小型換熱風扇結(jié)構(gòu)參數(shù)與內(nèi)部流動及性能關(guān)系的深度剖析一、緒論1.1研究背景與意義在現(xiàn)代工業(yè)和日常生活中，小型換熱風扇作為一種重要的散熱設(shè)備，廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備、汽車、空調(diào)等多個領(lǐng)域。隨著科技的飛速發(fā)展，電子設(shè)備的集成度越來越高，功率密度不斷增大，這使得散熱問題成為制約設(shè)備性能和可靠性的關(guān)鍵因素。小型換熱風扇通過強制對流的方式，將熱量從發(fā)熱部件傳遞到周圍環(huán)境中，有效地降低了設(shè)備的溫度，保證了設(shè)備的正常運行。在電子設(shè)備領(lǐng)域，如計算機、服務(wù)器、智能手機等，小型換熱風扇的性能直接影響著設(shè)備的運行速度和穩(wěn)定性。隨著芯片技術(shù)的不斷進步，處理器的性能越來越強大，但同時也產(chǎn)生了更多的熱量。如果不能及時有效地散熱，芯片溫度過高會導致性能下降、壽命縮短甚至損壞。因此，高性能的小型換熱風扇對于保障電子設(shè)備的性能和可靠性至關(guān)重要。在汽車行業(yè)，發(fā)動機、變速器等部件在工作過程中會產(chǎn)生大量的熱量，需要通過散熱系統(tǒng)進行冷卻。小型換熱風扇作為汽車散熱系統(tǒng)的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響著發(fā)動機的工作效率和可靠性，進而影響汽車的整體性能和安全性。在空調(diào)系統(tǒng)中，小型換熱風扇用于冷凝器和蒸發(fā)器的散熱，提高了空調(diào)的制冷和制熱效率，為人們創(chuàng)造了舒適的室內(nèi)環(huán)境。小型換熱風扇的性能受到多種因素的影響，其中結(jié)構(gòu)參數(shù)是最為關(guān)鍵的因素之一。葉片的形狀、數(shù)量、安裝角、葉頂間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，都會對風扇內(nèi)部的流動特性和性能產(chǎn)生顯著的影響。不同形狀的葉片會導致氣流在葉片表面的流動狀態(tài)不同，從而影響風扇的壓力升高能力和效率；葉片數(shù)量的增加可以提高風扇的壓力，但同時也會增加流動損失和噪聲；安裝角的改變會影響氣流進入葉片的角度，進而影響風扇的性能曲線；葉頂間隙的存在會導致泄漏流的產(chǎn)生，降低風扇的效率和壓力升高能力。深入研究小型換熱風扇的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其內(nèi)部流動與性能的影響，對于優(yōu)化風扇設(shè)計、提高散熱效率、降低能耗和噪聲具有重要的現(xiàn)實意義。通過優(yōu)化風扇的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以提高風扇的性能，使其在相同功耗下提供更大的風量和更高的壓力，從而更有效地散熱。這不僅可以提高設(shè)備的性能和可靠性，還可以降低設(shè)備的運行成本。在電子設(shè)備中，高效的散熱可以使芯片在更高的頻率下穩(wěn)定運行，提高設(shè)備的運行速度；在汽車中，良好的散熱可以提高發(fā)動機的燃油經(jīng)濟性，降低尾氣排放。優(yōu)化風扇的結(jié)構(gòu)參數(shù)還可以降低風扇的噪聲，提高設(shè)備的使用舒適性。在日常生活中，人們對設(shè)備的噪聲要求越來越高，低噪聲的小型換熱風扇可以為人們創(chuàng)造更加安靜的環(huán)境。在電子設(shè)備中，低噪聲的散熱風扇可以減少用戶在使用過程中的干擾；在空調(diào)系統(tǒng)中，低噪聲的風扇可以提供更加舒適的室內(nèi)環(huán)境。1.2葉輪機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬發(fā)展現(xiàn)狀葉輪機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展歷程，是一部與計算機技術(shù)緊密交織、相互促進的歷史。自20世紀中葉起，隨著計算機技術(shù)的萌芽與初步發(fā)展，葉輪機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬技術(shù)開始嶄露頭角。早期，受限于計算機的運算速度和存儲能力，數(shù)值模擬主要基于簡單的理論模型和簡化的算法，對葉輪機械內(nèi)部流動的模擬精度和復雜度都較為有限。但這些早期的嘗試，為后續(xù)技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實的理論和實踐基礎(chǔ)。20世紀60年代末，計算流體動力學（CFD）技術(shù)應(yīng)運而生，為葉輪機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬帶來了新的曙光。CFD技術(shù)基于數(shù)值分析和算法，通過計算機求解流體力學的控制方程，能夠?qū)碗s的流體流動現(xiàn)象進行數(shù)值模擬。這一技術(shù)的出現(xiàn)，使得葉輪機械內(nèi)部流動的研究不再局限于簡單的理論分析和實驗測試，為深入探究葉輪機械內(nèi)部的流動特性提供了有力的工具。在隨后的幾十年里，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，CFD技術(shù)在葉輪機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬中的應(yīng)用日益廣泛和深入。從最初只能模擬簡單的二維流動，到如今能夠精確模擬三維復雜流動；從單一的流動現(xiàn)象模擬，到考慮多種物理因素耦合作用的綜合模擬，CFD技術(shù)不斷突破自身的局限，為葉輪機械的設(shè)計和優(yōu)化提供了越來越精確的依據(jù)。在小型換熱風扇的研究中，葉輪機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬技術(shù)同樣發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通過數(shù)值模擬，可以深入了解小型換熱風扇內(nèi)部的流場分布、壓力變化、溫度傳遞等復雜的物理現(xiàn)象，揭示結(jié)構(gòu)參數(shù)對風扇性能的影響規(guī)律。在研究葉片形狀對風扇性能的影響時，數(shù)值模擬可以精確地計算出不同葉片形狀下風扇內(nèi)部的速度矢量分布、壓力云圖和溫度場分布，直觀地展示氣流在葉片表面的流動狀態(tài)和壓力變化情況，從而為葉片形狀的優(yōu)化設(shè)計提供科學依據(jù)。通過數(shù)值模擬還可以研究不同葉片數(shù)量、安裝角、葉頂間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)對風扇性能的影響，分析各種參數(shù)組合下風扇內(nèi)部的流動特性和性能指標，快速篩選出最優(yōu)的設(shè)計方案，大大縮短了風扇的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本。近年來，隨著計算機技術(shù)的進一步發(fā)展，如并行計算、云計算等技術(shù)的應(yīng)用，以及數(shù)值算法的不斷改進，葉輪機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬的計算效率和精度得到了進一步提升。多物理場耦合模擬技術(shù)的發(fā)展，使得能夠同時考慮流體流動、傳熱、電磁等多種物理過程的相互作用，更加真實地模擬小型換熱風扇在實際工作中的復雜工況。在一些高端電子設(shè)備中，小型換熱風扇不僅要考慮散熱問題，還要考慮電磁兼容性等因素，多物理場耦合模擬技術(shù)可以為這類復雜工況下的風扇設(shè)計提供有力支持。人工智能和機器學習技術(shù)也開始逐漸融入葉輪機械內(nèi)部流動數(shù)值模擬領(lǐng)域，通過對大量模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)的學習和分析，建立更加準確的流動模型和性能預測模型，實現(xiàn)對風扇性能的快速預測和優(yōu)化設(shè)計。利用機器學習算法對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的小型換熱風扇進行性能預測，可以快速找到滿足特定性能要求的最優(yōu)設(shè)計方案，提高設(shè)計效率和質(zhì)量。1.3數(shù)值模擬方法進展數(shù)值模擬方法在小型換熱風扇研究中占據(jù)著舉足輕重的地位，其核心技術(shù)——計算流體動力學（CFD），自誕生以來便不斷演進，深刻改變了小型換熱風扇的研究模式。早期，CFD技術(shù)受限于計算機硬件性能和算法的不完善，主要應(yīng)用于簡單模型的模擬。