基于CFD 技術(shù)的桌面小風(fēng)扇創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李天贈(zèng)，陳家靜，黃紅梅

佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 工業(yè)設(shè)計(jì)與陶瓷藝術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528000

提升用戶體驗(yàn)，引導(dǎo)健康、舒適、可持續(xù)發(fā)展的生活理念是現(xiàn)代家電設(shè)計(jì)的主要方向。以風(fēng)扇為例，靜音、低能耗、無線蓄電以及智能控制等功能是其主要的設(shè)計(jì)要點(diǎn)[1]。小型風(fēng)扇以其輕巧、便攜的特點(diǎn)受到廣大消費(fèi)者的歡迎，擁有廣闊的市場需求。

目前針對(duì)小風(fēng)扇的研究主要集中于扇葉的降噪機(jī)理分析[2-5]。而舒適度作為除靜音性能外衡量風(fēng)扇性能的重要指標(biāo)之一，如何提升風(fēng)扇的舒適性能也是風(fēng)扇優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。例如，在家用電扇的研究中，BALMUDA 提出一種基于雙層扇葉結(jié)構(gòu)的舒適性風(fēng)扇解決方案（代表產(chǎn)品為The GreenFan），其通過內(nèi)側(cè)慢速風(fēng)牽引外側(cè)快速風(fēng)匯聚，之后相互撞擊消除渦旋實(shí)現(xiàn)模擬舒適自然風(fēng)的目的。盡管如此，大多數(shù)關(guān)于風(fēng)扇舒適性的研究對(duì)象主要為常規(guī)家用型電風(fēng)扇，設(shè)計(jì)領(lǐng)域關(guān)于小型風(fēng)扇舒適性的研究目前還相對(duì)缺乏。本研究將CFD 技術(shù)應(yīng)用于小風(fēng)扇的設(shè)計(jì)流程，在現(xiàn)有小風(fēng)扇產(chǎn)品的數(shù)值分析基礎(chǔ)上，提出同時(shí)具備短期快速降溫和長期舒緩制冷功能的舒適型桌面小型風(fēng)扇產(chǎn)品設(shè)計(jì)解決方案。

1 CFD 技術(shù)

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)是基于流體運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒等基本方程，以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，利用數(shù)值離散方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)流態(tài)問題數(shù)值求解并可輸出豐富流場信息的一門新興技術(shù)，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的重要分支。CFD 技術(shù)具有計(jì)算效率高、成本低、計(jì)算結(jié)果可視化等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、海洋工程、體育科學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，是解決工程與科學(xué)核心問題的有效手段[6-7]。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，CFD 技術(shù)可為廚衛(wèi)用具[8-9]、家電產(chǎn)品[10]等各類涉及流場問題的產(chǎn)品開發(fā)提供技術(shù)支持，可有效增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的科學(xué)合理性，提高設(shè)計(jì)效率及降低研發(fā)成本。

2 基于CFD 技術(shù)的小風(fēng)扇設(shè)計(jì)解決方案步驟

產(chǎn)品開發(fā)的設(shè)計(jì)階段決定了83%以上的產(chǎn)品成本，而這一階段本身所占的費(fèi)用僅為產(chǎn)品總成本的7% 以下[11]，提高設(shè)計(jì)階段的成功率對(duì)于改善整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)效能有重要的積極影響。CFD 技術(shù)可便捷地對(duì)涉及流體問題的產(chǎn)品性能進(jìn)行預(yù)評(píng)估，可有效提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的科學(xué)性，確保方案輸出的合理性。

