风扇的气动性能

风扇是很常见的设备，应用于通风、设备散热等多种场景，典型如家用的电风扇、抽风机，各类电子设备的散热风扇等。

风扇是通过外力驱动叶片旋转引发气体运动的设备。根据AMCA Standard 210-16的规定，风扇对气体的内能增加不超过 25 kJ/kg。

根据气流速度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：风扇入口和出口的气流方向均和叶片旋转轴平行
• 离心式：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

用于隧道通风的轴流式风扇（图源：commons.wikimedia.org）

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，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。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，将最大流量工况称为”free delivery“，0 流量工况称为”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：

其中，Q 为体积流量，Ps 为风扇静压，Pi 为风扇输入功率。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：

• 风扇供应商需要通过CFD获得气动性能，并指导设计优化  
  
• 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 确定需要分析的叶片转速
2 对计算域进行网格划分
3 对最大流量工况进行分析
4 对其他工况点进行分析
5 汇总结果并绘制曲线

对风扇的CFD建模方法包括MRF（多重坐标系）法和滑移网格法两类。其中MRF法主要用于稳态分析，快速比较不同设计方案的优劣；滑移网格法用于对某些重点方案进行精细仿真和数据获取。与此同时，利用自动化脚本、参数化建模等方法对CFD仿真工作自动化，可节约时间，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，使用基于P-Q曲线简化的风扇模型，可节约工作量，提高仿真效率