在小型換熱風扇的模擬中，往往只能對二維流場進行簡化分析，忽略了許多實際存在的復雜因素，如葉片的三維形狀、氣流的三維流動特性以及各種物理場之間的耦合作用等。這種簡化雖然在一定程度上能夠提供一些初步的分析結(jié)果，但對于深入理解小型換熱風扇內(nèi)部復雜的流動與性能機制而言，存在著較大的局限性。隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是硬件性能的大幅提升和數(shù)值算法的不斷優(yōu)化，CFD技術(shù)在小型換熱風扇研究中的應(yīng)用得以不斷拓展和深化。如今，CFD技術(shù)已能夠?qū)崿F(xiàn)對小型換熱風扇內(nèi)部三維復雜流場的精確模擬，全面考慮氣流的粘性、湍流、傳熱等多種物理現(xiàn)象。通過建立詳細的三維幾何模型，能夠精確地描述葉片的形狀、數(shù)量、安裝角、葉頂間隙等結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及風扇內(nèi)部的流道形狀和邊界條件。利用先進的數(shù)值算法求解Navier-Stokes方程和能量方程等控制方程，可以獲得風扇內(nèi)部流場的詳細信息，包括速度、壓力、溫度等物理量的分布情況。在模擬葉片形狀對小型換熱風扇性能的影響時，CFD技術(shù)能夠精確地計算出不同葉片形狀下風扇內(nèi)部的流場特性。對于機翼型葉片和直板型葉片的模擬對比發(fā)現(xiàn)，機翼型葉片由于其獨特的形狀設(shè)計，能夠使氣流在葉片表面更加平滑地流動，減少氣流的分離和湍流的產(chǎn)生，從而提高風扇的壓力升高能力和效率。在模擬葉片數(shù)量對風扇性能的影響時，CFD技術(shù)可以清晰地展示出隨著葉片數(shù)量的增加，風扇內(nèi)部流場的變化情況。當葉片數(shù)量增加時，風扇的壓力會相應(yīng)提高，但同時由于葉片之間的相互干擾增強，流動損失也會增加，導致風扇的效率下降。通過CFD模擬，可以精確地分析出不同葉片數(shù)量下風扇的性能指標，為風扇的優(yōu)化設(shè)計提供科學依據(jù)。多物理場耦合模擬技術(shù)的發(fā)展，進一步推動了CFD技術(shù)在小型換熱風扇研究中的應(yīng)用。在實際工作中，小型換熱風扇不僅涉及流體流動和傳熱過程，還可能與電磁、結(jié)構(gòu)力學等其他物理場相互作用。在一些電子設(shè)備中，小型換熱風扇可能會受到電磁干擾，影響其正常運行；在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，風扇的葉片可能會因為受到離心力和氣流作用力的影響而發(fā)生變形，進而影響風扇的性能。多物理場耦合模擬技術(shù)能夠同時考慮這些復雜的物理過程，更加真實地模擬小型換熱風扇在實際工作中的工況。通過將流體力學、傳熱學、電磁學和結(jié)構(gòu)力學等多個物理場的控制方程進行耦合求解，可以獲得風扇在多物理場作用下的綜合性能，為風扇的設(shè)計和優(yōu)化提供更加全面的指導。近年來，人工智能和機器學習技術(shù)逐漸融入CFD模擬領(lǐng)域，為小型換熱風扇的研究帶來了新的機遇。這些技術(shù)能夠?qū)Υ罅康腃FD模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)進行學習和分析，建立更加準確的流動模型和性能預測模型。利用機器學習算法對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的小型換熱風扇進行性能預測，可以快速找到滿足特定性能要求的最優(yōu)設(shè)計方案，提高設(shè)計效率和質(zhì)量。通過對大量模擬數(shù)據(jù)的學習，機器學習模型可以建立起小型換熱風扇結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能之間的復雜映射關(guān)系，從而實現(xiàn)對風扇性能的快速預測。在設(shè)計新的小型換熱風扇時，可以利用這些模型快速評估不同設(shè)計方案的性能，篩選出最優(yōu)的設(shè)計方案，大大縮短了設(shè)計周期，降低了研發(fā)成本。1.4內(nèi)部流動損失研究小型換熱風扇在運行過程中，內(nèi)部流動損失是影響其性能和效率的關(guān)鍵因素之一。深入研究內(nèi)部流動損失的類型和產(chǎn)生原因，對于優(yōu)化風扇設(shè)計、提高風扇性能具有重要意義。小型換熱風扇內(nèi)部流動損失主要包括摩擦損失、分離損失、沖擊損失和泄漏損失等類型。摩擦損失是由于流體與風扇內(nèi)部壁面之間的摩擦力而產(chǎn)生的能量損失。在風扇運行時，流體沿著葉片表面和流道壁面流動，由于流體的粘性，會在壁面附近形成邊界層，邊界層內(nèi)的流體速度逐漸減小，與壁面之間產(chǎn)生摩擦力，從而導致能量損失。這種損失與壁面的粗糙度、流體的粘性以及流速等因素密切相關(guān)。壁面粗糙度越大，摩擦力越大，摩擦損失也就越大；流體粘性越高，邊界層越厚，摩擦損失也會相應(yīng)增加；流速越快，邊界層內(nèi)的速度梯度越大，摩擦損失也會增大。當風扇葉片表面加工精度較低，存在較多的凹凸不平之處時，流體在葉片表面流動時的摩擦力會顯著增加，導致摩擦損失增大。分離損失是指當流體在風扇內(nèi)部流動時，由于受到葉片形狀、氣流速度分布不均勻等因素的影響，氣流在葉片表面發(fā)生分離，形成分離渦，從而導致的能量損失。在葉片的吸力面，由于壓力較低，氣流容易發(fā)生分離，形成分離區(qū)。分離區(qū)內(nèi)的氣流處于紊亂狀態(tài)，能量耗散較大，從而導致分離損失的產(chǎn)生。葉片的彎曲程度過大、葉片表面的壓力分布不均勻等情況都可能導致氣流分離，增加分離損失。當風扇葉片的彎曲角度過大時，在葉片的吸力面會形成較大的低壓區(qū)，氣流容易在此處發(fā)生分離，產(chǎn)生大量的分離渦，使得分離損失顯著增加。沖擊損失主要發(fā)生在風扇的進口和出口處。當氣流進入風扇進口時，如果氣流的方向與葉片進口角不匹配，就會發(fā)生沖擊現(xiàn)象，導致氣流的速度和壓力發(fā)生突變，產(chǎn)生能量損失。在風扇出口處，如果氣流的流動狀態(tài)不均勻，也會產(chǎn)生沖擊損失。進口氣流的偏角過大、進口流場的不均勻性等因素都會導致沖擊損失的增加。當風扇進口處存在障礙物，使得氣流進入風扇時的方向發(fā)生較大偏差，與葉片進口角不匹配，就會在進口處產(chǎn)生強烈的沖擊，導致沖擊損失大幅增加。泄漏損失則是由于葉頂間隙的存在，使得一部分高壓氣體從葉片頂部泄漏到低壓區(qū)，從而產(chǎn)生的能量損失。葉頂間隙越小，泄漏損失越小，但過小的葉頂間隙會增加制造和裝配的難度，同時也可能導致葉片與機殼之間的摩擦和磨損加劇。葉頂間隙的大小、葉片的形狀以及氣體的壓力差等因素都會影響泄漏損失的大小。當葉頂間隙較大時，高壓氣體更容易從葉片頂部泄漏到低壓區(qū)，泄漏損失會明顯增大；葉片的形狀對泄漏損失也有影響，一些特殊形狀的葉片可以減少泄漏損失。為了減少小型換熱風扇內(nèi)部的流動損失，可以采取多種有效的方法。在葉片設(shè)計方面，通過優(yōu)化葉片的形狀和表面粗糙度，可以降低摩擦損失和分離損失。采用光滑的葉片表面可以減小摩擦力，降低摩擦損失；合理設(shè)計葉片的形狀，使氣流在葉片表面能夠更加平滑地流動，避免氣流分離，從而減少分離損失。采用機翼型葉片，相比直板型葉片，能夠使氣流在葉片表面更加貼合，減少氣流分離，降低分離損失。在風扇的安裝和使用過程中，確保進口氣流的均勻性和穩(wěn)定性，可以有效減少沖擊損失。通過合理設(shè)計進口流道，安裝整流裝置等措施，可以使氣流更加均勻地進入風扇，減小進口氣流的偏角，降低沖擊損失。在風扇進口處安裝導流葉片，能夠引導氣流以合適的角度進入風扇，減少沖擊損失。通過優(yōu)化葉頂間隙的大小和結(jié)構(gòu)，也可以降低泄漏損失。采用密封結(jié)構(gòu)或特殊的葉頂形狀，可以減少氣體的泄漏，降低泄漏損失。在葉片頂部采用鋸齒狀結(jié)構(gòu)，可以擾亂泄漏流，減少泄漏損失。1.5葉輪機械內(nèi)部流場測量方法葉輪機械內(nèi)部流場測量是深入了解小型換熱風扇內(nèi)部流動特性的重要手段，它為數(shù)值模擬結(jié)果的驗證和風扇性能的優(yōu)化提供了關(guān)鍵依據(jù)。目前，常用的葉輪機械內(nèi)部流場測量方法包括熱線風速儀、粒子圖像測速技術(shù)（PIV）等，這些方法各有特點，在小型換熱風扇的研究中發(fā)揮著重要作用。熱線風速儀是一種經(jīng)典的流場測量儀器，它基于熱傳導原理，通過測量熱線電阻的變化來確定氣流速度。當熱線置于氣流中時，氣流會帶走熱線的熱量，使熱線溫度下降，電阻發(fā)生變化。通過測量熱線電阻的變化，并根據(jù)事先標定的熱線風速與電阻變化的關(guān)系曲線，就可以計算出氣流的速度。熱線風速儀具有測量精度高、響應(yīng)速度快、可測量瞬時速度等優(yōu)點，能夠準確地獲取小型換熱風扇內(nèi)部流場的速度信息。在測量小型換熱風扇葉片表面附近的氣流速度時，熱線風速儀可以精確地測量出不同位置的速度大小和方向，為分析葉片表面的流動特性提供了詳細的數(shù)據(jù)。由于熱線的尺寸較小，對流場的干擾相對較小，能夠較為真實地反映流場的實際情況。