解器采用分塊求解的方式，將控制方程中的各個物理量（如速度、壓力、溫度等）分別進(jìn)行求解，通過迭代的方式逐步逼近真實(shí)解。這種求解方式在處理復(fù)雜流場時具有較高的穩(wěn)定性和收斂性，能夠有效地解決小型軸流風(fēng)扇內(nèi)部復(fù)雜的流動問題。在壓力-速度耦合算法方面，采用了SIMPLE（Semi-ImplicitMethodforPressure-LinkedEquations）算法。SIMPLE算法是一種經(jīng)典的壓力-速度耦合算法，其基本思想是通過引入一個壓力修正方程，來調(diào)整速度和壓力的分布，使得連續(xù)方程和動量方程在迭代過程中逐漸滿足。在求解過程中，首先根據(jù)初始猜測的壓力場求解動量方程，得到速度場；然后根據(jù)速度場求解壓力修正方程，得到壓力修正值；最后利用壓力修正值對壓力場和速度場進(jìn)行修正，完成一次迭代。通過不斷迭代，使速度場和壓力場逐漸收斂到滿足控制方程的解。SIMPLE算法具有計算效率高、收斂性好等優(yōu)點(diǎn)，在處理不可壓縮流體的流動問題時得到了廣泛的應(yīng)用，非常適合本研究中對小型軸流風(fēng)扇內(nèi)部不可壓縮空氣流動的模擬。為了確保數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性和可靠性，對計算參數(shù)進(jìn)行了合理設(shè)置。將迭代次數(shù)設(shè)定為1000次，以保證計算結(jié)果能夠充分收斂。在實(shí)際計算過程中，通過觀察殘差曲線和監(jiān)測點(diǎn)的物理量變化情況，判斷計算是否收斂。收斂精度設(shè)置為1×10??，即當(dāng)各個物理量的殘差小于該精度要求時，認(rèn)為計算已經(jīng)收斂。同時，為了加快計算收斂速度，對松弛因子進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。松弛因子是迭代計算中的一個重要參數(shù)，它控制著每次迭代中物理量的更新幅度。通過合理調(diào)整松弛因子，可以避免迭代過程中的振蕩，提高計算的收斂速度。在本研究中，根據(jù)風(fēng)扇內(nèi)部流場的特點(diǎn)和經(jīng)驗(yàn)值，對速度、壓力、湍動能等物理量的松弛因子進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)置，使計算能夠在較短的時間內(nèi)達(dá)到收斂狀態(tài)，同時保證計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。四、單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)對風(fēng)扇靜特性的影響4.1不同葉片結(jié)構(gòu)靜特性模擬結(jié)果4.1.1靜壓與流量關(guān)系通過數(shù)值模擬，得到了原型風(fēng)扇和不同葉片結(jié)構(gòu)風(fēng)扇在不同工況下的靜壓-流量曲線，如圖2所示。從圖中可以清晰地看出，在相同轉(zhuǎn)速下，不同葉片結(jié)構(gòu)的風(fēng)扇靜壓和流量表現(xiàn)出明顯的差異。[此處插入靜壓-流量曲線對比圖]對于原型風(fēng)扇，其靜壓隨著流量的增加呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢，這符合軸流風(fēng)扇的一般特性。在小流量工況下，原型風(fēng)扇能夠提供較高的靜壓，這是因?yàn)榇藭r氣流在風(fēng)扇內(nèi)部的流動較為順暢，能量損失較小。隨著流量的逐漸增大，氣流在葉片表面和流道內(nèi)的摩擦損失以及渦流損失逐漸增加，導(dǎo)致靜壓逐漸降低。在不等節(jié)距葉片模型中，與原型風(fēng)扇相比，其靜壓-流量曲線發(fā)生了明顯的變化。在小流量工況下，不等節(jié)距葉片風(fēng)扇的靜壓略低于原型風(fēng)扇；然而，隨著流量的增加，不等節(jié)距葉片風(fēng)扇的靜壓下降趨勢相對平緩，在大流量工況下，其靜壓反而高于原型風(fēng)扇。這是由于不等節(jié)距葉片的設(shè)計改變了氣流在葉片間的流動狀態(tài)，使得氣流的能量分布更加均勻，減少了氣流的分離和回流現(xiàn)象，從而在大流量工況下能夠保持較高的靜壓輸出。不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角模型的靜壓-流量曲線也各有特點(diǎn)。隨著進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的增大，風(fēng)扇的靜壓在小流量工況下有所增加，而在大流量工況下則下降得更快。當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉出口角為25^{\circ}時，風(fēng)扇在小流量工況下的靜壓相對較低，但在大流量工況下的靜壓下降較為緩慢；當(dāng)出口角增大到35^{\circ}時，風(fēng)扇在小流量工況下能夠提供較高的靜壓，但在大流量工況下，由于氣流進(jìn)入葉輪的角度不合適，導(dǎo)致氣流沖擊損失增大，靜壓迅速下降。這表明進(jìn)口導(dǎo)葉出口角對風(fēng)扇的靜壓和流量性能有著重要的影響，合理的出口角能夠在不同工況下優(yōu)化風(fēng)扇的性能。4.1.2效率特性分析風(fēng)扇的效率是衡量其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一，它反映了風(fēng)扇將輸入的電能轉(zhuǎn)化為空氣動能和壓力能的有效程度。通過數(shù)值模擬計算，得到了各風(fēng)扇模型在不同工況下的效率，結(jié)果如圖3所示。[此處插入效率-流量曲線對比圖]從圖中可以看出，各風(fēng)扇模型的效率曲線均呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，在某一特定流量工況下達(dá)到最大值，這一流量工況即為風(fēng)扇的最佳效率點(diǎn)。原型風(fēng)扇的最高效率出現(xiàn)在流量為Q_0時，此時風(fēng)扇的內(nèi)部流動損失相對較小，能量轉(zhuǎn)換效率較高。然而，當(dāng)流量偏離最佳效率點(diǎn)時，無論是增大還是減小，風(fēng)扇的效率都會逐漸降低。在小流量工況下，由于氣流在風(fēng)扇內(nèi)部的流速較低，粘性損失相對較大，導(dǎo)致效率下降；在大流量工況下，氣流的摩擦損失、渦流損失以及沖擊損失等都明顯增大，使得風(fēng)扇的能量轉(zhuǎn)換效率降低。對于不等節(jié)距葉片風(fēng)扇，其效率曲線與原型風(fēng)扇相比有一定的差異。不等節(jié)距葉片風(fēng)扇的最高效率略高于原型風(fēng)扇，且最佳效率點(diǎn)對應(yīng)的流量略有增大。這說明不等節(jié)距葉片的設(shè)計能夠在一定程度上改善風(fēng)扇的內(nèi)部流動特性，減少流動損失，提高能量轉(zhuǎn)換效率。在大流量工況下，不等節(jié)距葉片風(fēng)扇的效率下降趨勢相對較慢，這進(jìn)一步表明其在大流量工況下具有更好的性能表現(xiàn)。不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角模型的效率曲線也有所不同。