风扇的气动性能简介

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本文部分内容参考自AMCA（Air Movement & Control Association）的210标准，目前最新版为AMCA Standard 210-16，发布于2016年。

部分图片来源于互联网。

1 风扇的定义 & 分类

风扇是通过外力驱动叶片旋转进而驱动气体运动的设备。根据AMCA Standard 210-16的规定，风扇对空气的内能增加不超过25kJ/kg。根据气流方向和叶片旋转轴的关系，风扇最主要包括轴流式和离心式两类。

轴流式风扇特点为风扇入口和出口的气流方向均和叶片旋转轴平行。轴流式风扇在日常生活中应用较多，例如电脑散热器。

离心式风扇特点为风扇入口气流和叶片旋转轴平行，出口气流和叶片旋转轴垂直。由于离心式风扇的体积较大，日常生活中较少见，主要应用于工业。

2 风扇的气动性能

风扇的气动性能，主要通过两个曲线描述：P-Q曲线和效率曲线。P-Q曲线直接决定了风扇的适用条件，而效率曲线决定了风扇的使用成本。

P-Q曲线描述了风扇静压和流量之间的关系，是风扇最重要的特性曲线。风扇静压是指风扇的出口静压和入口总压之间的差值，流量为通过风扇的体积流量。对于同一风扇，P-Q曲线仅受叶片转速影响，即同一转速下仅存在一个P-Q曲线，不同转速下的P-Q曲线不相同。

通常，P-Q曲线呈单调递减形式，即风扇静压会随着流量的增加而减少。根据AMCA Standard 210-16的规定，将0压力工况也即最大流量工况称为free delivery，0流量工况也即最大压力工况称为shut-off。

效率曲线描述了风扇气动效率和流量之间的关系。风扇效率计算公式为η=(Q*Ps)/Pi，其中，Q为流量，Ps为风扇静压，Pi为风扇输入功率。对于同一风扇，效率曲线仅受叶片转速影响，即同一转速下仅存在一个效率曲线，不同转速下的效率曲线不相同。

效率曲线为山峰状，即中等流量工况下风扇效率较高，小流量和大流量的效率较低。在0流量和最大流量两个极端工况下，其效率为0。

3 风扇气动性能曲线的CFD仿真

风扇在CFD仿真中包括两类情况：

1 风扇供应商需要通过CFD获得P-Q曲线和效率曲线，并指导设计优化

2 风扇用户需要通过CFD进行合理的风扇选型与评估

通过CFD获取风扇P-Q曲线和效率曲线，其步骤如下：
1 确定所需要分析的叶片转速值
2 CFD建模，入口为体积流量入口，出口为静压出口
3 对最大流量工况进行分析（步骤2的入口改为总压入口），得到流量范围
4 对0流量工况进行分析（步骤2的出口改为固体壁面），得到压力范围
5 对其他工况点根据步骤2的建模进行各自计算
6 汇总结果并绘制曲线

有限体积法的求解器，对风扇的CFD建模方法包括MRF（多重坐标系）、滑移网格和Overset（重叠网格）三类，通常以MRF方法最常用。目前部分软件可采用包括自动执行脚本、参数化建模等方法对步骤5的重复劳动进行某些自动化操作，节约时间，提高效率。

若进行系统级分析，风扇只是系统的一部分且不是关注重点（例如电脑散热分析），则无需进行复杂的风扇建模工作。指定风扇及其入口和出口的位置，并设置风扇P-Q曲线，即可使用简化的风扇模型，节约建模工作量和计算耗时。