浙江工业大学硕士学位论文

小型轴流风扇流场数值分析及其优化降噪设计 和制造研究

作者姓名：章易镰 指导教师：鲁聪达教授

浙江工业大学机械工程学院 2 01 0年1 2月

Study^{on Numerical} Analysis^{onFlowFieldof Small} Axial Fan and its Noise Reduction Design and Manufacture

Candidate：ZHANG Yi．1ian Advisor：LU Cong-da

College^{of Mechanical} Engineering Zhej iang University^of Technology Dec 2010

—一

浙江工业大学

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日期：矽加年肛月均日 作者签名：舞易臃

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作者签名：舞马镌 日期：矽，p年肛月11日 日期：肋年肛月胡日 ／，一／Io、7 刷磴名汤膨

程中靠近人体，因此在不影响其通风效率的前提下进行优化降噪，具有重要的研究意义。 研究过程中，以CPU风扇为对象，运用CFD技术，结合正交试验法，对叶轮叶型进 行多参数组合优化降噪。运用模具CAD／CAM／CAE技术，对风扇优化模型进行模具设计 和制造。主要研究工作和结果如下：

1．综述轴流风扇在工程设计、提升内部流动性能和降低气动噪声等方面的国内外 发展现状。列举叶轮叶栅中的涡流组成，详细介绍改变叶型以降低风扇噪声的多种方案。 系统阐述轴流风扇的工作原理，额定工作状态下叶栅内部的涡系结构，风扇的噪声构成 和声源分类，以及风扇噪声的产生机理、估算方法和数值计算基础。

2．以FLUENT为平台，阐述CFD技术的求解过程、关键算法及湍流模型。分别对 风扇的气动性能和气动噪声进行数值模拟，分析风扇外部和叶轮叶栅内部的流体流动特 性、气动噪声成因及对应的降噪方法。

3．以正交试验法和FLUENT软件为平台，对风扇叶轮叶型优化降噪进行了比较深 入的研究。设计正交试验的因素、水平，通过FLUENT软件对16组试验模型进行流量 和噪声求解。对试验结果进行极差分析，绘制各因素对试验指标的影响趋势图并对各因 素对指标的影响程度进行排序。得到噪声优化模型，经分析该模型较风扇原型声压级减 小，且流量略有增大。

4．对风扇优化模型进行实验验证，实验对象采用快速成型。结果表明：风扇正前 方375mm处，快速成型的风扇原型相对风扇原件噪声声压级增大1．56dB；实验测试数 据与数值计算结果有1~2．5dB偏差；风扇优化模型较风扇原型噪声声压级下降，跟数值 计算结果基本相符，有较好的降噪效果。

5．对风扇优化模型进行了模具设计，设计过程中以低翘曲变形为目标，采用正交 试验法求得模具注塑工艺参数优化组合。制定复杂部件的加工工艺流程，并进行计算机 辅助数控编程。

关键词：小型轴流风扇，降噪，正交试验设计，数值分析，模具设计，模具制造

Study^onNumerical Analysis^{onFlowFieldofSmallAxialFanand} its Noise Reduction Design and Manufacture

ABSTRACT

Small—sized axial fan is a kind of widely used product with high usage amount．As it is close^tohuman body when^on operation，it's important to have a research on how to denoise on condition of no flow reduction which is much significance．

In the process of research，a CPU fan was used．Application of CFD with orthogonal experiment，optimization of the parameters of blade profile is used to denoising． CAD／CAM化AE technology was introducedⁱⁿ mould design and manufacturing．The main work and results are as follows：

1．The domestic and international development are summarized in the field of CPU fan in engineering design，internal^{flowcharacteristics} rising，and^noise reduction．Vortexes among^{thebladesandthemethodsofhowtoreducenoisewith} parameters^ofblade profile changed^{arelisted．What’Smore，theaxialfan’S} operating principle，vortexes compositionⁱⁿ vane grid when on operation，noise classification，mechanism of noise production，estimation methods and the foundations of numerical calculation are introduced systematically．

2．Taking^{thesoftwareofFLUENTasan} object，the process^ofCFD calculation，some key algorithms^{andturbulencemodelsareintroduced．Thesoftwareof} FLUENT^{was usedto} numerical simulation of aerodynamic and aeroacoustic performance．The flow characteristics at the external of the fan and internal of the vane grid，origin of noise，and the methods of noise reduction are analyzed．

3．With orthogonal experiment and the software of FLUENT，making the fan optimized in noise reduction in depth research．Five selected dimension parameters and an orthogonal table with five facts and 4 levels are used to generate 1 6 orthogonal tests．Results from these 1 6 orthogonal tests help US find out the high-performance and low-noise fan model． Analytically,the optimized^{modelhas lowsound} pressure^{levelwithalittle} high^{rateofflow．} 4．An experiment was taking to measure the noise of fan models．The optimized model for experiment Was produced by rapid-prototyping．Trough the measurement and comparison， compared^tothe prototype，noise^{wasreducedfromthe} optimized^{modelwhichWasinaccord} with the result of numerical calculation but the error of 1 to 2．5 dB．It was confirmed that the optimization^methodWas helpful^todenoise．

5．Mould^ofthe optimized^fanmodelWas designed．As^the optimized CPU fan needs a low level^of warpage，some methods were adopted，such as，optimization design of cooling

n

ABSTRACT

channels，optimization^of molding process parameters^basedon orthogonal experiment．On the other hand of mould manufacturing，processing technic and^NC programming^were researched^on processing^the key part^{ofthe moldcore．}

Key^{Words：smallaxialfan，noisereduction，orthogonalexperimentaldesign，numerical} analysis，mould design，mould manufacturing

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