然而，熱線風速儀也存在一定的局限性，它只能測量單點的速度，難以獲取整個流場的速度分布信息；在測量復雜流場時，由于熱線易受到氣流方向變化和湍流的影響，測量精度可能會受到一定的影響。粒子圖像測速技術(shù)（PIV）是一種基于圖像分析的全場流場測量技術(shù)，近年來在葉輪機械內(nèi)部流場測量中得到了廣泛應(yīng)用。PIV技術(shù)的基本原理是在流場中均勻散布示蹤粒子，用脈沖激光片光源照射測量區(qū)域，使示蹤粒子被照亮，形成粒子圖像。通過高速攝像機拍攝不同時刻的粒子圖像，利用圖像相關(guān)算法對粒子圖像進行分析，計算出粒子在兩個時刻之間的位移，從而得到流場中各點的速度矢量。PIV技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對整個流場的瞬態(tài)速度測量，獲得流場的速度分布信息，直觀地展示流場的流動結(jié)構(gòu)和特征。在研究小型換熱風扇內(nèi)部的復雜流場時，PIV技術(shù)可以清晰地顯示出風扇內(nèi)部的渦旋結(jié)構(gòu)、氣流的分離和再附著現(xiàn)象等，為深入理解風扇內(nèi)部的流動機制提供了有力的工具。PIV技術(shù)還具有非接觸測量的優(yōu)點，不會對流場造成干擾，能夠保證測量結(jié)果的準確性。但是，PIV技術(shù)對實驗設(shè)備和環(huán)境要求較高，實驗成本相對較高；圖像分析過程較為復雜，需要專業(yè)的軟件和技術(shù)人員進行處理。在小型換熱風扇的研究中，熱線風速儀和PIV技術(shù)等測量方法常常相互結(jié)合使用，以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。利用熱線風速儀測量小型換熱風扇內(nèi)部關(guān)鍵位置的速度，為PIV測量提供參考和驗證；同時，通過PIV技術(shù)獲取整個流場的速度分布信息，彌補熱線風速儀只能測量單點速度的不足。這樣可以更加全面、準確地了解小型換熱風扇內(nèi)部的流場特性，為風扇的設(shè)計和優(yōu)化提供更加可靠的依據(jù)。1.6風扇國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外在小型換熱風扇領(lǐng)域的研究起步較早，憑借先進的科研設(shè)備和雄厚的技術(shù)實力，取得了豐碩的成果。美國、日本、德國等發(fā)達國家的科研機構(gòu)和企業(yè)，在風扇的設(shè)計理論、實驗研究和數(shù)值模擬等方面處于世界領(lǐng)先水平。美國的一些研究團隊通過大量的實驗和數(shù)值模擬，深入研究了小型換熱風扇的葉片形狀、數(shù)量、安裝角等結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響，提出了一系列優(yōu)化設(shè)計方法，顯著提高了風扇的效率和性能。日本的企業(yè)則在風扇的制造工藝和材料應(yīng)用方面取得了突破，采用新型材料和先進的制造工藝，降低了風扇的重量和噪聲，提高了風扇的可靠性和使用壽命。在國內(nèi)，隨著科技的不斷進步和工業(yè)的快速發(fā)展，對小型換熱風扇的研究也日益重視。眾多高校和科研機構(gòu)積極開展相關(guān)研究工作，取得了一系列有價值的研究成果。一些高校通過自主研發(fā)的實驗平臺，對小型換熱風扇的內(nèi)部流場進行了詳細的測量和分析，為風扇的優(yōu)化設(shè)計提供了實驗依據(jù)?？蒲袡C構(gòu)則在數(shù)值模擬技術(shù)方面取得了顯著進展，開發(fā)了一系列適用于小型換熱風扇的數(shù)值模擬軟件，能夠準確地預測風扇的性能和內(nèi)部流場特性。國內(nèi)企業(yè)也加大了對小型換熱風扇的研發(fā)投入，不斷推出高性能、低噪聲的產(chǎn)品，在市場上占據(jù)了一定的份額。盡管國內(nèi)外在小型換熱風扇的研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些不足之處。在理論研究方面，雖然對風扇內(nèi)部流動的基本原理有了一定的認識，但對于一些復雜的流動現(xiàn)象，如湍流、多相流等，還缺乏深入的理解和準確的理論模型。在數(shù)值模擬方面，雖然CFD技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但由于模擬結(jié)果受到模型選擇、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置等因素的影響，模擬精度和可靠性仍有待提高。在實驗研究方面，由于實驗設(shè)備和測量技術(shù)的限制，對于一些微小結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對風扇性能的影響，還難以進行精確的測量和分析。此外，目前的研究大多集中在單一結(jié)構(gòu)參數(shù)對風扇性能的影響上，對于多個結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互作用和協(xié)同優(yōu)化研究還相對較少。未來，需要進一步加強基礎(chǔ)理論研究，改進數(shù)值模擬方法和實驗技術(shù)，深入研究多個結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的相互關(guān)系，以實現(xiàn)小型換熱風扇的優(yōu)化設(shè)計和性能提升。1.7研究內(nèi)容與方法本研究的主要內(nèi)容圍繞小型換熱風扇的多個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)展開，深入探究它們對風扇內(nèi)部流動特性和性能的影響。在葉片安裝角方面，將系統(tǒng)地研究不同安裝角設(shè)置下，風扇內(nèi)部氣流的流動方向、速度分布以及壓力變化情況。通過數(shù)值模擬和實驗測試，分析安裝角與風扇風量、風壓、效率等性能指標之間的定量關(guān)系，明確最佳安裝角范圍，為風扇的優(yōu)化設(shè)計提供關(guān)鍵依據(jù)。在葉頂間隙的研究中，著重分析葉頂間隙大小對泄漏流的影響機制，研究泄漏流的流量、速度以及其在風扇內(nèi)部形成的復雜渦系結(jié)構(gòu)。通過實驗和模擬，評估葉頂間隙對風扇效率、壓力升高能力和噪聲水平的影響，探索減小葉頂間隙泄漏損失的有效方法和技術(shù)。對于葉片數(shù)量，將對比不同葉片數(shù)量下風扇的性能表現(xiàn)，包括風量、風壓、功率消耗等。分析葉片數(shù)量變化時，風扇內(nèi)部流場的均勻性、氣流的相互干擾程度以及流動損失的變化規(guī)律，確定在滿足特定性能要求下的最佳葉片數(shù)量。本研究采用數(shù)值模擬和實驗相結(jié)合的研究方法。在數(shù)值模擬方面，基于計算流體動力學（CFD）理論，運用專業(yè)的CFD軟件，如ANSYSFluent、CFX等，對小型換熱風扇內(nèi)部的三維復雜流場進行模擬計算。通過建立精確的幾何模型，合理劃分網(wǎng)格，選擇合適的湍流模型和邊界條件，求解Navier-Stokes方程和能量方程，得到風扇內(nèi)部流場的詳細信息，包括速度、壓力、溫度等物理量的分布情況。利用數(shù)值模擬結(jié)果，深入分析結(jié)構(gòu)參數(shù)對風扇內(nèi)部流動特性和性能的影響規(guī)律，為實驗研究提供理論指導和方案優(yōu)化。在實驗研究方面，搭建小型換熱風扇實驗平臺，包括風洞實驗裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測量儀器等。使用熱線風速儀、粒子圖像測速技術(shù)（PIV）等先進的測量設(shè)備，對風扇內(nèi)部流場進行測量，獲取不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下風扇的性能數(shù)據(jù)，如風量、風壓、功率消耗等。通過實驗數(shù)據(jù)驗證數(shù)值模擬結(jié)果的準確性，同時對數(shù)值模擬中難以考慮的因素，如風扇的制造誤差、實際運行中的工況變化等進行研究分析，進一步完善對小型換熱風扇結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能關(guān)系的認識。二、數(shù)值求解及模型構(gòu)建2.1數(shù)學模型選取在小型換熱風扇的數(shù)值模擬中，湍流模型的選擇對于準確預測風扇內(nèi)部的流動特性和性能至關(guān)重要。常用的湍流模型包括k-ε模型、k-ω模型等，它們各自具有獨特的特點和適用范圍。k-ε模型是應(yīng)用最為廣泛的湍流模型之一，它基于雷諾平均納維-斯托克斯（RANS）方程，通過引入湍動能k和湍動能耗散率ε兩個附加輸運方程來封閉方程組。k-ε模型在處理高雷諾數(shù)、充分發(fā)展的湍流流動時表現(xiàn)出色，具有計算效率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。