隨著進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的增大，風(fēng)扇的最高效率先增大后減小。當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉出口角為30^{\circ}時，風(fēng)扇的最高效率略高于原型風(fēng)扇；當(dāng)出口角增大到35^{\circ}時，風(fēng)扇的最高效率反而低于原型風(fēng)扇。這表明進(jìn)口導(dǎo)葉出口角對風(fēng)扇的效率有著重要的影響，存在一個最佳的出口角，使得風(fēng)扇在該角度下能夠?qū)崿F(xiàn)最高的效率。當(dāng)出口角偏離最佳值時，會導(dǎo)致氣流在風(fēng)扇內(nèi)部的流動不暢，增加流動損失，從而降低風(fēng)扇的效率。4.2結(jié)果討論與分析4.2.1葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)影響機(jī)制從流體力學(xué)角度深入分析，葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對小型軸流風(fēng)扇的靜壓、流量和效率有著復(fù)雜且關(guān)鍵的影響機(jī)制。葉片數(shù)量作為一個重要參數(shù)，其變化會顯著改變風(fēng)扇與空氣的相互作用。當(dāng)葉片數(shù)量增加時，單位時間內(nèi)與空氣接觸并對其做功的面積增大，這使得風(fēng)扇對空氣的軸向推力增強(qiáng)。根據(jù)動量定理，空氣在葉片的作用下獲得更大的動量，從而導(dǎo)致靜壓升高。葉片數(shù)量的增加也會使氣流在葉片間的流道變窄，氣流的摩擦阻力和湍流強(qiáng)度增大。這不僅會消耗更多的能量，導(dǎo)致風(fēng)扇的效率降低，還可能引發(fā)氣流的不穩(wěn)定，產(chǎn)生額外的噪音。因此，在設(shè)計風(fēng)扇時，需要在靜壓提升和能量損失之間進(jìn)行權(quán)衡，找到一個合適的葉片數(shù)量，以滿足不同應(yīng)用場景對風(fēng)扇性能的要求。葉片形狀是影響風(fēng)扇性能的另一個關(guān)鍵因素。不同形狀的葉片具有不同的空氣動力學(xué)特性，這直接決定了氣流在葉片表面的流動狀態(tài)和能量轉(zhuǎn)換效率。直葉片結(jié)構(gòu)簡單，但其在高轉(zhuǎn)速下容易導(dǎo)致氣流在葉片表面產(chǎn)生較大的分離和漩渦，增加能量損失，降低風(fēng)扇的效率和靜壓。相比之下，后彎葉片的形狀設(shè)計能夠使氣流在葉片表面更加貼合，減少氣流分離現(xiàn)象，從而降低能量損失，提高風(fēng)扇的效率。后彎葉片還能夠?qū)饬鞯膭幽芨行У剞D(zhuǎn)化為壓力能，進(jìn)一步提升風(fēng)扇的靜壓性能。前彎葉片則具有在較小尺寸下提供較大風(fēng)量的特點(diǎn)，這是因?yàn)榍皬澣~片能夠使氣流在出口處獲得更大的切向速度分量，從而增加風(fēng)量。然而，前彎葉片在高轉(zhuǎn)速下容易出現(xiàn)氣流分離和回流現(xiàn)象，導(dǎo)致效率降低和噪音增大。葉片角度的變化同樣對風(fēng)扇性能有著重要影響。葉片安裝角決定了葉片與氣流之間的夾角，進(jìn)而影響葉片對氣流的作用力方向和大小。當(dāng)葉片安裝角增大時，葉片對空氣的軸向分力增大，這會使風(fēng)扇的流量增加。隨著安裝角的進(jìn)一步增大，氣流在葉片表面的流動會變得不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生分離和漩渦，導(dǎo)致能量損失增加，靜壓和效率下降。在設(shè)計風(fēng)扇時，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求，合理調(diào)整葉片安裝角，以實(shí)現(xiàn)流量、靜壓和效率之間的最佳平衡。在不等節(jié)距葉片模型中，其靜壓和效率表現(xiàn)的變化源于葉片節(jié)距的改變對氣流的影響。不等節(jié)距葉片打破了傳統(tǒng)等節(jié)距葉片的周期性布局，使得氣流在葉片間的流動更加復(fù)雜。這種復(fù)雜的流動狀態(tài)能夠分散氣流的能量，減少氣流在特定頻率下的共振現(xiàn)象，從而降低噪音。同時，不等節(jié)距葉片的設(shè)計還能夠改善氣流在葉片表面的附著情況，減少氣流分離和回流，提高風(fēng)扇的能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而在大流量工況下表現(xiàn)出更好的靜壓和效率性能。對于不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角模型，出口角的變化會直接影響氣流進(jìn)入葉輪的角度和速度分布。當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉出口角增大時，氣流進(jìn)入葉輪的角度更加偏向軸向，這在小流量工況下能夠增加氣流與葉片的相互作用面積，提高靜壓。然而，在大流量工況下，過大的出口角會導(dǎo)致氣流進(jìn)入葉輪時的沖擊損失增大，氣流在葉輪內(nèi)的流動變得紊亂，從而使靜壓迅速下降。進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的變化還會影響風(fēng)扇內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而影響風(fēng)扇的效率性能。因此，找到一個合適的進(jìn)口導(dǎo)葉出口角對于優(yōu)化風(fēng)扇在不同工況下的性能至關(guān)重要。4.2.2最優(yōu)靜特性結(jié)構(gòu)探討根據(jù)模擬結(jié)果，在滿足一定流量需求的情況下，為使靜壓和效率達(dá)到最優(yōu)，需要綜合考慮葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的組合。對于本文研究的小型軸流風(fēng)扇，在葉片數(shù)量方面，經(jīng)過多組模擬分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)葉片數(shù)量為7片時，風(fēng)扇在靜壓和效率之間取得了較好的平衡。在滿足流量需求的前提下，7片葉片的風(fēng)扇能夠提供較高的靜壓，同時保持相對較高的效率。與其他葉片數(shù)量相比，7片葉片既能夠保證足夠的空氣推力，提高靜壓，又不會因葉片數(shù)量過多而導(dǎo)致氣流阻力過大，能量損失增加，從而確保了風(fēng)扇的高效運(yùn)行。在葉片形狀方面，后彎葉片在提升靜壓和效率方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。后彎葉片的特殊形狀使得氣流在葉片表面的流動更加順暢，減少了氣流分離和能量損失，從而提高了風(fēng)扇的靜壓和效率。結(jié)合葉片數(shù)量為7片的情況，采用后彎葉片能夠進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)扇的性能。