人體感受到舒適的氣溫為17～24 ℃，當(dāng)周圍的環(huán)境溫度超過舒適溫度的上限時(shí)，人們就有熱的感覺。但值得注意的是，作為最為常見的降溫消暑家電，電風(fēng)扇工作時(shí)并不能直接使周圍空氣溫度降低，而是通過驅(qū)動(dòng)空氣流動(dòng)加快使人體皮膚汗液蒸發(fā)吸收熱量，降低人體溫度，使人有清涼的感覺。因此，當(dāng)人體劇烈運(yùn)動(dòng)后或氣溫炎熱出汗較多時(shí)，風(fēng)扇給人帶來的舒適度指標(biāo)反映在可起到加速汗液蒸發(fā)大量吸熱的大風(fēng)量、高風(fēng)壓指標(biāo)方面；而當(dāng)使用者處于較長時(shí)間平靜納涼時(shí)，皮膚表面的汗液并沒那么充沛，風(fēng)扇給人帶來的舒適度指標(biāo)反映在可滿足當(dāng)前汗液蒸發(fā)要求的低風(fēng)壓、接近自然風(fēng)等指標(biāo)。因此，合理控制風(fēng)扇的風(fēng)量、風(fēng)壓、風(fēng)類等指標(biāo)對(duì)于實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇舒適性優(yōu)化至關(guān)重要，而開展針對(duì)舒適性指標(biāo)的流場機(jī)理分析是風(fēng)扇性能優(yōu)化研究的關(guān)鍵。CFD 技術(shù)的計(jì)算結(jié)果可視化特點(diǎn)可為分析流場運(yùn)動(dòng)機(jī)理提供極大的便利，為小風(fēng)扇舒適性能設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的技術(shù)支持?；贑FD 技術(shù)的小風(fēng)扇設(shè)計(jì)解決方案步驟為：

1）前期準(zhǔn)備：確定合理的研究對(duì)象，提取研究對(duì)象的簡化模型；

2）現(xiàn)有產(chǎn)品分析：建立數(shù)值計(jì)算模型，分析與歸納現(xiàn)有產(chǎn)品性能特點(diǎn)，找出可能的設(shè)計(jì)突破點(diǎn)；

3）機(jī)理分析：針對(duì)可能的設(shè)計(jì)點(diǎn)，深入機(jī)理分析，尋找規(guī)律；

4）解決方案：合理利用設(shè)計(jì)對(duì)象的機(jī)理特點(diǎn)，提出最終解決方案。

3 設(shè)計(jì)研究過程

3.1 前期準(zhǔn)備

3.1.1 明確研究對(duì)象

桌面小風(fēng)扇是一種利用電機(jī)驅(qū)動(dòng)扇葉旋轉(zhuǎn)切割氣流引起空氣加速流通的小型日用電器，因其體型小巧、充電方便、攜帶方便、價(jià)格適中等特點(diǎn)，成為眾多消費(fèi)者清涼解暑的必選裝備。

市面上，除靜音特性外，舒適性也是各大風(fēng)扇品牌的主要賣點(diǎn)。影響風(fēng)扇風(fēng)舒適度的部件主要為電機(jī)、扇片、網(wǎng)罩三大部件。其中，扇葉與電機(jī)除作為風(fēng)扇的核心部件外，也廣泛應(yīng)用于各大電器與機(jī)械等領(lǐng)域，針對(duì)其節(jié)能、靜音、送風(fēng)等關(guān)鍵性能的研究非常多[12-13]，相關(guān)技術(shù)已趨于成熟，可提升空間較小，設(shè)計(jì)提升效能較低。而網(wǎng)罩除起保護(hù)作用外，還起到風(fēng)的導(dǎo)流作用，可實(shí)現(xiàn)控制風(fēng)向、風(fēng)量等作用?；谛⌒惋L(fēng)扇的成本定位及目前針對(duì)網(wǎng)罩的研究較電機(jī)、扇葉研究相對(duì)欠缺，性能提升潛力較大。綜合以上因素，本研究選擇以網(wǎng)罩作為桌面小風(fēng)扇性能提升的研究對(duì)象。

3.1.2 現(xiàn)有產(chǎn)品歸類及簡化模型提取

市面上的小型桌面風(fēng)扇網(wǎng)罩造型各式各樣，直徑一般有13.3、16.7 及20 cm 規(guī)格（對(duì)應(yīng)小、中和大號(hào)桌面小風(fēng)扇），依據(jù)網(wǎng)罩結(jié)構(gòu)類型特點(diǎn)，桌面小風(fēng)扇的網(wǎng)罩主要以平面網(wǎng)罩為主，大致可歸類為6 種。本研究以市面上較為普遍的13.3 cm桌面小風(fēng)扇為參照，將6 款代表性網(wǎng)罩制作為統(tǒng)一接口的測試模型，各款網(wǎng)罩形態(tài)特征及簡化模型如表1、圖1 所示。