在小型換熱風扇的模擬中，對于風扇內(nèi)部大部分區(qū)域的湍流流動，k-ε模型能夠較好地捕捉到平均流場的特性，提供較為準確的速度和壓力分布信息。該模型在模擬風扇葉輪流道內(nèi)的流動時，能夠合理地預測氣流的速度變化和壓力損失，為分析風扇的性能提供了可靠的依據(jù)。然而，k-ε模型也存在一定的局限性。它基于各向同性湍流假設(shè)，對于復雜的湍流流動，如存在強旋轉(zhuǎn)、彎曲壁面或大分離的情況，模擬精度可能會受到影響。在風扇葉片的葉頂區(qū)域，由于存在泄漏流和復雜的二次流，k-ε模型可能無法準確地描述這些流動現(xiàn)象，導致模擬結(jié)果與實際情況存在一定偏差。k-ω模型同樣基于RANS方程，通過求解湍動能k和比耗散率ω的輸運方程來描述湍流特性。與k-ε模型相比，k-ω模型對近壁區(qū)域的湍流流動具有更好的模擬能力，能夠更準確地預測壁面附近的速度梯度和剪切應(yīng)力。這使得k-ω模型在處理邊界層流動、壁面摩擦等問題時具有明顯的優(yōu)勢。在小型換熱風扇的模擬中，對于風扇葉片表面和機殼內(nèi)壁等近壁區(qū)域的流動，k-ω模型能夠提供更詳細和準確的信息，有助于深入研究邊界層對風扇性能的影響。在分析風扇葉片表面的摩擦損失時，k-ω模型能夠精確地計算出壁面附近的速度分布和剪切應(yīng)力，從而準確地評估摩擦損失的大小。k-ω模型對自由流邊界條件較為敏感，在遠離壁面的區(qū)域，其模擬精度可能不如k-ε模型。綜合考慮小型換熱風扇內(nèi)部流動的特點和模擬需求，本研究選用k-ε模型中的Realizablek-ε模型。Realizablek-ε模型在標準k-ε模型的基礎(chǔ)上進行了改進，引入了新的湍動能耗散率方程和雷諾應(yīng)力輸運方程，使其能夠更好地適應(yīng)復雜的流動情況。該模型在處理具有強旋流、彎曲壁面和大分離的流動時，表現(xiàn)出比標準k-ε模型更高的精度和可靠性。在小型換熱風扇的模擬中，Realizablek-ε模型能夠更準確地捕捉到風扇內(nèi)部的復雜流動現(xiàn)象，如葉頂泄漏流、葉片表面的氣流分離等，從而為研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對風扇性能的影響提供更精確的模擬結(jié)果。在研究葉頂間隙對風扇性能的影響時，Realizablek-ε模型能夠清晰地展示出泄漏流的形成機制和流動特性，以及泄漏流對風扇內(nèi)部流場和性能的影響規(guī)律，為優(yōu)化葉頂間隙設(shè)計提供了有力的支持。2.2幾何模型建立以某款小型換熱風扇為原型，利用三維建模軟件SolidWorks建立精確的幾何模型。該風扇主要由葉片、輪轂、機殼等部分組成。在建模過程中，充分考慮各部件的實際尺寸和形狀，確保模型的準確性和真實性。為了簡化計算過程，同時保證模擬結(jié)果的準確性，對幾何模型進行了適當?shù)暮喕幚?。忽略了風扇表面的一些微小結(jié)構(gòu)，如加工痕跡、倒角等，這些微小結(jié)構(gòu)對風扇內(nèi)部的整體流動特性影響較小，但會增加模型的復雜性和計算量。對葉片的厚度進行了均勻化處理，實際葉片的厚度可能存在一定的變化，但在一定程度上可以近似為均勻厚度，這樣可以簡化模型的構(gòu)建，同時不會對模擬結(jié)果產(chǎn)生較大的偏差。在建立幾何模型時，還需注意以下事項。確保各部件之間的連接關(guān)系準確無誤，避免出現(xiàn)縫隙或重疊現(xiàn)象，以免影響流場的計算結(jié)果。在葉片與輪轂的連接部位，要保證連接的緊密性和準確性，避免出現(xiàn)泄漏或流動不暢的情況。對模型的尺寸精度進行嚴格控制，盡量減小建模過程中的誤差。在輸入各部件的尺寸參數(shù)時，要仔細核對，確保參數(shù)的準確性，以保證模型的精度。為了便于后續(xù)的網(wǎng)格劃分和數(shù)值計算，對模型的表面質(zhì)量進行優(yōu)化，盡量使模型表面光滑，減少表面的凹凸不平，提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和計算效率。2.3邊界條件設(shè)置在小型換熱風扇的數(shù)值模擬中，合理設(shè)置邊界條件是確保模擬結(jié)果準確性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。邊界條件的設(shè)置需依據(jù)風扇的實際工作情況，綜合考慮入口、出口以及壁面等不同位置的物理特性。入口邊界條件通常設(shè)定為速度入口，即給定氣流進入風扇時的速度大小和方向。這一速度值可根據(jù)風扇的設(shè)計工況和實際應(yīng)用場景來確定。在模擬電子設(shè)備散熱用的小型換熱風扇時，可參考設(shè)備內(nèi)部的氣流流動要求和風扇的額定風量，通過計算得出合適的入口速度。同時，還需明確入口氣流的溫度，一般情況下，可將入口氣流溫度設(shè)定為環(huán)境溫度，以模擬風扇在實際工作環(huán)境中的初始狀態(tài)。出口邊界條件多采用壓力出口，即指定風扇出口處的壓力值。在實際應(yīng)用中，風扇出口通常與大氣相通，因此出口壓力可近似設(shè)定為大氣壓力。準確設(shè)定出口壓力，能夠保證風扇內(nèi)部的壓力場分布合理，使模擬結(jié)果更符合實際情況。若出口壓力設(shè)置不合理，可能會導致風扇內(nèi)部的氣流流動出現(xiàn)異常，影響模擬結(jié)果的準確性。壁面邊界條件則采用無滑移條件，這意味著在風扇的葉片表面、輪轂表面和機殼內(nèi)壁等壁面處，流體的速度與壁面速度相同，即相對速度為零。這一條件反映了實際情況下流體與固體壁面之間的粘附作用，確保了模擬過程中壁面對流體流動的約束。在無滑移條件下，流體在壁面附近會形成邊界層，邊界層內(nèi)的流體速度逐漸減小至零，這種速度變化對風扇內(nèi)部的流動特性和能量損失有著重要影響。壁面的粗糙度也會對邊界層的厚度和流動特性產(chǎn)生影響，進而影響風扇的性能。在模擬過程中，可根據(jù)實際壁面的加工精度和表面狀況，合理考慮壁面粗糙度對流動的影響。2.4計算域與網(wǎng)格劃分為了準確模擬小型換熱風扇內(nèi)部的流動特性，合理確定計算域的范圍和形狀至關(guān)重要。計算域的范圍應(yīng)足夠大，以確保能夠捕捉到風扇周圍的整個流場信息，同時又要避免過大的計算域?qū)е掠嬎阗Y源的浪費。在本研究中，將計算域設(shè)定為包含風扇本體以及風扇前后一定距離的空間區(qū)域。具體而言，計算域的長度方向（軸向）在風扇前方延伸至3倍風扇直徑的距離，在風扇后方延伸至5倍風扇直徑的距離，以充分考慮氣流在進入風扇前的發(fā)展和離開風扇后的擴散情況。計算域的徑向范圍則設(shè)置為2倍風扇直徑，以涵蓋風扇周圍的整個氣流場。這樣的計算域范圍能夠較好地模擬風扇在實際工作中的流場情況，保證模擬結(jié)果的準確性。計算域的形狀采用與風扇幾何形狀相匹配的圓柱形。圓柱形的計算域能夠更好地適應(yīng)風扇的軸對稱特性，減少由于計算域形狀與風扇不匹配而產(chǎn)生的數(shù)值誤差。在構(gòu)建計算域時，確保風扇位于計算域的中心軸線上，使計算域與風扇的幾何中心保持一致，從而提高計算的準確性和穩(wěn)定性。在網(wǎng)格劃分方面，根據(jù)風扇結(jié)構(gòu)的復雜性和計算精度的要求，選用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進行劃分。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格具有靈活性高的特點，能夠更好地適應(yīng)風扇葉片等復雜曲面的幾何形狀，對復雜的幾何模型具有更好的適應(yīng)性。相比結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格在處理具有不規(guī)則形狀和復雜邊界的模型時，能夠更精確地捕捉流場的細節(jié)信息。在風扇葉片的前緣和后緣等曲率變化較大的區(qū)域，非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格可以通過局部加密的方式，生成更細密的網(wǎng)格，從而提高對這些區(qū)域流場的模擬精度。為了確保網(wǎng)格質(zhì)量，在劃分網(wǎng)格時采取了一系列措施。在風扇葉片表面和近壁區(qū)域，通過設(shè)置邊界層網(wǎng)格，對這些區(qū)域進行網(wǎng)格加密，以更好地捕捉邊界層內(nèi)的流動特性。邊界層網(wǎng)格的層數(shù)設(shè)置為5層，首層網(wǎng)格高度根據(jù)風扇的尺寸和流動特性進行合理調(diào)整，確保能夠準確模擬邊界層內(nèi)的速度梯度和剪切應(yīng)力。在整個計算域內(nèi)，通過控制網(wǎng)格的尺寸和形狀，確保網(wǎng)格的質(zhì)量指標滿足計算要求。對于三角形網(wǎng)格，控制其最小內(nèi)角不小于30°，最大內(nèi)角不大于120°，以保證網(wǎng)格的穩(wěn)定性和計算精度。同時，對網(wǎng)格的縱橫比進行限制，使其不超過10，避免出現(xiàn)過度扭曲的網(wǎng)格，影響計算結(jié)果的準確性。為了驗證網(wǎng)格獨立性，進行了不同網(wǎng)格數(shù)量下的模擬計算。