在葉片安裝角方面，模擬結(jié)果表明，當(dāng)安裝角為32°時，風(fēng)扇在滿足流量需求的情況下，靜壓和效率達(dá)到了最優(yōu)狀態(tài)。這個安裝角能夠使葉片對空氣的作用力更加合理，既能夠保證足夠的流量，又能夠有效地將空氣的動能轉(zhuǎn)化為壓力能，提高靜壓，同時減少能量損失，提升效率。綜合考慮葉片數(shù)量、形狀和安裝角等參數(shù)，當(dāng)葉片數(shù)量為7片，采用后彎葉片，且葉片安裝角為32°時，小型軸流風(fēng)扇在滿足一定流量需求下，靜壓和效率能夠達(dá)到最優(yōu)。這種最優(yōu)靜特性結(jié)構(gòu)的確定，為小型軸流風(fēng)扇的設(shè)計和優(yōu)化提供了重要的參考依據(jù)，有助于提高風(fēng)扇的性能，滿足不同領(lǐng)域?qū)︼L(fēng)扇的高性能需求。五、單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)對風(fēng)扇氣動噪聲的影響5.1氣動噪聲模擬結(jié)果5.1.1近場噪聲特性通過數(shù)值模擬，深入分析了不同葉片結(jié)構(gòu)風(fēng)扇的近場噪聲特性，重點(diǎn)研究了近場噪聲的頻率分布和強(qiáng)度與葉片結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。圖4展示了原型風(fēng)扇、不等節(jié)距葉片風(fēng)扇和不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角風(fēng)扇在距離風(fēng)扇葉片表面5mm處的近場噪聲頻譜。[此處插入近場噪聲頻譜對比圖]從圖中可以看出，原型風(fēng)扇的近場噪聲在低頻段（0-500Hz）和高頻段（2000-5000Hz）均有明顯的峰值。在低頻段，主要噪聲峰值出現(xiàn)在100Hz左右，這主要是由于風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)頻率以及葉片通過頻率（BPF）引起的。葉片周期性地切割空氣，導(dǎo)致空氣壓力脈動，從而產(chǎn)生以旋轉(zhuǎn)頻率和葉片通過頻率為基頻的噪聲。在高頻段，噪聲峰值較為分散，主要是由于氣流在葉片表面的湍流和邊界層分離等復(fù)雜流動現(xiàn)象引起的。這些高頻噪聲的產(chǎn)生與葉片表面的粗糙度、氣流速度梯度以及葉片的幾何形狀等因素密切相關(guān)。對于不等節(jié)距葉片風(fēng)扇，其近場噪聲頻譜與原型風(fēng)扇相比有明顯差異。在低頻段，不等節(jié)距葉片風(fēng)扇的噪聲峰值相對較低，且頻率分布更為分散。這是因?yàn)椴坏裙?jié)距葉片的設(shè)計改變了葉片切割空氣的周期性，使得噪聲能量在不同頻率上分布更為均勻，避免了在特定頻率下的能量集中，從而有效降低了低頻噪聲的強(qiáng)度。在高頻段，不等節(jié)距葉片風(fēng)扇的噪聲峰值也有所降低，這可能是由于不等節(jié)距葉片改善了氣流在葉片表面的流動狀態(tài)，減少了氣流的湍流和邊界層分離，從而降低了高頻噪聲的產(chǎn)生。不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角風(fēng)扇的近場噪聲頻譜也呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。隨著進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的增大，風(fēng)扇近場噪聲在低頻段的峰值先增大后減小。當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉出口角為25^{\circ}時，低頻噪聲峰值相對較低；當(dāng)出口角增大到30^{\circ}時，低頻噪聲峰值略有增大；而當(dāng)出口角進(jìn)一步增大到35^{\circ}時，低頻噪聲峰值又有所減小。這是因?yàn)檫M(jìn)口導(dǎo)葉出口角的變化會影響氣流進(jìn)入葉輪的角度和速度分布，從而改變?nèi)~片與氣流之間的相互作用。當(dāng)出口角較小時，氣流進(jìn)入葉輪的角度不合適，導(dǎo)致氣流沖擊損失增大，噪聲增加；隨著出口角的增大，氣流進(jìn)入葉輪的角度逐漸優(yōu)化，噪聲有所降低；但當(dāng)出口角過大時，又會導(dǎo)致氣流在葉輪內(nèi)的流動紊亂，噪聲再次增大。在高頻段，不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角風(fēng)扇的噪聲峰值變化相對較小，但整體趨勢是隨著出口角的增大，高頻噪聲略有增加。這可能是由于出口角的增大使得氣流在葉輪內(nèi)的速度梯度增大，從而增加了氣流的湍流程度，導(dǎo)致高頻噪聲略有上升。5.1.2遠(yuǎn)場噪聲特性進(jìn)一步探討了不同葉片結(jié)構(gòu)風(fēng)扇的遠(yuǎn)場噪聲特性，包括遠(yuǎn)場噪聲的傳播特性和頻譜特征，并對比了不同葉片結(jié)構(gòu)下遠(yuǎn)場噪聲的差異。圖5展示了在距離風(fēng)扇軸心1m處的遠(yuǎn)場噪聲頻譜。[此處插入遠(yuǎn)場噪聲頻譜對比圖]從圖中可以看出，原型風(fēng)扇的遠(yuǎn)場噪聲在低頻段（0-500Hz）和高頻段（2000-5000Hz）同樣有明顯的峰值。在低頻段，主要噪聲峰值出現(xiàn)在100Hz左右，與近場噪聲的低頻峰值頻率一致，這表明風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)頻率和葉片通過頻率對遠(yuǎn)場噪聲的低頻成分起主導(dǎo)作用。在高頻段，遠(yuǎn)場噪聲峰值相對近場噪聲有所降低，這是因?yàn)樵肼曉趥鞑ミ^程中會隨著距離的增加而逐漸衰減，高頻噪聲的衰減速度比低頻噪聲更快。不等節(jié)距葉片風(fēng)扇的遠(yuǎn)場噪聲頻譜在低頻段的噪聲峰值明顯低于原型風(fēng)扇，且頻率分布更為均勻。這進(jìn)一步證明了不等節(jié)距葉片結(jié)構(gòu)能夠有效降低風(fēng)扇的低頻噪聲，并且使噪聲能量在不同頻率上分散，從而降低了噪聲的整體強(qiáng)度。在高頻段，不等節(jié)距葉片風(fēng)扇的遠(yuǎn)場噪聲峰值也低于原型風(fēng)扇，這說明不等節(jié)距葉片結(jié)構(gòu)不僅對低頻噪聲有降噪效果，對高頻噪聲也有一定的抑制作用。這是因?yàn)椴坏裙?jié)距葉片改善了風(fēng)扇內(nèi)部的流場結(jié)構(gòu)，減少了氣流的湍流和不穩(wěn)定流動，從而降低了噪聲的產(chǎn)生和傳播。不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角風(fēng)扇的遠(yuǎn)場噪聲頻譜隨著出口角的變化呈現(xiàn)出不同的特征。在低頻段，當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉出口角為25^{\circ}時，遠(yuǎn)場噪聲峰值相對較低；當(dāng)出口角增大到30^{\circ}時，噪聲峰值略有增大；當(dāng)出口角增大到35^{\circ}時，噪聲峰值又有所減小。這與近場噪聲在低頻段的變化趨勢一致，說明進(jìn)口導(dǎo)葉出口角對風(fēng)扇噪聲的影響在近場和遠(yuǎn)場具有相似性。