表1 桌面小風(fēng)扇網(wǎng)罩類型

圖1 桌面小風(fēng)扇網(wǎng)罩類型

3.2 現(xiàn)有產(chǎn)品分析

本研究以實(shí)物產(chǎn)品為參照，建立小風(fēng)扇數(shù)值求解模型，并采用ANSYS Fluent 流體計(jì)算軟件平臺(tái)進(jìn)行求解與分析。

3.2.1 控制方程

本問題中，空氣被假設(shè)成不可壓縮黏性流體，無熱量傳遞，僅需考慮質(zhì)量與動(dòng)量守恒，即僅需求解連續(xù)方程與Navier-Stokes 方程：

式中：ρ為空氣的密度，kg/m3；i、j為運(yùn)動(dòng)維度；u為速度，m/s；p為壓強(qiáng)，Pa；μ空氣的黏度，Pa·s；S為動(dòng)量源項(xiàng)，N/m3。

此外，選用工程中常用的RNGk-ε湍流模型對(duì)控制方程進(jìn)行封閉求解[8-9]。

3.2.2 數(shù)值實(shí)現(xiàn)

本研究中，由于風(fēng)扇與葉片幾何結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，風(fēng)扇與葉片區(qū)域被單獨(dú)分離出來，形成小圓柱體計(jì)算域，網(wǎng)格類型為非結(jié)構(gòu)化四面體網(wǎng)格。此外，為保證計(jì)算準(zhǔn)確性，對(duì)風(fēng)扇與葉片邊界層區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密處理（最小網(wǎng)格尺寸為0.001 m）。除風(fēng)扇葉片與網(wǎng)罩附近區(qū)域外，剩余區(qū)域均采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，整個(gè)計(jì)算域網(wǎng)格質(zhì)量參數(shù)Skewness 值控制在0.76 以內(nèi)，網(wǎng)格總數(shù)約為210 萬。計(jì)算前處理的網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置如圖2 所示。為處理風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)問題，將旋轉(zhuǎn)核心區(qū)域設(shè)置為滑移網(wǎng)格，選用Interface 邊界條件與周圍流場連接，并通過指定相對(duì)于已移動(dòng)(旋轉(zhuǎn)和平移)的參考系的運(yùn)動(dòng)框架模式控制風(fēng)扇葉片的旋轉(zhuǎn)速度。求解策略采用PISO 速度-壓力耦合方法，動(dòng)量方程采用二階迎風(fēng)離散格式。

圖2 計(jì)算域及邊界條件設(shè)置

3.2.3 數(shù)值方法可靠性驗(yàn)證

為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算方法可靠性，本研究采用3D 打印技術(shù)制作1 號(hào)網(wǎng)罩，并安裝在小號(hào)小風(fēng)扇實(shí)體機(jī)中進(jìn)行試驗(yàn)測試。利用風(fēng)速儀記錄流場特定位置的風(fēng)速，并與對(duì)應(yīng)的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在風(fēng)扇網(wǎng)罩正前方0.3 m 處（監(jiān)測點(diǎn)1），以及同等正前方距離偏離風(fēng)扇中心軸0.15 m 處（監(jiān)測點(diǎn)2），測試風(fēng)速轉(zhuǎn)速為2 100 r/min（低速擋）與2 600 r/min（高速檔）。圖3 顯示，數(shù)值計(jì)算結(jié)果在2 種不同的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速工況下各監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近。由此可見，本研究的數(shù)值計(jì)算方法較為可靠，計(jì)算結(jié)果對(duì)小風(fēng)扇的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)性的作用。

圖3 搭載1 號(hào)網(wǎng)罩風(fēng)扇的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算結(jié)果對(duì)比

3.2.4 計(jì)算結(jié)果分析

圖4 為搭載不同類型網(wǎng)罩風(fēng)扇的流場數(shù)值計(jì)算圖，可以看出，6 款搭載不同類型網(wǎng)罩的風(fēng)扇，均具有不同的風(fēng)場分布特征。其中搭載第1～4 款及第6 款網(wǎng)罩風(fēng)扇的風(fēng)場均表現(xiàn)有不同程度的發(fā)散特性，而搭載第5 款網(wǎng)罩的風(fēng)扇風(fēng)力強(qiáng)勁，流場發(fā)散效果相對(duì)較弱。