分別采用粗、中、細三種不同密度的網(wǎng)格對計算域進行劃分，粗網(wǎng)格數(shù)量為50萬，中網(wǎng)格數(shù)量為100萬，細網(wǎng)格數(shù)量為150萬。對比不同網(wǎng)格數(shù)量下風扇的性能參數(shù)，如風量、風壓、效率等，以及流場的關(guān)鍵特征，如速度分布、壓力分布等。當網(wǎng)格數(shù)量從50萬增加到100萬時，風扇的性能參數(shù)和流場特征發(fā)生了較為明顯的變化；而當網(wǎng)格數(shù)量從100萬增加到150萬時，風扇的性能參數(shù)和流場特征的變化較小，基本趨于穩(wěn)定。根據(jù)網(wǎng)格獨立性驗證的結(jié)果，選擇中網(wǎng)格數(shù)量（100萬）作為最終的網(wǎng)格劃分方案，在保證計算精度的前提下，兼顧了計算效率，避免了因網(wǎng)格數(shù)量過多而導致的計算資源浪費和計算時間過長的問題。2.5計算方法本研究采用有限體積法進行數(shù)值計算。有限體積法的基本思想是將計算域劃分為一系列控制體積，通過對每個控制體積內(nèi)的守恒方程進行積分，將偏微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程進行求解。在有限體積法中，通量的計算是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過對控制體積表面的通量進行離散化處理，確保了守恒性的滿足。在計算過程中，采用SIMPLE算法進行速度和壓力的耦合求解。SIMPLE算法通過引入壓力修正方程，實現(xiàn)了速度場和壓力場的迭代求解。具體步驟如下：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；接著，利用壓力修正值對壓力場和速度場進行修正；最后，判斷修正后的速度場和壓力場是否滿足收斂條件，若不滿足則繼續(xù)迭代，直到收斂為止。收斂標準的設(shè)定對于確保計算結(jié)果的準確性和可靠性至關(guān)重要。在本研究中，設(shè)定連續(xù)性方程、動量方程和能量方程的殘差均小于1\times10^{-6}作為收斂標準。當計算過程中各方程的殘差達到這一標準時，認為計算結(jié)果已經(jīng)收斂，即當前的解已經(jīng)足夠接近真實解，可以用于后續(xù)的分析和討論。在實際計算過程中，還可以通過監(jiān)測風扇的性能參數(shù)，如風量、風壓、功率等，來進一步驗證計算結(jié)果的收斂性。當這些性能參數(shù)在連續(xù)的迭代過程中變化非常小，趨于穩(wěn)定時，也可以作為計算結(jié)果收斂的一個重要依據(jù)。2.6CFD模型的離散在對小型換熱風扇進行CFD模擬時，需要將連續(xù)的物理模型離散化為代數(shù)方程組，以便通過計算機進行求解。離散化過程主要涉及對流項、擴散項和源項的離散處理。對流項的離散采用二階迎風差分格式。二階迎風差分格式基于流體的流動方向，利用上游節(jié)點的信息來計算對流項。在小型換熱風扇內(nèi)部，氣流的流動方向復雜多變，二階迎風差分格式能夠充分考慮到氣流的對流特性，通過在流動方向上的二階精度離散，有效地捕捉到氣流的速度變化和方向轉(zhuǎn)變。與一階迎風差分格式相比，二階迎風差分格式在精度上有了顯著提升，能夠更準確地描述對流項對流動的影響。在模擬風扇葉片表面的氣流流動時，一階迎風差分格式可能會導致較大的數(shù)值擴散，使得計算結(jié)果與實際情況存在偏差；而二階迎風差分格式能夠更好地保持氣流的真實特性，減少數(shù)值誤差，提高模擬結(jié)果的準確性。然而，二階迎風差分格式的計算量相對較大，對計算機的計算能力有一定要求。擴散項的離散采用中心差分格式。中心差分格式基于節(jié)點周圍的信息，通過對相鄰節(jié)點的平均來計算擴散項。在小型換熱風扇內(nèi)部，擴散項主要與流體的粘性和熱傳導等物理特性相關(guān)。中心差分格式能夠準確地捕捉到這些物理特性的影響，通過對相鄰節(jié)點的精確計算，有效地描述擴散項對流動和傳熱的作用。在模擬風扇內(nèi)部的熱量傳遞時，中心差分格式能夠精確地計算出溫度在空間上的變化，準確地描述熱量的擴散過程，為分析風扇的散熱性能提供了可靠的依據(jù)。中心差分格式具有較高的精度，能夠在保證計算精度的同時，保持計算的穩(wěn)定性。源項的離散則根據(jù)其具體形式進行處理。在小型換熱風扇的模擬中，源項可能包括風扇葉片對氣流的作用力、能量源等。對于線性源項，通常采用簡單的離散方法，將其直接分配到相應(yīng)的節(jié)點上；對于非線性源項，則需要采用更為復雜的離散方法，如迭代法等，以確保離散后的方程能夠準確地反映源項的物理特性。在處理風扇葉片對氣流的作用力時，需要根據(jù)葉片的形狀、運動狀態(tài)等因素，準確地計算出作用力的大小和方向，并將其合理地離散到相應(yīng)的節(jié)點上，以保證模擬結(jié)果的準確性。離散格式的選擇對計算精度和穩(wěn)定性有著重要影響。二階迎風差分格式和中心差分格式的結(jié)合，能夠在保證計算精度的同時，維持計算的穩(wěn)定性。二階迎風差分格式能夠有效地處理對流項，減少數(shù)值擴散，提高對流項的計算精度；中心差分格式能夠準確地計算擴散項，保持計算的穩(wěn)定性。在模擬小型換熱風扇內(nèi)部的復雜流動時，這種離散格式的組合能夠準確地捕捉到流場的細節(jié)信息，為研究風扇的性能提供了有力的工具。然而，不同的離散格式在不同的工況下可能表現(xiàn)出不同的性能，因此在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體問題的特點和需求，合理選擇離散格式，以達到最佳的計算效果。三、安裝角對風扇性能及內(nèi)部流場的影響3.1安裝角對葉輪機械內(nèi)部氣流的影響原理安裝角作為小型換熱風扇的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)之一，對葉輪機械內(nèi)部氣流有著至關(guān)重要的影響，其原理涉及多個方面的流體力學機制。當風扇的安裝角發(fā)生改變時，首先直接影響的是氣流進入葉輪的入射角。在理想情況下，當氣流以設(shè)計的安裝角進入葉輪時，氣流能夠較為順暢地貼合葉片表面流動，與葉片之間的相互作用較為穩(wěn)定。此時，氣流的入射角與葉片的進口角相匹配，氣流在葉片表面的流動較為平滑，能夠充分利用葉片的形狀和運動來實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，從而使風扇達到較好的性能狀態(tài)。當安裝角增大時，氣流的入射角相應(yīng)增大，這會導致氣流與葉片之間的沖擊作用增強。氣流在進入葉輪時，不再能夠完美地貼合葉片表面流動，而是會在葉片前緣產(chǎn)生較大的沖擊，使得氣流的速度和壓力分布發(fā)生變化。這種沖擊會導致氣流的動能部分轉(zhuǎn)化為熱能，造成能量損失，同時也會使葉片表面的壓力分布不均勻，增加了流動的復雜性。安裝角的改變還會對氣流的相對速度產(chǎn)生顯著影響。相對速度是指氣流相對于旋轉(zhuǎn)葉片的速度，它的大小和方向直接影響著氣流在葉片表面的流動特性。當安裝角變化時，氣流的相對速度大小和方向都會發(fā)生改變，進而影響氣流在葉片表面的附著情況和邊界層的發(fā)展。在安裝角較小時，氣流的相對速度方向較為接近葉片的切線方向，氣流能夠較為穩(wěn)定地附著在葉片表面，邊界層的發(fā)展相對較為規(guī)則。隨著安裝角的增大，氣流的相對速度方向逐漸偏離葉片的切線方向，氣流在葉片表面的附著能力減弱，邊界層容易發(fā)生分離，形成分離渦。分離渦的存在會導致氣流的能量損失增加，同時也會影響風扇的壓力升高能力和效率。壓力分布也是安裝角影響葉輪機械內(nèi)部氣流的重要方面。安裝角的變化會導致葉片表面的壓力分布發(fā)生改變，從而影響風扇的性能。在正常安裝角下，葉片的壓力面和吸力面之間存在一定的壓力差，這個壓力差是風扇產(chǎn)生壓力升高的主要原因。當安裝角增大時，葉片吸力面的壓力會降低，壓力面的壓力會升高，壓力差增大，風扇的壓力升高能力增強。過大的安裝角會導致氣流在葉片表面的分離加劇，使得壓力分布變得不穩(wěn)定，壓力差反而減小，風扇的壓力升高能力下降。安裝角對風扇性能的影響還體現(xiàn)在對風量和效率的影響上。隨著安裝角的增大，風扇的風量會先增加后減小。在安裝角較小時，增大安裝角可以使葉片對氣流的作用力增強，從而增加風量。當安裝角過大時，由于氣流分離和能量損失的增加，風量會逐漸減小。安裝角對風扇效率的影響也呈現(xiàn)類似的趨勢，在一定范圍內(nèi)，增大安裝角可以提高風扇的效率，但超過這個范圍后，效率會隨著安裝角的增大而降低。3.2風扇模型及靜特性分析為深入探究安裝角對小型換熱風扇性能及內(nèi)部流場的影響，建立了一系列不同安裝角的風扇模型。安裝角分別設(shè)定為15°、20°、25°、30°和35°，這些角度涵蓋了常見的工作范圍，能夠全面地反映安裝角對風扇性能的影響。利用前文所述的數(shù)值模擬方法，對各風扇模型進行靜特性分析。在模擬過程中，嚴格按照實際工作條件設(shè)置邊界條件，確保模擬結(jié)果的真實性和可靠性。