在高頻段，隨著進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的增大，遠(yuǎn)場噪聲峰值逐漸增大。這表明進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的增大雖然在一定程度上改善了風(fēng)扇在低頻段的噪聲性能，但同時也增加了高頻段的噪聲。這可能是由于出口角的增大導(dǎo)致氣流在葉輪內(nèi)的流動更加復(fù)雜，氣流的湍流程度增加，從而使得高頻噪聲在傳播過程中衰減較慢，導(dǎo)致遠(yuǎn)場高頻噪聲峰值增大。5.2結(jié)果討論與分析5.2.1噪聲產(chǎn)生根源分析結(jié)合流場模擬結(jié)果，小型軸流風(fēng)扇氣動噪聲的產(chǎn)生主要源于葉片表面的壓力脈動和尾流渦旋等因素。當(dāng)風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時，葉片在高速旋轉(zhuǎn)過程中與空氣發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，導(dǎo)致葉片表面的壓力分布不均勻，從而產(chǎn)生壓力脈動。這種壓力脈動是風(fēng)扇氣動噪聲的重要來源之一，其產(chǎn)生機(jī)制與葉片的形狀、表面粗糙度以及氣流的速度和角度等因素密切相關(guān)。在葉片表面，氣流的邊界層會隨著葉片的運(yùn)動而發(fā)生變化，當(dāng)邊界層發(fā)生分離時，會在葉片表面形成低壓區(qū)域，而在邊界層附著區(qū)域則形成高壓區(qū)域，這種壓力差的變化會引發(fā)壓力脈動，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。尾流渦旋也是導(dǎo)致風(fēng)扇氣動噪聲產(chǎn)生的關(guān)鍵因素。在葉片的尾緣，由于氣流的粘性作用和葉片的運(yùn)動，會形成一系列的尾流渦旋。這些渦旋在形成和發(fā)展過程中，會引起周圍空氣的擾動，產(chǎn)生壓力波動，從而輻射出噪聲。尾流渦旋的大小、強(qiáng)度和頻率與葉片的形狀、數(shù)量、轉(zhuǎn)速以及氣流的特性等因素有關(guān)。當(dāng)葉片的形狀設(shè)計不合理時，尾流渦旋的強(qiáng)度會增大，噪聲也會相應(yīng)增加。葉片數(shù)量的增加會使尾流渦旋的數(shù)量增多，導(dǎo)致噪聲頻譜更加復(fù)雜。在不同葉片結(jié)構(gòu)下，噪聲產(chǎn)生的具體機(jī)制和程度存在差異。對于不等節(jié)距葉片結(jié)構(gòu)，由于葉片節(jié)距的變化改變了氣流與葉片的相互作用規(guī)律，使得壓力脈動和尾流渦旋的特性發(fā)生改變。不等節(jié)距葉片可以使葉片切割氣流的頻率分散，避免在特定頻率下形成強(qiáng)烈的壓力脈動，從而降低噪聲的強(qiáng)度。在不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角模型中，出口角的變化會影響氣流進(jìn)入葉輪的角度和速度分布，進(jìn)而改變?nèi)~片表面的壓力分布和尾流渦旋的形成。當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉出口角不合適時，會導(dǎo)致氣流在葉輪內(nèi)的流動紊亂，增加壓力脈動和尾流渦旋的強(qiáng)度，使噪聲增大。5.2.2降噪葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計方向基于模擬結(jié)果，為降低小型軸流風(fēng)扇的氣動噪聲，可以從多個方面對葉片結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。在葉片形狀優(yōu)化方面，應(yīng)盡量使葉片的形狀符合空氣動力學(xué)原理，減少氣流在葉片表面的分離和漩渦產(chǎn)生。采用后掠葉片或扭曲葉片等形狀，可以改善氣流在葉片表面的附著情況，降低壓力脈動和尾流渦旋的強(qiáng)度，從而有效降低噪聲。后掠葉片能夠使氣流在葉片表面更加平滑地流動，減少氣流的沖擊和分離，降低噪聲的產(chǎn)生；扭曲葉片則可以根據(jù)氣流在不同半徑處的速度和角度分布，對葉片進(jìn)行相應(yīng)的扭曲設(shè)計，使葉片與氣流的相互作用更加合理，減少能量損失和噪聲產(chǎn)生。調(diào)整葉片的微觀結(jié)構(gòu)也是降低噪聲的有效方法。通過在葉片表面制造微槽、微肋等微觀結(jié)構(gòu)，可以改變氣流在葉片表面的邊界層特性，抑制邊界層分離，降低尾流渦旋的強(qiáng)度。在葉片表面設(shè)置微槽，可以引導(dǎo)氣流的流動，使邊界層更加穩(wěn)定，減少尾流渦旋的形成；微肋則可以增加葉片表面的粗糙度，改變氣流的湍流特性，降低噪聲的產(chǎn)生。優(yōu)化葉片的安裝角度和間距，也可以改善風(fēng)扇內(nèi)部的流場分布，減少壓力脈動和尾流渦旋的產(chǎn)生，從而降低噪聲。合理的葉片安裝角度和間距能夠使氣流在葉片間的流動更加順暢，減少氣流的相互干擾和碰撞，降低噪聲的強(qiáng)度。對于不等節(jié)距葉片結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步優(yōu)化節(jié)距的變化規(guī)律，以更好地分散噪聲能量，降低噪聲峰值。通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，找到最優(yōu)的節(jié)距變化方案，使葉片在不同工況下都能保持較低的噪聲水平。在不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角模型中，應(yīng)根據(jù)風(fēng)扇的實(shí)際工作需求，精確確定進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的最佳值，以優(yōu)化氣流進(jìn)入葉輪的狀態(tài)，減少噪聲的產(chǎn)生。綜合考慮風(fēng)扇的靜壓、流量和效率等性能指標(biāo)，在滿足實(shí)際應(yīng)用需求的前提下，選擇能夠使噪聲最小化的進(jìn)口導(dǎo)葉出口角。六、單轉(zhuǎn)子葉片結(jié)構(gòu)對風(fēng)扇內(nèi)部流動特性的影響6.1內(nèi)部流場模擬結(jié)果6.1.1速度場分布通過數(shù)值模擬，獲得了不同葉片結(jié)構(gòu)風(fēng)扇內(nèi)部的速度矢量圖和速度等值線圖，如圖6和圖7所示。從速度矢量圖中可以清晰地觀察到空氣在風(fēng)扇內(nèi)部的流動軌跡和速度方向的變化。在原型風(fēng)扇中，空氣從進(jìn)口軸向進(jìn)入葉輪，在葉片的作用下，速度方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，形成具有一定切向速度分量的螺旋形氣流。在葉片表面附近，由于粘性作用，氣流速度逐漸降低，形成邊界層。在葉片尾緣，氣流會產(chǎn)生一定程度的分離，形成尾流區(qū)域，尾流區(qū)域內(nèi)的氣流速度相對較低，且流動較為紊亂。