风扇定律与风扇性能

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为什么风扇定律（Fan Laws）很重要？

例如，让我们考虑通常由制造商提供的风扇曲线。该风扇曲线通常在“标准”或其他规定条件下测量。在实际系统中，风扇不太可能在这些相同条件下度过其使用寿命。此外，吸入压力变化、密度变化、成分变化等很常见，也会影响风扇在系统中的运行方式。

风扇定律帮助我们估计风扇在系统中以不同的速度、流体密度、叶轮直径等运行。一旦我们对这些定律有基本的了解，就可以计算出风扇在各种条件下的性能。

可以使用风扇定律以合理的精度预测不同尺寸或速度的几何相似风扇的性能，以用于实际目的。更高水平的精度需要考虑气体粘度、风扇表面粗糙度、比例效应等影响。但是，根据所需的精度水平，对于许多风扇计算，这可能不是必需的。

需要注意的一点是，这些定律适用于风扇曲线上的同一操作点。它们不能用于预测风扇曲线上的其他点。控制风扇性能的基本风扇定律通常仅对系统中的气流特性或空气动力学没有变化的固定系统有效。术语“系统”是指通过其分配空气的管道、过滤器、格栅、阻尼器百叶窗、罩等的组合。

众所周知，空气在系统中的运动会导致空气分子与其周围环境以及任何其他空气分子之间产生摩擦/阻力。因此需要能量来克服这种阻力。空气通过系统的速度越快，对流动施加的阻力就越大，将空气输送通过系统所需的能量就越多。这种能量用压力来描述。通常，克服阻力所需的压力称为静压。导致空气/气体速度的压力被描述为速度压力，这两个值的组合通常被称为总压力。

风扇或鼓风机通常安装在通风或工业过程系统中以克服阻力。风扇性能通常以风扇曲线的形式表示。这些曲线基于一组特定条件，通常包括在给定条件下驱动风扇所需的速度、体积、效率、静压和功率。图 1 提供了风扇曲线的典型图示。静压曲线与系统阻力曲线的交点代表风扇的工作点。

图 1：制造商的风扇性能曲线

如前所述，随着任何风扇系统中气流的增加，系统阻力也会增加。在固定系统中，据说所需的压力/系统阻力随流经系统的空气体积的平方而变化。系统阻力曲线可以通过确定系统流速范围内所需的压力来制定。然后可以在风扇性能曲线（也称为风扇容量曲线）上绘制此阻力曲线，以识别实际工作点。这在图 2 中显示为点“1”，风扇曲线 N1 和系统阻力曲线 SC1 相交。该工作点位于气流 Q1 处，该气流 Q1 抵抗压力 P1 输送。

图 2：系统阻力曲线

对于给定的风扇速度，风扇沿着制造商提供的性能曲线运行。如果我们希望减少系统中的气流，我们可以例如部分关闭系统中的风门或降低风扇速度。部分关闭阻尼器将导致新的系统阻力曲线。这显示为系统阻力曲线 SC2，其中任何给定气流所需的压力都会增加。风扇现在将在工作点 2 运行，以提供减少的空气流量 Q2 以对抗较高的压力 P2。

另一方面，我们可以将风扇速度从 N1 降低到 N2，以减少系统中的气流并使风门保持在完全打开的位置。在这些条件下，风扇现在将在工作点 3 处运行，以提供相同的气流速率 Q2，但压力较低。

因此，降低风扇速度是一种更节能的减少气流的方法，因为需要更少的功率，从而减少能耗。

风扇定律

通常，风扇定律通常用于计算风扇的流量、压力和功率在尺寸、速度或气体密度发生变化时的变化。在下表 1 中列出的扇形定律中，下标 1 代表初始存在条件，下标 2 代表期望的计算条件。

图 3 中的插图有助于说明风扇速度变化的影响。

图 3：风扇速度变化对流量、压力和功率的影响

风扇定律是一组方程，用于确定风扇运行速度、风扇直径或系统中空气密度变化的影响。离心式风扇、轴流式风扇或鼓风机的性能通常以一系列压力、效率和轴功率特性曲线的形式给出，这些曲线是针对指定速度、空气密度和风扇尺寸值的空气流量绘制的。因此，确定风扇在其他速度和空气密度下的运行特性是有用的。使用风扇定律关系，可以开发风扇曲线族以在不同速度下运行风扇等。

风扇定律也可以用于考虑从较小的原型风扇获得的测试结果，以预测较大风扇的性能，这当然是几何相似。

了解给定风扇在设定的指定操作条件下的性能，可以根据风扇定律预测性能的变化。然而应该注意的是，添加或移除固定系统的组件，例如阻尼器或引起的密度变化，将产生完全不同的系统阻力曲线。另外，值得注意的是，更换进风风门、进风箱等风扇配件会使风扇性能曲线与标准有所不同。因此，在考虑或应用风扇定律之前，应该考虑这一点。

作为系统设计的一部分，风扇定律在确定替代性能标准或建立最小和最大范围时非常有用。如果将“安全因素”应用于系统设计计算，值得注意的是，根据风扇定律，体积增加 10% 将导致功率需求增加 33%。因此，建议根据实际发生的成本损失评估任何应用的“安全因素”。

一般来说，使用这些规则或风扇定律，一旦我们知道给定风扇在设定的指定操作条件下的性能，就可以以合理的准确度预测性能的变化。

来源：CFD饭圈

Particleworks案例7-刚体在水中自由运动

仿真模型仿真刚体（不变形）在液体中自由运动的过程，即液体推动刚体运动。 1、创建并导入几何模型创建项目名称rigid_body。在Outline窗口，点击 Importpolygonfiles按钮，导入几何模型box.stl、box2.stl、pool.stl。点击Adjust domain按钮，设置Margin为10，调整计算域大小。设置pool.stl的几何透明度为0.5，如下所示。创建入口。点击Create an inflow按钮，选择Rectangle创建矩形入口，其位置、方向和大小设置如下。创建填充初始液位。点击Create fill按钮，其位置、方向和大小设置如下。2、创建材料在Outline窗口，点击 Managephysicalproperties，创建Fluid、Solid、Solid1和polygon材料，其中两种solid的密度分别是20和50。将Fluid材料给到inflow和fill几何，Solid_1材料给到box2.stl几何，Solid材料给到box.stl几何，Polygon材料给到pool.stl几何。3、设置入口边界在Outline 面板，选择inflow节点，在其Properties面板中展开Details属性，设置如下。4、仿真设置在工具栏，点击Settings按钮，单位选择mm，粒径设置为10。采用4核CPU，1个GPU，双精度计算，几点Execute开始计算。6、结果分析提取流动过程的仿真结果动画如下。来源：CFD饭圈