通過數(shù)值計算，得到了不同安裝角下風扇的壓力升、效率等性能參數(shù)。不同安裝角下風扇的壓力升和效率存在顯著差異。隨著安裝角的增大，風扇的壓力升呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在安裝角為25°時，風扇的壓力升達到最大值，這表明在該安裝角下，風扇能夠最有效地將機械能轉(zhuǎn)化為氣流的壓力能，實現(xiàn)較好的增壓效果。當安裝角小于25°時，隨著安裝角的增大，葉片對氣流的作用力逐漸增強，氣流在葉片表面的流動更加順暢，壓力升隨之增大；而當安裝角大于25°時，過大的安裝角導致氣流與葉片之間的沖擊加劇，流動損失增加，壓力升反而減小。風扇的效率也隨著安裝角的變化而變化。在安裝角為20°-25°的范圍內(nèi)，風扇的效率較高，這意味著在該安裝角區(qū)間內(nèi)，風扇能夠以較高的效率將輸入的電能轉(zhuǎn)化為氣流的動能和壓力能，實現(xiàn)較好的能量利用效果。當安裝角小于20°時，由于葉片對氣流的作用力不足，能量轉(zhuǎn)化效率較低；當安裝角大于25°時，氣流的分離和能量損失增加，導致效率下降。通過對比不同安裝角下風扇的性能差異，明確了在本研究的風扇模型中，25°左右的安裝角能夠使風扇獲得較好的綜合性能。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的工作要求和工況條件，在該最佳安裝角附近進行微調(diào)，以滿足不同的散熱需求。在對散熱要求較高的電子設(shè)備中，可以適當增大安裝角，提高風扇的壓力升和風量，增強散熱效果；而在對噪聲和能耗要求較高的場合，可以選擇稍小的安裝角，以提高風扇的效率，降低能耗和噪聲。3.3內(nèi)部流場速度分析3.3.1葉片上的速度分布通過數(shù)值模擬，得到了不同安裝角下小型換熱風扇葉片表面的速度分布云圖，清晰地展示了速度分布的變化規(guī)律。在安裝角為15°時，葉片表面的速度分布相對較為均勻，從葉根到葉尖，速度逐漸增大。在葉根區(qū)域，由于受到輪轂的影響，氣流速度相對較低；隨著向葉尖方向移動，氣流受到葉片的加速作用，速度逐漸增加。在葉片的壓力面和吸力面，速度分布也存在一定差異，壓力面的速度略低于吸力面，這是由于壓力面的壓力較高，對氣流的加速作用相對較弱。當安裝角增大到25°時，葉片表面的速度分布發(fā)生了明顯變化。在葉片的前緣，由于氣流的沖擊作用增強，速度明顯增大，形成了一個高速區(qū)域。在葉片的吸力面，速度分布更加不均勻，靠近葉尖的部分速度增加較為顯著，而靠近葉根的部分速度增加相對較小。這是因為隨著安裝角的增大，葉片對氣流的作用力發(fā)生了改變，使得氣流在葉片表面的流動狀態(tài)更加復雜。繼續(xù)增大安裝角至35°，葉片表面的速度分布進一步惡化。在葉片的吸力面，出現(xiàn)了明顯的速度虧損區(qū)域，這是由于氣流分離導致的。氣流在葉片表面的分離使得部分氣流脫離葉片表面，形成了一個低速的分離區(qū)，導致葉片表面的速度分布不均勻。在葉尖區(qū)域，由于泄漏流的影響，速度分布也變得更加復雜，泄漏流與主流之間的相互作用導致了速度的波動和變化。葉片上的速度分布與壓力分布密切相關(guān)。根據(jù)伯努利方程，在理想流體中，速度與壓力之間存在著反比關(guān)系，即速度越大，壓力越??；速度越小，壓力越大。在小型換熱風扇中，雖然實際流體存在粘性等因素，但這種速度與壓力的反比關(guān)系仍然存在。在葉片的壓力面，由于速度相對較低，壓力較高；而在吸力面，速度相對較高，壓力較低。這種壓力差正是風扇產(chǎn)生壓力升高的原因。當安裝角變化時，葉片表面的速度分布發(fā)生改變，進而導致壓力分布也發(fā)生變化。在安裝角增大時，葉片吸力面的速度增加，壓力降低，壓力差增大，風扇的壓力升高能力增強；但當安裝角過大導致氣流分離時，吸力面的壓力分布變得不穩(wěn)定，壓力差反而減小，風扇的壓力升高能力下降。3.3.2回轉(zhuǎn)面(51流面)的速度分布回轉(zhuǎn)面（51流面）是研究小型換熱風扇內(nèi)部流場的重要截面，通過對回轉(zhuǎn)面上速度分布的分析，可以深入了解風扇內(nèi)部的流動特性。在不同安裝角下，回轉(zhuǎn)面上的速度分布呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律。當安裝角為15°時，回轉(zhuǎn)面上的速度分布較為均勻，從葉根到葉尖，速度逐漸增大。在葉根區(qū)域，速度相對較低，隨著向葉尖方向移動，速度逐漸增加。這是因為在葉根區(qū)域，氣流受到輪轂的限制，流動空間較小，速度難以提高；而在葉尖區(qū)域，氣流受到葉片的離心力作用較大，速度得到進一步提升。在回轉(zhuǎn)面上，還可以觀察到速度在圓周方向上的分布較為均勻，這表明氣流在圓周方向上的流動較為穩(wěn)定，沒有明顯的周向速度變化。隨著安裝角增大到25°，回轉(zhuǎn)面上的速度分布發(fā)生了顯著變化。在葉片的前緣，速度明顯增大，形成了一個高速區(qū)域。這是由于安裝角增大，氣流與葉片的沖擊作用增強，使得氣流在葉片前緣得到了更大的加速。在葉尖區(qū)域，速度也有所增加，但增速相對較慢。此時，回轉(zhuǎn)面上的速度在圓周方向上的分布仍然較為均勻，但在葉片附近，由于氣流與葉片的相互作用，速度分布出現(xiàn)了一定的波動。當安裝角增大到35°時，回轉(zhuǎn)面上的速度分布出現(xiàn)了異常。在葉片的吸力面，靠近葉尖的部分出現(xiàn)了速度虧損區(qū)域，這是由于氣流分離導致的。氣流分離使得部分氣流脫離葉片表面，形成了一個低速的分離區(qū)，導致回轉(zhuǎn)面上的速度分布不均勻。在葉尖區(qū)域，由于泄漏流的影響，速度分布變得更加復雜，泄漏流與主流之間的相互作用導致了速度的波動和變化。在回轉(zhuǎn)面上，還可以觀察到速度在圓周方向上的分布也出現(xiàn)了不均勻的情況，這表明氣流在圓周方向上的流動不再穩(wěn)定，存在一定的周向速度變化。安裝角對回轉(zhuǎn)面速度場的影響較為顯著。隨著安裝角的增大，回轉(zhuǎn)面上的速度分布逐漸變得不均勻，氣流分離和泄漏流等現(xiàn)象逐漸加劇。這些變化對風扇的性能產(chǎn)生了重要影響。氣流分離會導致能量損失增加，降低風扇的效率；泄漏流會使風扇的壓力升高能力下降，影響風扇的整體性能。因此，在設(shè)計小型換熱風扇時，需要合理選擇安裝角，以優(yōu)化回轉(zhuǎn)面的速度分布，提高風扇的性能。3.3.3不同葉高位置回轉(zhuǎn)面的速度變化對比不同葉高位置回轉(zhuǎn)面的速度變化，能夠更全面地了解安裝角對葉高方向速度分布的影響，以及這種影響對風扇整體性能的作用。在小型換熱風扇中，選取葉根、葉中和葉尖三個典型的葉高位置進行分析。當安裝角為15°時，在葉根位置的回轉(zhuǎn)面上，速度相對較低，且分布較為均勻。由于葉根靠近輪轂，氣流受到輪轂的限制，流動空間較小，速度提升有限。在葉中位置，速度明顯高于葉根位置，且從葉片的壓力面到吸力面，速度逐漸增大。這是因為在葉中位置，氣流受到葉片的加速作用更加明顯，同時葉片的形狀和運動也使得氣流在壓力面和吸力面之間產(chǎn)生了速度差。在葉尖位置，速度進一步增大，且速度分布的不均勻性也有所增加。這是由于葉尖處的離心力較大，氣流受到的加速作用更強，同時葉尖間隙的存在也會對氣流產(chǎn)生一定的影響。隨著安裝角增大到25°，不同葉高位置回轉(zhuǎn)面的速度變化更加明顯。在葉根位置，速度略有增加，但增加幅度較小。在葉中位置，速度顯著增加，且在葉片的前緣，由于氣流的沖擊作用增強，形成了一個高速區(qū)域。在葉尖位置，速度繼續(xù)增大，且由于安裝角的增大，葉片對氣流的作用力發(fā)生改變，使得葉尖區(qū)域的速度分布更加不均勻。此時，在葉尖位置的回轉(zhuǎn)面上，可以觀察到速度在圓周方向上的分布也出現(xiàn)了一定的波動，這是由于泄漏流和二次流等因素的影響。當安裝角增大到35°時，不同葉高位置回轉(zhuǎn)面的速度分布出現(xiàn)了異常情況。在葉根位置，速度變化相對較小，但由于氣流分離的影響，速度分布的均勻性有所下降。在葉中位置，氣流分離現(xiàn)象更加明顯，在葉片的吸力面出現(xiàn)了速度虧損區(qū)域，導致速度分布不均勻。在葉尖位置，由于泄漏流和氣流分離的共同作用，速度分布變得非常復雜，速度虧損區(qū)域進一步擴大，且在圓周方向上的速度波動也更加劇烈。安裝角對葉高方向速度分布的影響對風扇的整體性能有著重要作用。合理的安裝角可以使葉高方向的速度分布更加均勻，提高風扇的效率和壓力升高能力。當安裝角過大時，會導致葉高方向速度分布不均勻，氣流分離和泄漏流等現(xiàn)象加劇，從而增加能量損失，降低風扇的性能。在設(shè)計小型換熱風扇時，需要綜合考慮安裝角對不同葉高位置回轉(zhuǎn)面速度分布的影響，通過優(yōu)化安裝角，使風扇在葉高方向上的速度分布更加合理，以實現(xiàn)風扇整體性能的提升。3.4本章小結(jié)本章深入研究了安裝角對小型換熱風扇性能及內(nèi)部流場的影響。從理論層面分析了安裝角對葉輪機械內(nèi)部氣流的影響原理，明確了安裝角的改變會影響氣流進入葉輪的入射角、相對速度以及葉片表面的壓力分布，進而對風扇的性能產(chǎn)生顯著影響。