圖4 不同類型網(wǎng)罩風(fēng)扇工作時(shí)的流場特征（風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為2 100 r/min）

由此可見，網(wǎng)罩的變化對(duì)于風(fēng)扇吹風(fēng)強(qiáng)度及類型有較大的影響，特別是搭載第5 號(hào)網(wǎng)罩的風(fēng)扇表現(xiàn)出風(fēng)速大、匯聚力強(qiáng)的特點(diǎn)，可用于實(shí)現(xiàn)快速降溫的需求。此外搭載其他幾款網(wǎng)罩的風(fēng)扇具有較好的低風(fēng)速及發(fā)散特點(diǎn)，如第3、4、6 款較符合自然風(fēng)特性。因此，本研究設(shè)計(jì)點(diǎn)可聚焦于如何通過改善網(wǎng)罩的結(jié)構(gòu)功能，實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇強(qiáng)風(fēng)與自然風(fēng)之間的切換功能，提升桌面小風(fēng)扇適用范圍及舒適性。

3.3 深入機(jī)理分析

對(duì)以上6 款風(fēng)扇網(wǎng)罩造型的共性特征進(jìn)行對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，4 號(hào)、5 號(hào)、6 號(hào)網(wǎng)罩的輻條均為放射性布置，對(duì)6 號(hào)網(wǎng)罩的輻條進(jìn)行順時(shí)針調(diào)整可變化為4 號(hào)網(wǎng)罩，再進(jìn)一步調(diào)整就變?yōu)榕c5 號(hào)網(wǎng)罩類似的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)網(wǎng)罩。為探究此變化過程與風(fēng)場特征變化的關(guān)聯(lián)性，本研究通過對(duì)6 號(hào)網(wǎng)罩輻條的排列方向進(jìn)行調(diào)整，建立與5 號(hào)網(wǎng)罩類似的順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的新網(wǎng)罩，并進(jìn)行數(shù)值模擬測試。圖5 的計(jì)算結(jié)果顯示網(wǎng)罩輻條由逆時(shí)針排列轉(zhuǎn)變?yōu)轫槙r(shí)針排列，原本發(fā)散紊亂的流場變化為強(qiáng)勁的匯聚風(fēng)，與6 號(hào)網(wǎng)罩的結(jié)果類似。由此可得出結(jié)論，與風(fēng)扇葉片旋轉(zhuǎn)方向（順時(shí)針）相同的網(wǎng)罩柵欄排列方式具有增強(qiáng)匯聚風(fēng)場的效果，相反則起到抵消渦旋發(fā)散風(fēng)場的效果。

圖5 調(diào)整網(wǎng)罩輻條排列方向?qū)τ诹鲌鎏卣鞯挠绊懶Ч?/p>

3.4 解決方案

根據(jù)機(jī)理分析顯示，網(wǎng)罩輻條順序呈順時(shí)針排列時(shí)，風(fēng)扇可實(shí)現(xiàn)吹強(qiáng)風(fēng)效果；相反則可抵消風(fēng)的渦旋性，模擬吹自然風(fēng)的效果。因此，利用此機(jī)理特性，根據(jù)具體使用場景自由調(diào)節(jié)輻條旋轉(zhuǎn)排列方向的可變形網(wǎng)罩設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)桌面小風(fēng)扇具備強(qiáng)風(fēng)與自然風(fēng)切換功能的一種有效途徑。

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)罩輻條旋轉(zhuǎn)變形的目標(biāo)，作為網(wǎng)罩核心組成部分的輻條可選用具有彈性變形性能的軟膠輻條、2 個(gè)管體套疊可伸縮的剛性伸縮桿輻條、剛性液壓桿輻條等。從機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的簡單性、穩(wěn)定性及成本角度考慮，采用與雨傘、天線伸縮結(jié)構(gòu)相同的剛性伸縮桿輻條較契合桌面小風(fēng)扇設(shè)計(jì)定位。因此，本研究采用剛性伸縮桿輻條作為網(wǎng)罩的柵欄，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)罩變形功能的最終解決方案。在此方案中，網(wǎng)罩的每根輻條由2 個(gè)管體套疊組成，剛性輻條兩端用鉸鏈分別與網(wǎng)罩的內(nèi)外圈連接，通過網(wǎng)罩內(nèi)外圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)輻條的伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)罩輻條順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)切換效果，如圖6 所示。