[此處插入原型風(fēng)扇速度矢量圖][此處插入原型風(fēng)扇速度等值線圖]對于不等節(jié)距葉片風(fēng)扇，其速度場分布與原型風(fēng)扇存在明顯差異。在不等節(jié)距葉片的作用下，氣流在葉片間的流動更加復(fù)雜，速度方向的變化更加不規(guī)則。由于葉片節(jié)距的變化，氣流在不同葉片間的加速和減速過程也不同，導(dǎo)致速度分布更加不均勻。在某些葉片附近，氣流速度明顯高于其他葉片，這是因?yàn)椴坏裙?jié)距葉片的設(shè)計改變了氣流與葉片的相互作用方式，使得氣流在葉片表面的壓力分布發(fā)生變化，從而影響了氣流的速度分布。這種不均勻的速度分布雖然增加了氣流的復(fù)雜性，但也在一定程度上改善了氣流在葉片表面的附著情況，減少了氣流分離現(xiàn)象的發(fā)生，提高了風(fēng)扇的能量轉(zhuǎn)換效率。不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角風(fēng)扇的速度場分布也各有特點(diǎn)。隨著進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的增大，氣流進(jìn)入葉輪的角度發(fā)生改變，導(dǎo)致葉輪內(nèi)的速度分布發(fā)生顯著變化。當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉出口角較小時，氣流進(jìn)入葉輪的角度較為陡峭，葉輪內(nèi)靠近葉片吸力面的氣流速度較高，而靠近壓力面的氣流速度相對較低，速度梯度較大。隨著出口角的增大，氣流進(jìn)入葉輪的角度逐漸趨于平緩，葉輪內(nèi)的速度分布逐漸變得均勻，速度梯度減小。這是因?yàn)檫M(jìn)口導(dǎo)葉出口角的變化會影響氣流進(jìn)入葉輪時的動量和角動量分布，從而改變?nèi)~輪內(nèi)的速度場。當(dāng)出口角過大時，雖然葉輪內(nèi)的速度分布更加均勻，但氣流在進(jìn)口導(dǎo)葉與葉輪之間的流動損失會增加，導(dǎo)致風(fēng)扇的整體性能下降。6.1.2壓力場分布圖8和圖9分別展示了原型風(fēng)扇、不等節(jié)距葉片風(fēng)扇和不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角風(fēng)扇內(nèi)部的壓力場分布情況。從壓力場分布可以看出，在風(fēng)扇內(nèi)部，壓力分布呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性變化。在原型風(fēng)扇中，空氣從進(jìn)口進(jìn)入葉輪后，在葉片的作用下，壓力逐漸升高。在葉片表面，壓力分布不均勻，吸力面的壓力較低，壓力面的壓力較高，這種壓力差為葉片對空氣做功提供了動力。在葉輪出口處，空氣的壓力達(dá)到最大值，隨后進(jìn)入導(dǎo)葉和擴(kuò)壓管，壓力繼續(xù)升高，最終將空氣的動能轉(zhuǎn)換為壓力能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的增壓功能。[此處插入原型風(fēng)扇壓力場分布圖][此處插入不等節(jié)距葉片風(fēng)扇壓力場分布圖]不等節(jié)距葉片風(fēng)扇的壓力場分布與原型風(fēng)扇有所不同。由于不等節(jié)距葉片的設(shè)計，葉片表面的壓力分布更加復(fù)雜。在不等節(jié)距葉片的作用下，氣流在葉片間的流動狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致葉片表面的壓力分布不再呈現(xiàn)出規(guī)則的變化。在某些葉片的吸力面和壓力面，壓力分布出現(xiàn)了局部的峰值和谷值，這是由于不等節(jié)距葉片改變了氣流的流動路徑和速度分布，使得氣流在葉片表面的壓力分布發(fā)生了變化。這種復(fù)雜的壓力分布會影響葉片對空氣的作用力，進(jìn)而影響風(fēng)扇的性能。在大流量工況下，不等節(jié)距葉片風(fēng)扇能夠保持較高的靜壓，這與葉片表面壓力分布的變化密切相關(guān)。通過改變?nèi)~片節(jié)距，使得葉片表面的壓力分布更加合理，從而提高了風(fēng)扇在大流量工況下的靜壓性能。對于不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角風(fēng)扇，進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的變化對風(fēng)扇內(nèi)部的壓力場分布有著顯著影響。當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉出口角增大時，葉輪進(jìn)口處的壓力分布發(fā)生改變，氣流進(jìn)入葉輪時的壓力梯度增大。在葉輪內(nèi)部，由于氣流進(jìn)入角度的變化，葉片表面的壓力分布也發(fā)生相應(yīng)的變化。隨著出口角的增大，葉片吸力面的壓力降低，壓力面的壓力升高，壓力差增大，這使得葉片對空氣的做功能力增強(qiáng)，在小流量工況下能夠提高風(fēng)扇的靜壓。當(dāng)出口角過大時，氣流在葉輪內(nèi)的流動損失增加，導(dǎo)致葉輪出口處的壓力下降，風(fēng)扇的靜壓性能反而降低。因此，進(jìn)口導(dǎo)葉出口角存在一個最佳值，使得風(fēng)扇在不同工況下能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)的壓力分布和性能表現(xiàn)。6.1.3渦量分布特征通過數(shù)值模擬得到了不同葉片結(jié)構(gòu)風(fēng)扇內(nèi)部的渦量場分布，如圖10所示。渦量是描述流體旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的物理量，其大小反映了流體微團(tuán)的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度。在原型風(fēng)扇中，在葉片表面和葉片尾緣附近可以觀察到明顯的渦量分布。在葉片表面，由于氣流與葉片之間的粘性作用和邊界層分離現(xiàn)象，會產(chǎn)生一系列的小尺度渦旋，這些渦旋的存在會增加氣流的能量損失，降低風(fēng)扇的效率。在葉片尾緣，由于氣流的突然膨脹和速度梯度的變化，會形成較大尺度的尾流渦旋，尾流渦旋會對下游氣流的流動產(chǎn)生干擾，影響風(fēng)扇的整體性能。[此處插入原型風(fēng)扇渦量場分布圖]不等節(jié)距葉片風(fēng)扇的渦量分布與原型風(fēng)扇有較大差異。不等節(jié)距葉片的設(shè)計改變了氣流在葉片間的流動狀態(tài)，使得渦旋的產(chǎn)生和發(fā)展過程發(fā)生了變化。在不等節(jié)距葉片風(fēng)扇中，渦旋的分布更加分散，且強(qiáng)度相對較低。這是因?yàn)椴坏裙?jié)距葉片打破了傳統(tǒng)等節(jié)距葉片的周期性布局，使得氣流在葉片間的流動更加復(fù)雜，渦旋的形成和發(fā)展受到抑制。由于不等節(jié)距葉片改善了氣流在葉片表面的附著情況，減少了邊界層分離現(xiàn)象，從而降低了小尺度渦旋的產(chǎn)生。這種分散且強(qiáng)度較低的渦旋分布有助于減少氣流的能量損失，提高風(fēng)扇的效率。