通過建立不同安裝角的風扇模型并進行靜特性分析，發(fā)現(xiàn)隨著安裝角的增大，風扇的壓力升和效率呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在本研究的風扇模型中，安裝角為25°左右時，風扇能夠獲得較好的綜合性能，此時壓力升達到最大值，效率也處于較高水平。對內(nèi)部流場速度的分析表明，安裝角的變化對葉片上、回轉(zhuǎn)面以及不同葉高位置回轉(zhuǎn)面的速度分布均有顯著影響。隨著安裝角的增大，葉片表面的速度分布逐漸變得不均勻，在葉片的前緣和吸力面，速度變化較為明顯，且當安裝角過大時，會出現(xiàn)氣流分離現(xiàn)象，導致速度虧損區(qū)域的出現(xiàn)?；剞D(zhuǎn)面上的速度分布也隨著安裝角的增大而發(fā)生改變，在葉片的前緣和葉尖區(qū)域，速度變化較為顯著，同時，安裝角的增大還會導致回轉(zhuǎn)面上速度在圓周方向上的分布不均勻。不同葉高位置回轉(zhuǎn)面的速度變化也與安裝角密切相關(guān)，葉根、葉中和葉尖位置的速度分布在不同安裝角下呈現(xiàn)出不同的規(guī)律，安裝角過大時，葉高方向速度分布不均勻，氣流分離和泄漏流等現(xiàn)象加劇。在實際應(yīng)用中，選擇合適的安裝角對于小型換熱風扇的性能至關(guān)重要。合適的安裝角可以使風扇在滿足散熱需求的前提下，實現(xiàn)較高的效率和壓力升高能力，降低能耗和噪聲。若安裝角選擇不當，可能會導致風扇性能下降，無法滿足實際工作要求，甚至會影響設(shè)備的正常運行。因此，在設(shè)計和使用小型換熱風扇時，應(yīng)充分考慮安裝角對風扇性能及內(nèi)部流場的影響，根據(jù)具體的工作條件和要求，合理選擇安裝角，以優(yōu)化風扇的性能，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。四、葉頂間隙對風扇性能及內(nèi)部流場的影響4.1葉頂間隙對風扇靜特性影響為深入探究葉頂間隙對小型換熱風扇性能的影響規(guī)律，建立了一系列不同葉頂間隙的風扇模型。葉頂間隙分別設(shè)置為0.5mm、1.0mm、1.5mm、2.0mm和2.5mm，涵蓋了實際應(yīng)用中常見的間隙范圍，能夠全面反映葉頂間隙對風扇性能的影響。運用前文所確定的數(shù)值模擬方法，對各風扇模型進行靜特性分析。模擬過程嚴格依據(jù)實際工作條件設(shè)定邊界條件，確保模擬結(jié)果真實可靠。通過數(shù)值計算，獲取了不同葉頂間隙下風扇的壓力升、效率等性能參數(shù)。隨著葉頂間隙的增大，風扇的壓力升和效率呈現(xiàn)出明顯的下降趨勢。當葉頂間隙從0.5mm增大到2.5mm時，風扇的壓力升顯著降低。這是因為葉頂間隙的增大導致泄漏流加劇，部分高壓氣體從葉頂間隙泄漏到低壓區(qū)，使得風扇內(nèi)部的有效流量減少，從而降低了風扇的壓力升高能力。在葉頂間隙為0.5mm時，風扇的壓力升為[X1]Pa；而當葉頂間隙增大到2.5mm時，壓力升降至[X2]Pa，下降幅度達到[X3]%。風扇的效率也隨葉頂間隙的增大而下降。葉頂間隙較小時，泄漏流相對較弱，風扇的能量損失較小，效率較高；隨著葉頂間隙的增大，泄漏流增強，能量損失增加，風扇的效率逐漸降低。在葉頂間隙為0.5mm時，風扇的效率為[Y1]%；當葉頂間隙增大到2.5mm時，效率降至[Y2]%，下降了[Y3]個百分點。對比不同葉頂間隙下風扇的性能差異，可知葉頂間隙對風扇性能的影響十分顯著。較小的葉頂間隙能夠有效減少泄漏流，提高風扇的壓力升和效率；而較大的葉頂間隙會導致泄漏流增加，降低風扇的性能。在實際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)風扇的具體工作要求和制造工藝，合理控制葉頂間隙的大小，以實現(xiàn)風扇性能的優(yōu)化。在對壓力升要求較高的場合，應(yīng)盡量減小葉頂間隙，以提高風扇的壓力升高能力；而在對效率要求較高的情況下，也需要嚴格控制葉頂間隙，以減少能量損失，提高風扇的效率。4.2葉頂間隙對葉頂流動的影響4.2.1同S面下葉頂間隙對泄露渦流的影響在相同的流面上，葉頂間隙的大小對泄露渦流的產(chǎn)生、發(fā)展和變化規(guī)律有著顯著的影響。隨著葉頂間隙的增大，泄露渦流的強度和范圍呈現(xiàn)出明顯的增大趨勢。當葉頂間隙較小時，在葉片頂部，由于壓力面與吸力面之間存在壓力差，少量高壓氣體從葉頂間隙泄漏到低壓區(qū)，形成較弱的泄漏流。泄漏流在離開吸力面后，與主流相互作用，開始形成泄露渦流，但此時泄露渦流的強度較低，影響范圍也較小，對風扇內(nèi)部流場的整體影響相對較小。隨著葉頂間隙逐漸增大，泄漏流的流量和速度顯著增加。更多的高壓氣體通過葉頂間隙泄漏，使得泄漏流與主流之間的相互作用更加劇烈，從而導致泄露渦流的強度迅速增大。泄露渦流的影響范圍也隨之擴大，不僅在葉頂附近區(qū)域產(chǎn)生較大的影響，還會對葉片下游的流場產(chǎn)生干擾，使得流場的不均勻性增加。泄露渦流的變化對風扇性能產(chǎn)生了重要的負面影響。泄露渦流的存在使得風扇內(nèi)部的流動損失增加，部分能量被泄露渦流消耗，導致風扇的壓力升高能力和效率下降。泄露渦流還會引起氣流的不穩(wěn)定，增加風扇運行時的噪聲和振動。在葉頂間隙較大時，由于泄露渦流的強度和范圍較大，風扇的壓力升明顯降低，效率也大幅下降，同時噪聲和振動水平顯著增加，影響了風扇的正常運行和使用壽命。因此，在小型換熱風扇的設(shè)計中，合理控制葉頂間隙的大小，減小泄露渦流的影響，對于提高風扇的性能和可靠性具有重要意義?？梢酝ㄟ^優(yōu)化葉頂間隙的結(jié)構(gòu)，采用密封措施或特殊的葉頂形狀，來減少泄漏流的產(chǎn)生，降低泄露渦流的強度，從而提高風扇的性能。采用葉頂密封環(huán)或鋸齒狀葉頂結(jié)構(gòu)，可以有效地減小泄漏流，降低泄露渦流的影響，提高風扇的壓力升和效率。4.2.2不同葉頂間隙下內(nèi)部渦流的變化除了葉頂泄露渦流外，小型換熱風扇內(nèi)部還存在其他類型的渦流，如通道渦、尾跡渦等，葉頂間隙的變化會對這些內(nèi)部渦流產(chǎn)生顯著的影響，進而導致風扇性能下降。當葉頂間隙較小時，通道渦和尾跡渦的強度相對較弱，它們在風扇內(nèi)部的影響范圍也較小。通道渦主要產(chǎn)生于葉片通道內(nèi)，是由于葉片表面的壓力差和氣流的粘性作用而形成的。尾跡渦則是在葉片尾緣處，由于氣流的分離和剪切作用而產(chǎn)生的。在較小的葉頂間隙下，這些渦流的發(fā)展受到一定的限制，它們與主流之間的相互作用相對較弱，對風扇性能的影響也較小。隨著葉頂間隙的增大，通道渦和尾跡渦的強度逐漸增強。葉頂間隙的增大使得泄漏流增加，泄漏流與主流之間的相互作用加劇，導致通道內(nèi)的氣流更加紊亂，從而增強了通道渦的強度。泄漏流還會影響葉片尾緣處的氣流分離和剪切作用，使得尾跡渦的強度增大。通道渦和尾跡渦強度的增強，會導致風扇內(nèi)部的流動損失增加，能量損失加劇。這些渦流會擾亂主流的流動，使得氣流的速度和壓力分布更加不均勻，從而降低了風扇的壓力升高能力和效率。在葉頂間隙較大時，通道渦和尾跡渦的強度較大，它們會在風扇內(nèi)部形成較大范圍的低速區(qū)和紊流區(qū)，導致風扇的壓力升明顯下降，效率大幅降低，同時噪聲和振動水平也會顯著增加。內(nèi)部渦流的變化與風扇性能下降之間存在著密切的關(guān)系。隨著葉頂間隙的增大，內(nèi)部渦流的強度和范圍不斷增加，風扇內(nèi)部的流動損失也隨之增加，這直接導致了風扇壓力升高能力和效率的下降。內(nèi)部渦流的增強還會引起氣流的不穩(wěn)定，增加風扇運行時的噪聲和振動，進一步影響風扇的性能和可靠性。在設(shè)計小型換熱風扇時，需要充分考慮葉頂間隙對內(nèi)部渦流的影響，通過優(yōu)化葉頂間隙的大小和結(jié)構(gòu)，來控制內(nèi)部渦流的發(fā)展，減少流動損失，提高風扇的性能?？梢酝ㄟ^減小葉頂間隙、優(yōu)化葉片形狀和表面粗糙度等措施，來降低內(nèi)部渦流的強度，提高風扇的效率和壓力升高能力。采用光滑的葉片表面和合理的葉片形狀，可以減少氣流的分離和紊流，降低通道渦和尾跡渦的強度，從而提高風扇的性能。4.3本章小結(jié)本章聚焦葉頂間隙對小型換熱風扇性能及內(nèi)部流場的影響展開深入研究。通過構(gòu)建不同葉頂間隙的風扇模型并進行靜特性分析，明確了葉頂間隙對風扇性能有著顯著影響。隨著葉頂間隙的增大，風扇的壓力升和效率呈現(xiàn)明顯的下降趨勢。當葉頂間隙從0.5mm增大到2.5mm時，風扇的壓力升顯著降低，效率也大幅下降。這表明葉頂間隙的增大導致泄漏流加劇，有效流量減少，能量損失增加，從而降低了風扇的壓力升高能力和效率。在葉頂流動方面，葉頂間隙對泄露渦流和內(nèi)部渦流的影響十分明顯。在相同S面下，隨著葉頂間隙的增大，泄露渦流的強度和范圍顯著增大，對風扇性能產(chǎn)生了重要的負面影響，使得風扇內(nèi)部的流動損失增加，壓力升高能力和效率下降，同時還會引起氣流的不穩(wěn)定，增加噪聲和振動。葉頂間隙的變化還會導致通道渦、尾跡渦等內(nèi)部渦流的強度和范圍發(fā)生改變，進而導致風扇性能下降。隨著葉頂間隙的增大，內(nèi)部渦流的增強會擾亂主流的流動，使得氣流的速度和壓力分布更加不均勻，流動損失增加，能量損失加劇。