圖6 網(wǎng)罩輻條由逆時(shí)針排列切換為順時(shí)針排列示意圖

將以上解決方案與桌面小風(fēng)扇的整體造型設(shè)計(jì)相融合，提出一款雙向控風(fēng)桌面小風(fēng)扇設(shè)計(jì)方案，如圖7 所示。

圖7 雙向控風(fēng)桌面小風(fēng)扇設(shè)計(jì)方案

3.5 方案的測試

針對(duì)最終提出的方案，本研究使用3D 打印技術(shù)制作順時(shí)針柵欄網(wǎng)罩與逆時(shí)針柵欄網(wǎng)罩，并安裝在小號(hào)小風(fēng)扇實(shí)體機(jī)中進(jìn)行測試與使用體驗(yàn)?；谛★L(fēng)扇工作時(shí)與使用者的通常擺放距離及大概吹風(fēng)范圍，監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在離風(fēng)扇正前方0.3 與0.4 m 處，以及同等正前方距離偏離風(fēng)扇中心軸0.15 m 處，如圖8 所示。

由圖9 測量數(shù)據(jù)顯示，搭載順時(shí)針排列的網(wǎng)罩風(fēng)扇中軸線處的風(fēng)力強(qiáng)勁，偏離中心軸0.15 m處的風(fēng)速極低，符合強(qiáng)勁匯聚風(fēng)特征；搭載逆時(shí)針排列的網(wǎng)罩風(fēng)扇偏離中軸線0.15 m 處依然能監(jiān)測到較大的風(fēng)速，并且在測量過程中發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)有一定的波動(dòng)，較符合自然風(fēng)的特征。另外，為了進(jìn)一步確定提出方案的實(shí)際合理性，本研究還采用真實(shí)體驗(yàn)測試的形式，對(duì)方案的工作性能進(jìn)行評(píng)估?；谕ǔ５氖褂昧?xí)慣，用戶使用反饋顯示，搭載順時(shí)針柵欄網(wǎng)罩的風(fēng)扇，在皮膚與氣流相互作用區(qū)域，能感覺到較強(qiáng)烈的強(qiáng)直風(fēng)壓感，且作用部位降溫快速，但維持一段時(shí)間后，欠舒適感增加；搭載逆時(shí)針柵欄網(wǎng)罩的風(fēng)扇，在皮膚與氣流相互作用區(qū)域，整體的風(fēng)壓感較為均勻，使用一段時(shí)間后，基本能維持較好的舒適性。綜上分析，本研究提出的設(shè)計(jì)方案基本可到達(dá)設(shè)計(jì)期望。

圖8 數(shù)據(jù)監(jiān)測位置示意圖

圖9 2 種不同的柵欄排列方式對(duì)風(fēng)場的影響

4 結(jié)論

本研究將CFD 技術(shù)應(yīng)用于小風(fēng)扇的設(shè)計(jì)階段，利用CFD 技術(shù)可實(shí)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果可視化的優(yōu)勢，完成對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的工作特性及運(yùn)行原理的分析，驅(qū)動(dòng)合理設(shè)計(jì)方向的形成，為順利提出雙向控風(fēng)型桌面小風(fēng)扇設(shè)計(jì)解決方案提供了有效的技術(shù)支持。

1）本研究驗(yàn)證了現(xiàn)有產(chǎn)品的分析是提出設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)；

2）本研究凸顯出技術(shù)分析手段在構(gòu)建設(shè)計(jì)邏輯中發(fā)揮的重要作用，通過技術(shù)分析結(jié)果引導(dǎo)設(shè)計(jì)的深入，能有效克服產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案產(chǎn)生的盲目性與偶然性問題，有助于提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

文中提出的基于CFD 技術(shù)的設(shè)計(jì)解決方案可為類似的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)提供參考。