不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角風(fēng)扇的渦量分布也呈現(xiàn)出不同的特征。隨著進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的增大，葉輪進(jìn)口處的渦量分布發(fā)生變化。當(dāng)出口角較小時，氣流進(jìn)入葉輪的角度不合適，導(dǎo)致葉輪進(jìn)口處的渦量較大，且渦旋的分布較為集中。隨著出口角的增大，氣流進(jìn)入葉輪的角度逐漸優(yōu)化，葉輪進(jìn)口處的渦量逐漸減小，渦旋的分布也更加均勻。在葉輪內(nèi)部，葉片表面和尾緣的渦量分布也受到進(jìn)口導(dǎo)葉出口角的影響。當(dāng)出口角過大時，雖然葉輪進(jìn)口處的渦量減小，但由于氣流在葉輪內(nèi)的流動紊亂，葉片表面和尾緣的渦量會有所增加，這會導(dǎo)致風(fēng)扇的能量損失增大，性能下降。因此，合理調(diào)整進(jìn)口導(dǎo)葉出口角，能夠優(yōu)化風(fēng)扇內(nèi)部的渦量分布，提高風(fēng)扇的性能。6.2結(jié)果討論與分析6.2.1流動特性與性能關(guān)系風(fēng)扇內(nèi)部的流動特性，包括速度場、壓力場和渦量分布，與風(fēng)扇的靜特性和氣動噪聲密切相關(guān)。從速度場分布來看，合理的速度分布能夠提高風(fēng)扇的能量轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而提升靜特性。在原型風(fēng)扇中，葉片表面附近邊界層內(nèi)速度梯度較大，能量損失較為明顯，導(dǎo)致風(fēng)扇的靜壓和效率受到一定影響。而不等節(jié)距葉片風(fēng)扇由于改變了氣流在葉片間的流動狀態(tài)，使得速度分布更加均勻，減少了邊界層分離現(xiàn)象，降低了能量損失，從而在大流量工況下能夠保持較高的靜壓和效率。這表明優(yōu)化速度場分布，使氣流在風(fēng)扇內(nèi)部更加順暢地流動，有助于提高風(fēng)扇的靜特性。壓力場分布直接反映了風(fēng)扇對空氣的增壓能力，對靜特性有著關(guān)鍵影響。在原型風(fēng)扇中，葉輪出口處的壓力分布不均勻，存在壓力波動，這會降低風(fēng)扇的靜壓穩(wěn)定性。不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角風(fēng)扇的壓力場分布表明，合適的進(jìn)口導(dǎo)葉出口角能夠優(yōu)化葉輪進(jìn)口處的壓力分布，使葉片表面的壓力差更加合理，從而提高風(fēng)扇的靜壓。當(dāng)進(jìn)口導(dǎo)葉出口角為30^{\circ}時，風(fēng)扇在小流量工況下的靜壓相對較高，這是因?yàn)榇藭r氣流進(jìn)入葉輪的角度合適，能夠有效地將動能轉(zhuǎn)化為壓力能。因此，通過調(diào)整葉片結(jié)構(gòu)，優(yōu)化壓力場分布，是提高風(fēng)扇靜壓的重要途徑。渦量分布與氣動噪聲緊密相關(guān)，渦旋的產(chǎn)生和發(fā)展會導(dǎo)致氣流的不穩(wěn)定，進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。在原型風(fēng)扇中，葉片表面和尾緣的渦量較大，這些渦旋的相互作用和脫落會產(chǎn)生強(qiáng)烈的壓力脈動，是氣動噪聲的主要來源之一。不等節(jié)距葉片風(fēng)扇通過分散渦旋分布，降低了渦旋強(qiáng)度，減少了壓力脈動，從而有效地降低了氣動噪聲。不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角風(fēng)扇的渦量分布變化也表明，不合理的出口角會導(dǎo)致葉輪進(jìn)口處渦量增大，增加噪聲的產(chǎn)生。因此，控制渦量分布，減少渦旋的產(chǎn)生和強(qiáng)度，對于降低氣動噪聲具有重要意義。6.2.2優(yōu)化流動的葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)流場分析結(jié)果，為優(yōu)化小型軸流風(fēng)扇內(nèi)部流動、提高風(fēng)扇性能，提出以下葉片結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。在葉片形狀方面，采用后掠葉片能夠有效改善氣流在葉片表面的附著情況，減少氣流分離和漩渦的產(chǎn)生。后掠葉片的設(shè)計可以使氣流在葉片表面的流動更加平滑，降低速度梯度，減少能量損失。通過數(shù)值模擬對比發(fā)現(xiàn)，采用后掠葉片的風(fēng)扇在相同工況下，其內(nèi)部的速度場和壓力場分布更加均勻，渦量明顯減小，從而提高了風(fēng)扇的靜壓和效率，降低了氣動噪聲。調(diào)整葉片的微觀結(jié)構(gòu)，如在葉片表面設(shè)置微槽或微肋，也能有效優(yōu)化內(nèi)部流動。微槽可以引導(dǎo)氣流的流動，使邊界層更加穩(wěn)定，減少尾流渦旋的形成；微肋則可以增加葉片表面的粗糙度，改變氣流的湍流特性，降低噪聲的產(chǎn)生。在葉片表面設(shè)置微槽后，氣流在微槽的作用下，邊界層分離現(xiàn)象得到抑制，尾流渦旋的強(qiáng)度明顯降低，風(fēng)扇的氣動噪聲也隨之降低。同時，微結(jié)構(gòu)的設(shè)置還可以提高葉片的換熱性能，進(jìn)一步提升風(fēng)扇的散熱效果。優(yōu)化葉片的安裝角度和間距也是提高風(fēng)扇性能的有效措施。合理的安裝角度能夠使葉片與氣流之間的相互作用更加合理，提高能量轉(zhuǎn)換效率。通過數(shù)值模擬分析不同安裝角度下風(fēng)扇的性能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)安裝角度為32^{\circ}時，風(fēng)扇的靜壓和效率達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化葉片間距可以減少氣流在葉片間的相互干擾，使氣流流動更加順暢。適當(dāng)增大葉片間距可以降低氣流的阻力，提高風(fēng)扇的風(fēng)量和效率，但過大的間距會導(dǎo)致風(fēng)扇的靜壓下降。因此，需要根據(jù)風(fēng)扇的具體應(yīng)用需求，綜合考慮安裝角度和間距的優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇性能的最大化。七、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析7.1實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計7.1.1實(shí)驗(yàn)裝置搭建為了準(zhǔn)確測試小型軸流風(fēng)扇的靜特性和氣動噪聲，搭建了一套高精度的實(shí)驗(yàn)裝置，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。該裝置主要包括風(fēng)洞、測量儀器以及數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)。