葉片數(shù)和葉輪外徑對(duì)微型風(fēng)扇性能影響的實(shí)驗(yàn)研究

石夢(mèng)琦, 翁建華

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海 200090)

隨著電子產(chǎn)品的小型化和電子器件集成度的不斷提高,電子器件熱流密度不斷上升,如電力電子器件、微電腦CPU和大功率LED等[1],就對(duì)設(shè)備的散熱技術(shù)提出了更高的要求。目前,采用微型風(fēng)扇加翅片散熱器的強(qiáng)制對(duì)流散熱方案仍是最為經(jīng)濟(jì)有效的方法。相比于大中型風(fēng)機(jī),對(duì)微型風(fēng)扇方面的研究還比較少。文獻(xiàn)[2]確定了微型風(fēng)扇性能的測(cè)試方法,探討了比例定律用于微型風(fēng)扇的偏差問(wèn)題;STAFFORD J等人[3-5]設(shè)計(jì)了幾種微型風(fēng)扇,通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了風(fēng)扇的寬高比和轉(zhuǎn)速等對(duì)微型風(fēng)扇內(nèi)部流動(dòng)的影響。張顧鐘[6]用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)離心風(fēng)機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬分析,通過(guò)對(duì)離心風(fēng)機(jī)葉片出口角、葉片數(shù)及轉(zhuǎn)速的優(yōu)化,改善了葉輪低速區(qū)和蝸舌的回流現(xiàn)象,流動(dòng)損失相對(duì)減少,提高了風(fēng)機(jī)效率。王松嶺等人[7]用FLUENT數(shù)值模擬軟件分別對(duì)葉片加長(zhǎng)前后進(jìn)行了三維定常數(shù)值模擬,結(jié)果表明,葉片加長(zhǎng)后風(fēng)機(jī)全壓迅速提高。這些研究成果為微型風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能改進(jìn)提供了參考。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試微型風(fēng)扇葉片數(shù)和葉輪外徑發(fā)生變化時(shí)風(fēng)扇的流量-壓力性能曲線,分析了風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)變化對(duì)其性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試方法

實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。實(shí)驗(yàn)時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)錐形節(jié)流門的開度來(lái)控制微型風(fēng)扇的流量,并通過(guò)L型畢托管測(cè)量管內(nèi)流速。為了使錐形節(jié)流門與風(fēng)管中心保持在同一直線上,設(shè)計(jì)了同心桁架裝置。測(cè)試時(shí),通過(guò)微壓表測(cè)量風(fēng)扇出口靜壓,畢托管與差壓儀測(cè)量動(dòng)壓。管道截面上動(dòng)壓的測(cè)量采用等面積圓環(huán)法布點(diǎn)[8]。流量由畢托管測(cè)得的管內(nèi)距風(fēng)管入口250 mm處截面各點(diǎn)的動(dòng)壓計(jì)算得到[1]。實(shí)驗(yàn)用的畢托管為KIMO-TPL型,直徑為3 mm,測(cè)量精度為1%。選用TESTO-465光電式轉(zhuǎn)速儀測(cè)量轉(zhuǎn)速,量程為1～99 999 r/min,精度為±1.2 r/min。微型壓差計(jì)的型號(hào)為TESTO-510,量程為0～30 Pa,精度為±0.3 Pa。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)示意

針對(duì)葉輪外徑和葉片數(shù)目?jī)蓚€(gè)參數(shù)的變化,設(shè)計(jì)制作了3種結(jié)構(gòu)風(fēng)扇,參數(shù)如表1所示。其中,風(fēng)扇A和風(fēng)扇B的葉輪外徑不同,風(fēng)扇A和風(fēng)扇C的葉片數(shù)不同,風(fēng)扇D是某廠家的一款微型風(fēng)扇。葉片形狀為直板型。

表1 4種微型風(fēng)扇的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 葉片數(shù)的影響

在6 000 r/min的轉(zhuǎn)速下,不同葉片數(shù)的微型風(fēng)扇A和風(fēng)扇C的流量-壓力(qv-p)性能曲線和無(wú)因次性能曲線如圖2所示。

圖2 轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)風(fēng)扇A和風(fēng)扇C的流量-壓力性能曲線和無(wú)因次性能曲線

(1)

式中:qv——流量,m3/s;

A2——葉輪側(cè)面面積,m2;

u2——葉輪出口圓周速度,m/s。

u2和A2的計(jì)算分別為

(2)

(3)

式中:n——葉輪轉(zhuǎn)速,r/min;

D2——葉輪外徑,m。

(4)

式中:p——壓力,Pa;

ρ——空氣密度,kg/m3。

2.2 葉輪外徑的影響

在6 000 r/min轉(zhuǎn)速下,不同葉輪外徑微型風(fēng)扇A和風(fēng)扇B的流量-壓力性能曲線和無(wú)因次性能曲線如圖3所示。由圖3可以看出,在轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí),葉輪外徑越大的風(fēng)扇,在相同流量下壓力更大。

圖3 轉(zhuǎn)速為6 000 r/min時(shí)風(fēng)扇A和風(fēng)扇B的流量-壓力性能曲線和無(wú)因次性能曲線

2.3 不同轉(zhuǎn)速下風(fēng)扇的性能

圖4是風(fēng)扇D在不同轉(zhuǎn)速時(shí)的流量-壓力性能曲線和無(wú)因次性能曲線。由圖4可以看出,當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時(shí),風(fēng)扇的風(fēng)量明顯增大;無(wú)因次性能曲線與流量-壓力性能曲線的變化基本相同。

圖4 不同轉(zhuǎn)速時(shí)風(fēng)扇D的流量-壓力曲線和無(wú)因次性能曲線

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)不同葉片數(shù)目和不同葉輪外徑的微型風(fēng)扇進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,分別得到其流量-壓力性能曲線。性能測(cè)試的結(jié)果表明:在相同轉(zhuǎn)速下,葉片數(shù)目多的風(fēng)扇性能更好;對(duì)于不同葉輪外徑的風(fēng)扇,葉輪外徑大的風(fēng)扇的風(fēng)量更大。同時(shí),計(jì)算并繪制了相應(yīng)工況下微型風(fēng)扇的無(wú)因次性能曲線,其變化規(guī)律與流量-壓力性能曲線基本相同。最后,測(cè)試了同一款風(fēng)扇在不同轉(zhuǎn)速下的性能曲線,發(fā)現(xiàn)提高轉(zhuǎn)速能明顯增加微型風(fēng)扇的風(fēng)量。這些研究可對(duì)微型散熱風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一定的參考。