為減小葉頂間隙的不利影響，在設(shè)計小型換熱風扇時，應(yīng)合理控制葉頂間隙的大小，盡量減小葉頂間隙以減少泄漏流的產(chǎn)生。采用葉頂密封環(huán)、鋸齒狀葉頂結(jié)構(gòu)或在葉片頂部設(shè)置特殊的凹槽等措施，可以有效減小泄漏流，降低泄露渦流和內(nèi)部渦流的強度，從而提高風扇的性能。還可以通過優(yōu)化葉片的形狀和表面粗糙度，改善氣流在葉片表面的流動狀態(tài)，減少氣流分離和紊流的產(chǎn)生，進一步降低流動損失，提高風扇的效率和壓力升高能力。在實際應(yīng)用中，還需綜合考慮風扇的制造工藝、運行成本和可靠性等因素，選擇合適的葉頂間隙控制方法，以實現(xiàn)風扇性能的最優(yōu)化。五、葉片數(shù)對風扇性能及內(nèi)部流場影響5.1不同葉片數(shù)時靜特性分析為深入探究葉片數(shù)對小型換熱風扇性能的影響，建立了葉片數(shù)分別為3、5、7、9、11的風扇模型。這些不同葉片數(shù)的模型涵蓋了常見的風扇葉片數(shù)量范圍，能夠全面地反映葉片數(shù)對風扇性能的影響。運用前文確定的數(shù)值模擬方法，對各風扇模型進行靜特性分析。模擬過程嚴格按照實際工作條件設(shè)置邊界條件，確保模擬結(jié)果真實可靠。通過數(shù)值計算，得到了不同葉片數(shù)下風扇的壓力升、效率等性能參數(shù)。從模擬結(jié)果來看，不同葉片數(shù)下風扇的壓力升和效率呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。隨著葉片數(shù)的增加，風扇的壓力升呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。當葉片數(shù)從3增加到7時，壓力升逐漸增大，這是因為更多的葉片能夠?qū)饬魇┘痈蟮淖饔昧?，使氣流獲得更多的能量，從而提高了風扇的壓力升高能力。在葉片數(shù)為7時，壓力升達到最大值。繼續(xù)增加葉片數(shù)，當葉片數(shù)從7增加到11時，壓力升開始逐漸減小。這是由于葉片數(shù)量過多會導致葉片之間的相互干擾增強，氣流在葉片之間的流動變得更加復雜，流動損失增加，從而降低了風扇的壓力升高能力。風扇的效率也隨著葉片數(shù)的變化而變化。在葉片數(shù)較少時，如葉片數(shù)為3和5時，風扇的效率相對較低。隨著葉片數(shù)的增加，效率逐漸提高，在葉片數(shù)為7時，效率達到較高水平。當葉片數(shù)繼續(xù)增加時，效率開始下降。這是因為葉片數(shù)的增加雖然能夠增加氣流與葉片的接觸面積，提高能量轉(zhuǎn)換效率，但同時也會增加流動損失和電機的負載。當葉片數(shù)過多時，流動損失和電機負載的增加超過了能量轉(zhuǎn)換效率的提升，導致風扇的效率下降。通過對比不同葉片數(shù)下風扇的性能差異，明確了在本研究的風扇模型中，7片葉片能夠使風扇獲得較好的綜合性能。在實際應(yīng)用中，可以根據(jù)具體的工作要求和工況條件，在7片葉片的基礎(chǔ)上進行適當調(diào)整。在對壓力升要求較高的場合，可以適當增加葉片數(shù)，但要注意控制葉片數(shù)的增加幅度，以避免流動損失過大導致效率下降；在對效率要求較高的情況下，可以選擇葉片數(shù)相對較少的風扇，以降低流動損失和電機負載，提高風扇的效率。5.2內(nèi)部流場速度及壓力分析5.2.1子午面上的速度分布通過數(shù)值模擬，獲得了不同葉片數(shù)下小型換熱風扇子午面上的速度分布云圖，對這些云圖進行分析，可以揭示速度分布與葉片數(shù)之間的關(guān)系及其對風扇性能的影響。當葉片數(shù)為3時，子午面上的速度分布相對較為均勻，從葉根到葉尖，速度逐漸增大。在葉根區(qū)域，由于受到輪轂的限制，氣流速度相對較低；隨著向葉尖方向移動，氣流受到葉片的離心力作用逐漸增大，速度逐漸提高。在葉片之間的通道內(nèi)，速度分布也較為均勻，沒有明顯的速度突變區(qū)域。隨著葉片數(shù)增加到7，子午面上的速度分布發(fā)生了明顯變化。在葉片的前緣和后緣，速度梯度增大，出現(xiàn)了高速區(qū)域和低速區(qū)域。在葉片前緣，氣流受到葉片的沖擊作用，速度迅速增大；在葉片后緣，由于氣流的分離和尾跡的影響，速度相對較低。在葉尖區(qū)域，由于離心力的作用，速度進一步增大，且速度分布的不均勻性也有所增加。當葉片數(shù)繼續(xù)增加到11時，子午面上的速度分布變得更加復雜。在葉片之間的通道內(nèi)，出現(xiàn)了明顯的氣流擾動和速度波動。這是因為葉片數(shù)量過多，葉片之間的相互干擾增強，導致氣流在通道內(nèi)的流動變得不穩(wěn)定。在葉尖區(qū)域，由于泄漏流和二次流的影響，速度分布更加不均勻，出現(xiàn)了多個速度虧損區(qū)域和高速區(qū)域。速度分布與葉片數(shù)密切相關(guān)。隨著葉片數(shù)的增加，葉片之間的相互干擾增強，氣流在通道內(nèi)的流動變得更加復雜，速度分布的不均勻性也隨之增加。這種不均勻的速度分布會導致流動損失增加，從而影響風扇的性能。速度分布不均勻會使氣流在葉片表面的壓力分布不均勻，增加了氣流與葉片之間的摩擦損失和分離損失；速度波動還會導致氣流的能量損失增加，降低了風扇的效率。因此，在設(shè)計小型換熱風扇時，需要合理選擇葉片數(shù)，以優(yōu)化子午面上的速度分布，減少流動損失，提高風扇的性能。5.2.2壓力面和吸力面壓力分布深入研究葉片壓力面和吸力面的壓力分布情況，對于理解風扇的工作原理和性能特性具有重要意義。通過數(shù)值模擬，獲取了不同葉片數(shù)下葉片壓力面和吸力面的壓力分布云圖，對這些云圖進行分析，揭示了葉片數(shù)對壓力分布的影響以及壓力分布與風扇性能之間的聯(lián)系。當葉片數(shù)為3時，葉片壓力面的壓力分布相對較為均勻，從葉根到葉尖，壓力逐漸增大。這是因為在葉根區(qū)域，氣流受到輪轂的限制，速度較低，壓力相對較高；隨著向葉尖方向移動，氣流受到葉片的離心力作用逐漸增大，速度提高，壓力逐漸降低。在葉片的前緣和后緣，壓力分布也較為平穩(wěn)，沒有明顯的壓力突變。葉片吸力面的壓力分布則呈現(xiàn)出相反的趨勢，從葉根到葉尖，壓力逐漸減小。在葉片的前緣，由于氣流的加速作用，壓力迅速降低；在葉片的后緣，由于氣流的分離和尾跡的影響，壓力相對較高。隨著葉片數(shù)增加到7，葉片壓力面和吸力面的壓力分布發(fā)生了顯著變化。在壓力面，葉片前緣和后緣的壓力梯度增大，出現(xiàn)了高壓區(qū)域和低壓區(qū)域。在葉片前緣，氣流受到葉片的沖擊作用，壓力迅速升高；在葉片后緣，由于氣流的分離和尾跡的影響，壓力相對較低。在葉尖區(qū)域，由于離心力的作用，壓力進一步增大。在吸力面，壓力分布更加不均勻，靠近葉尖的部分壓力明顯降低，形成了一個低壓區(qū)域。這是因為隨著葉片數(shù)的增加，葉片對氣流的作用力發(fā)生改變，使得氣流在葉片表面的流動狀態(tài)更加復雜，壓力分布也相應(yīng)地發(fā)生變化。當葉片數(shù)繼續(xù)增加到11時，葉片壓力面和吸力面的壓力分布變得更加復雜。在壓力面，除了前緣和后緣的壓力變化外，葉片之間的通道內(nèi)也出現(xiàn)了明顯的壓力波動。這是由于葉片數(shù)量過多，葉片之間的相互干擾增強，導致氣流在通道內(nèi)的流動變得不穩(wěn)定，壓力分布也隨之波動。在吸力面，低壓區(qū)域進一步擴大，且在葉尖區(qū)域出現(xiàn)了多個壓力虧損區(qū)域。這些壓力虧損區(qū)域的存在會導致氣流分離加劇，增加流動損失，從而降低風扇的性能。葉片數(shù)對壓力分布有著顯著的影響。隨著葉片數(shù)的增加，葉片壓力面和吸力面的壓力分布變得更加不均勻，壓力梯度增大，出現(xiàn)了更多的高壓區(qū)域和低壓區(qū)域。這種不均勻的壓力分布與風扇性能密切相關(guān)。壓力分布不均勻會導致氣流在葉片表面的流動不穩(wěn)定，增加了流動損失和能量消耗，從而降低了風扇的壓力升高能力和效率。在設(shè)計小型換熱風扇時，需要合理控制葉片數(shù)，優(yōu)化葉片的形狀和結(jié)構(gòu)，以改善葉片壓力面和吸力面的壓力分布，提高風扇的性能。5.3本章小結(jié)本章深入探討了葉片數(shù)對小型換熱風扇性能及內(nèi)部流場的影響。通過構(gòu)建不同葉片數(shù)的風扇模型并進行靜特性分析，明確了葉片數(shù)對風扇性能有著顯著的影響。隨著葉片數(shù)的增加，風扇的壓力升呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，在葉片數(shù)為7時，壓力升達到最大值。風扇的效率也隨著葉片數(shù)的變化而變化，在葉片數(shù)為7時，效率達到較高水平。這表明在本研究的風扇模型中，7片葉片能夠使風扇獲得較好的綜合性能，過多或過少的葉片數(shù)都會導致風扇性能下降。在內(nèi)部流場速度及壓力分析方面，葉片數(shù)對子午面上的速度分布、葉片壓力面和吸力面的壓力分布都有著顯著的影響。隨著葉片數(shù)的增加，子午面上的速度分布逐漸變得不均勻，葉片之間的相互干擾增強，氣流在通道內(nèi)的流動變得更加復雜，速度波動增加。葉片壓力面和吸力面的壓力分布也變得更加不均勻，壓力梯度增大，出現(xiàn)了更多的高壓區(qū)域和低壓區(qū)