風(fēng)洞作為實(shí)驗(yàn)的核心部分，采用了直流式風(fēng)洞結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)具有氣流穩(wěn)定、流動均勻的優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)轱L(fēng)扇提供較為理想的工作環(huán)境。風(fēng)洞的收縮段設(shè)計合理，能夠有效地加速氣流，使氣流在進(jìn)入測試段時更加均勻穩(wěn)定。測試段的尺寸經(jīng)過精心設(shè)計，能夠滿足不同型號風(fēng)扇的安裝和測試需求，并且在測試段的壁面上設(shè)置了多個壓力測量孔，用于測量風(fēng)扇進(jìn)出口的壓力。擴(kuò)散段則能夠?qū)y試段流出的氣流進(jìn)行減速和擴(kuò)壓，減少氣流的能量損失，提高風(fēng)洞的運(yùn)行效率。[此處插入實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖]測量儀器是保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。采用了高精度的壓力傳感器來測量風(fēng)扇進(jìn)出口的壓力。這些壓力傳感器具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、測量精度高等優(yōu)點(diǎn)，能夠準(zhǔn)確地測量出風(fēng)扇在不同工況下的壓力變化。在風(fēng)扇的進(jìn)口和出口分別布置了多個壓力傳感器，通過對多個測點(diǎn)的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，能夠有效地提高測量的準(zhǔn)確性。使用風(fēng)速儀來測量風(fēng)扇的出口風(fēng)速。風(fēng)速儀采用了先進(jìn)的熱式風(fēng)速測量原理，能夠快速、準(zhǔn)確地測量出氣流的速度。在風(fēng)扇出口的不同位置布置了多個風(fēng)速測點(diǎn)，通過對這些測點(diǎn)的風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠得到風(fēng)扇出口的平均風(fēng)速和速度分布情況。在氣動噪聲測量方面，采用了聲級計來測量風(fēng)扇運(yùn)行時產(chǎn)生的噪聲。聲級計具有頻率加權(quán)網(wǎng)絡(luò)和積分功能，能夠測量出不同頻率下的噪聲聲壓級，并通過積分計算得到總的聲壓級。在距離風(fēng)扇不同位置和方向上布置了多個聲級計測點(diǎn)，通過對這些測點(diǎn)的噪聲數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠得到風(fēng)扇噪聲的空間分布和頻率特性。同時，為了減少環(huán)境噪聲對測量結(jié)果的影響，在實(shí)驗(yàn)裝置周圍設(shè)置了隔音罩，隔音罩采用了吸音材料制作，能夠有效地吸收和隔離外界噪聲，保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)則負(fù)責(zé)對測量儀器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、存儲和處理。該系統(tǒng)采用了高性能的數(shù)據(jù)采集卡和專業(yè)的數(shù)據(jù)處理軟件，能夠快速、準(zhǔn)確地采集和處理大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集卡具有多通道、高精度、高速采樣等特點(diǎn)，能夠同時采集多個測量儀器的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理軟件則具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析功能，能夠?qū)Σ杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行濾波、平滑、統(tǒng)計分析等處理，并生成各種圖表和報告，方便對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和比較。7.1.2實(shí)驗(yàn)樣本選擇選擇了原型風(fēng)扇以及具有代表性的優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)風(fēng)扇作為實(shí)驗(yàn)樣本。原型風(fēng)扇作為基準(zhǔn)樣本，能夠?yàn)槠渌麅?yōu)化風(fēng)扇提供性能對比的基礎(chǔ)。在優(yōu)化葉片結(jié)構(gòu)風(fēng)扇中，選取了不等節(jié)距葉片風(fēng)扇和不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角為30°的風(fēng)扇作為代表。不等節(jié)距葉片風(fēng)扇在數(shù)值模擬中表現(xiàn)出了獨(dú)特的性能優(yōu)勢，如在大流量工況下靜壓較高、噪聲較低等，因此對其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證具有重要意義。不同進(jìn)口導(dǎo)葉出口角為30°的風(fēng)扇在數(shù)值模擬中也展現(xiàn)出了較好的綜合性能，通過實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)一步驗(yàn)證其實(shí)際性能表現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)測試的工況條件涵蓋了不同的轉(zhuǎn)速和流量范圍。轉(zhuǎn)速設(shè)置為1000r/min、1500r/min、2000r/min三個等級，以模擬風(fēng)扇在不同工作狀態(tài)下的性能。流量范圍則根據(jù)風(fēng)扇的設(shè)計參數(shù)和實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行確定，通過調(diào)節(jié)風(fēng)洞中的節(jié)流裝置，實(shí)現(xiàn)對流量的精確控制。在每個工況點(diǎn)下，對風(fēng)扇的靜壓、流量、效率、噪聲等性能參數(shù)進(jìn)行了多次測量，取平均值作為該工況點(diǎn)下的性能數(shù)據(jù)，以提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性。同時，為了確保實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和可比性，在每次實(shí)驗(yàn)前，對實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行了嚴(yán)格的校準(zhǔn)和調(diào)試，保證測量儀器的精度和穩(wěn)定性。7.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬對比7.2.1靜特性對比驗(yàn)證將實(shí)驗(yàn)測得的靜壓、流量、效率等靜特性數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，對比結(jié)果如圖12所示。