使用Flotherm散热仿真物理学原理第9章：风扇

使用Flotherm进行电子散热仿真过程中涉及的物理学原理第9章：风扇

9 风扇103
9.1 风扇类型介绍103
9.1.1 轴流风扇 103
9.1.2 离心风扇 103
9.1.3 混流式风扇 103
9.2 风机特性曲线和工作点103
9.2.1 无遮挡风扇 103
9.2.2 受遮挡风扇 104
9.3 噪音特性104
9.4 风扇热功耗的估计105
9.4.1 简单的热平衡 105
9.4.2 效率曲线 106
9.5 Swirl106
9.6 风扇气流短路106
9.7 旁通107
9.8 死区107
9.9 离心风扇107
9.9.1 RL90-18/24 108
9.9.2 RLF100-11/2 108
9.9.3 RG125 – 19/12 N 109
9.9.4 通过Flotherm网页建立离心风机 109

9风机

9.1 风机类型介绍

来源：W. Angelis: “General aspects of fan selection and layout”, Electronics Cooling Magazine 7(2) (2001)

S. Harmsen: “Papst Lüfter”,Ask your local Papst sales person for a copy.

小型通风设备一般称为风机。根据风机的结构和气流流动方向，可以对风机进行分类。下面对最重要的风机类型进行描述。

9.1.1 轴流风扇

电子散热领域轴流风扇通常有一涡壳，并且其旋转叶轮与马达相连。

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轴流风扇叶片
9.1.2 离心风扇

进出口空气成90℃。根据旋转叶片大于90℃或小于90℃，这一叶片可以分为前向和后向。

使用Flotherm散热仿真物理学原理第9章：风扇

具有后向叶片的离心风扇

9.1.3 混流式风扇

由于混流式风扇在外形上与轴流风扇相似，所以有时被称为半轴流（semi-axial）风机。在混合式风扇中，空气由叶轮轴方向进入并且成对角排出。所以混流式风机是介于轴流风扇和离心风扇之间的一种风扇。混流式风扇比相同尺寸和转速下的轴流风扇有更高的压头，当然这一压头值比相同尺寸和转速下的离心风扇来的小。

9.2 风机特性曲线和工作点

9.2.1 无遮挡风扇

风机的工作点是风机的特性曲线和管路阻力特性曲线的交点。

风机特性曲线和管理特性曲线

建议：建议风机的工作点位于风机特性曲线的右下侧。

9.2.2 受遮挡风扇

严格说来，产品说明书中的风机特性曲线只是风机在测量条件下的特性。如果风机附近有东西遮挡，则风机特性曲线有可能发生翘曲。

如果风机受到壁面的遮挡，则其风机特性曲线翘曲

9.3 噪音特性

下图显示了一个轴流风扇和离心风扇的噪音特性曲线，在风扇入口1m处测量所得的声压是流量的函数。

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轴流风扇和离心风扇声压特性曲线（实线、左轴）和风扇特性曲线（虚线、右轴）的比较

对于上述的轴流风扇其推荐的工作点在，此时其噪音最小。更低的噪音意味着轴承所受的应力更小，由此可以增加风扇的寿命。

换而言之：风机的最佳工作点不是在最大体积流量处，而是在风扇的最佳性能处。流量和压力的乘积单位为：

下图是后所得数据，风扇的最佳性能处接近噪音最小处。

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风扇的压力特性和性能特性曲线

9.4 风扇热功耗的估计

风扇本身也会产生热量，可以对风扇结构对话框中叠加风扇功耗。

注意：不要将Data Sheets中的功率值作为风扇的热功耗。

9.4.1 简单的热平衡

一个简单的风扇功耗平衡可以表述为：静能（Static energy）＋动能（Kinetic energy）＋热功耗＝电能

其中，，，是出口处的平均流速，记做：。

例子：Papst4212NH在前图中的最有工作点。

9.4.2 效率曲线

Harmsen给出了典型轴流风扇的效率曲线。在效率为0.7时：

典型轴流风扇效率曲线

缺原文档中的９．５　“Synopsis of Fan Data”

9.5 Swirl

当风扇叶片没有很大的反压力时，其旋转分量大约为向前速度的，也就是说高速的风机其旋转分量较小。如果风扇的背压比较高，则其旋转分量为向前速度的倍。

Flotherm中Flow Dependent Speed Swirl模型使用的是基于Papst相关信息的半经验公式进行设置。可以从下图中得到风扇Swirl对静压的反作用：

一个具有固定压力损失轴流风扇旋流分量随流动变化图。左边刻度：静压。高压时具有高角速度（旋流），低压时具有高垂直速度。

注意：在Flotherm中定义Swirl方向为Clock-/counterclock wise是基于风扇的出口面（从上往下观察）。与之不同，Papst产品目录中风扇旋流是基于入口面（从下往上观察）。

9.6 风扇气流短路

每一类风机都要确保气流不短路，有时需要加装隔板。当风扇处于气流短路状态下，其效率非常低。

左图：风扇短路，右图：良好的结构设计

9.7 旁通

空气总是沿着阻力最小的通道流动。当空气流过散热器时比较容易出现旁通现象。

风扇气流旁通散热器

详细的资料可以参阅：R. Simons: “Estimating The Effect Of Flow Bypass On Parallel Plate-Fin Heat Sink Performance“, Electronics Cooling Magazine 10 (1)p.6 (2004)

9.8 死区

在轴流风扇Hub的后面存在一个气流死区。在这一区域无法对器件进行冷却。死区的范围是大约以Hub直径为直径的半球范围。所以散热器和元件不能太靠近轴流风扇。

9.9 离心风扇

来源：S. Ziegler, H-H. Böttcher: “Erweiterung der Programmbibliothek eines modernen CFD-Tools durch Erfassen und Implementieren von Messdaten verschiedener Radiallüfter“. Studienarbeit Berufsakademie Stuttgart (2005)

其中主要的工作是获取有关流场定性和定量的数据。采用纺织线可以获得定性的结果，使用风速仪可以获得定量的结果。下面是一些emb-Papst风扇的定量数据测试。

9.9.1RL90-18/24

RL90-18/24的流动迹线

9.9.2RLF100-11/2

我们可以从下图中看到，RLF100-11/2的流场比RL90-18/24更平稳。

RLF100-11/2流动迹线图

9.9.3RG125 – 19/12 N

和RLF100-11/2不相同，RG125 – 19/12 N的风扇出口高度和风扇高度不一样。所以流场受到了限制，并且风扇的出口速度有一角度。

RG125-19/12N流动迹线图

9.9.4通过Flotherm网页建立离心风机

可以通过登陆到Flotherm网页，输入相关的数据来建立离心风机模型。

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