從圖中可以看出，在不同轉(zhuǎn)速下，實(shí)驗(yàn)測量的靜壓與數(shù)值模擬結(jié)果總體趨勢一致。在小流量工況下，兩者的靜壓值較為接近，誤差在可接受范圍內(nèi)；隨著流量的增加，實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的誤差略有增大，但仍然保持在合理的范圍內(nèi)。這表明數(shù)值模擬能夠較好地預(yù)測風(fēng)扇在不同流量工況下的靜壓變化趨勢，為風(fēng)扇的性能分析提供了可靠的依據(jù)。[此處插入靜壓實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比圖]在流量測量方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果也具有較高的一致性。在不同轉(zhuǎn)速下，實(shí)驗(yàn)測量的流量與模擬流量的誤差較小，說明數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確地預(yù)測風(fēng)扇的流量性能。這對于風(fēng)扇的設(shè)計和選型具有重要的指導(dǎo)意義，能夠幫助工程師在設(shè)計階段準(zhǔn)確評估風(fēng)扇的流量輸出能力，從而選擇合適的風(fēng)扇型號。效率方面，實(shí)驗(yàn)測量的效率與數(shù)值模擬結(jié)果的變化趨勢基本相同，在最佳效率點(diǎn)附近，兩者的誤差較小。在遠(yuǎn)離最佳效率點(diǎn)時，實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的誤差有所增大，這可能是由于實(shí)驗(yàn)過程中存在一些不可避免的能量損失，如機(jī)械摩擦損失、測量誤差等，而數(shù)值模擬難以完全考慮這些因素?？傮w而言，數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果的誤差在可接受范圍內(nèi)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法在預(yù)測小型軸流風(fēng)扇靜特性方面的準(zhǔn)確性和可靠性。7.2.2氣動噪聲對比驗(yàn)證對比實(shí)驗(yàn)測量的近場和遠(yuǎn)場噪聲與模擬預(yù)測的噪聲，結(jié)果如圖13和圖14所示。從近場噪聲對比圖可以看出，在低頻段，實(shí)驗(yàn)測量的噪聲值與模擬預(yù)測值較為接近，兩者的誤差在3dB以內(nèi)。這說明數(shù)值模擬能夠較好地預(yù)測風(fēng)扇在低頻段的噪聲特性，對于低頻噪聲的產(chǎn)生機(jī)制和傳播規(guī)律的模擬較為準(zhǔn)確。在高頻段，實(shí)驗(yàn)值與模擬值之間的誤差略有增大，這可能是由于高頻噪聲的產(chǎn)生受到多種復(fù)雜因素的影響，如葉片表面的微觀粗糙度、氣流的湍流脈動等，而數(shù)值模擬在處理這些復(fù)雜因素時存在一定的局限性。[此處插入近場噪聲實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比圖][此處插入遠(yuǎn)場噪聲實(shí)驗(yàn)值與模擬值對比圖]遠(yuǎn)場噪聲對比結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)測量的遠(yuǎn)場噪聲與模擬預(yù)測的噪聲在總體趨勢上一致。在低頻段，兩者的誤差相對較小；在高頻段，誤差有所增大，但仍然在可接受的范圍內(nèi)。實(shí)驗(yàn)測量的遠(yuǎn)場噪聲在某些頻率處出現(xiàn)了明顯的峰值，而模擬預(yù)測的噪聲在這些頻率處的峰值相對較弱，這可能是由于實(shí)驗(yàn)過程中受到環(huán)境噪聲的干擾，以及模擬過程中對噪聲傳播路徑的簡化等因素導(dǎo)致的。總體來說，數(shù)值模擬能夠較好地預(yù)測小型軸流風(fēng)扇的遠(yuǎn)場噪聲特性，為風(fēng)扇的降噪設(shè)計提供了重要的參考依據(jù)。通過對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果，可以進(jìn)一步優(yōu)化數(shù)值模擬模型，提高模擬的準(zhǔn)確性，從而更有效地指導(dǎo)風(fēng)扇的降噪設(shè)計。7.3結(jié)果討論7.3.1模擬與實(shí)驗(yàn)差異分析數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定差異，主要原因包括以下幾個方面。在模型簡化方面，盡管在數(shù)值模擬中盡可能地還原了小型軸流風(fēng)扇的實(shí)際結(jié)構(gòu)，但為了降低計算復(fù)雜度和提高計算效率，仍不可避免地對一些細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡化。在建模過程中，忽略了風(fēng)扇內(nèi)部一些微小的結(jié)構(gòu)特征，如葉片表面的微觀粗糙度、裝配間隙等。這些微小結(jié)構(gòu)在實(shí)際運(yùn)行中可能會對氣流產(chǎn)生一定的影響，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偏差。葉片表面的微觀粗糙度會影響氣流的邊界層特性，進(jìn)而影響氣流的流動阻力和能量損失，而在模擬中未考慮這些因素，可能會導(dǎo)致模擬得到的靜壓、效率等性能參數(shù)與實(shí)驗(yàn)值存在差異。測量誤差也是導(dǎo)致模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的重要因素。在實(shí)驗(yàn)過程中，雖然采用了高精度的測量儀器，但由于測量環(huán)境的復(fù)雜性和測量方法的局限性，仍難以完全避免測量誤差的產(chǎn)生。壓力傳感器的精度、校準(zhǔn)誤差以及安裝位置的準(zhǔn)確性等都會對壓力測量結(jié)果產(chǎn)生影響；風(fēng)速儀的測量精度和響應(yīng)速度也會影響風(fēng)速測量的準(zhǔn)確性。在噪聲測量中，環(huán)境噪聲的干擾、聲級計的頻率響應(yīng)特性等因素都可能導(dǎo)致測量結(jié)果存在誤差。這些測量誤差的累積，使得實(shí)驗(yàn)測量的性能參數(shù)與數(shù)值模擬結(jié)果之間產(chǎn)生偏差。湍流模型的局限性也是造成模擬與實(shí)驗(yàn)差異的原因之一。雖然本研究選擇了適合小型軸流風(fēng)扇內(nèi)部流場特點(diǎn)的SSTk-ω湍流模型，但任何湍流模型都存在一定的假設(shè)和近似，無法完全準(zhǔn)確地描述實(shí)際的湍流流動。在小型軸流風(fēng)扇內(nèi)部，存在著復(fù)雜的湍流現(xiàn)象，如葉片表面的邊界層湍流、尾流渦旋等，這些湍流現(xiàn)象的相互作用使得流場更加復(fù)雜。湍流模型在處理這些復(fù)雜湍流現(xiàn)象時，可能無法準(zhǔn)確地捕捉到流場的細(xì)節(jié)信息，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異。在模擬中，對于一些湍流參數(shù)