微型计算机CPU散热器中轴流风扇噪声计算方案及优化的研讨

第一章 绪论1.1 概述微型计算机 CPU 散热器，一般由轴流风扇与散热片构成。而该轴流风扇，则是一风扇叶轮（叶轮就是具有一列或多列叶片的工作轮，此处为一列叶片）安装于直流无刷电机转子上，然后通过轴承系统，安装在风扇外框内。风扇外框与散热片通过螺钉联接，散热片通过螺柱安装在主板上。典型的微型计算机 CPU 散热器如图 1-1 所示。此次研究的散热片截面尺寸与高度均已确定，故轴流风扇是主要的研究对象。下面就影响风扇性能的风扇叶轮以及风扇外框作简易介绍。.............1.2 研究意义一般而言，评价一款风扇的好坏，基本上是从流量、静压与噪声三个方面着手。因此，各风扇厂商通过技术攻关，在获得大流量，高静压的同时，追求低噪声。纵观目前风扇行业的发展，获得大流量与高静压，并不是主要问题；如何获得低噪声，这才是大家面临的挑战。与此同时，找到风扇这个作为 CPU 散热器中的一个主动旋转机械装置与散热片之间的匹配关系以获得整个系统的低噪声方案，才是我们最终追求的目标。所以，当前风扇的技术竞争可以说就是噪声的竞争，谁可以在噪声上领先对手，谁就能从激烈竞争中胜出。纵观目前国内的风扇企业，如沈鼓集团、陕鼓集团及南方风机等，都是致力于大中型风扇的研发与生产，而真正自主研发小型轴流风扇的企业可以说是凤毛鳞角。一些生产小型轴流风扇的企业基本上是拿到竞争对手特性优异的样机，通过逆向工程获得风扇叶轮的叶片表面数据，进而绘制出叶片三维图，用于模具开发，所以根本谈不上真正意义上的研发。.............第二章 轴流风扇基本理论2.1 概述轴流风扇作为叶片式流体机械的一种，当其运转时，气流由轴向进入风扇叶轮后会近似地在圆柱形表面上沿轴线方向流动，并遵循连续性方程及伯努利（Bernoulli）方程。另外，为了体现气流的流动现实与流速分布等，通常用雷诺数（Reynolds Number）来表征其流动特性。2.1.1 连续性方程根据质量守恒定理，轴流风扇在稳定条件下运行，当忽略内部泄漏时，通过风扇的各个截面的质量流量是相同的[1]。如图 2-1 所示：..........2.2 轴流风扇的性能参数（1）风扇流量qx（Flow rate of Fan）单位时间内通过轴流风扇进口截面的气流的量（体积或质量）称为流量。在实际的工程应用上，轴流风扇的流量均以体积流量来表示，单位为 CFM（立方英尺每分钟），对应于 SI 制的换算关系是：1m3/s =0.588583 CFM。...............第三章 轴流风扇噪声基本理论...................253.1 风扇噪声概述.................. 253.2 轴流风扇噪声的评价................. 263.3 心理声学................. 273.4 轴流风扇噪声的特性及预测.................. 323.5 轴流风扇的降噪........................ 363.6 本章小结................... 37第四章 计算流体动力学及计算气动声学基本理论..............394.1 计算流体动力学基本理论........................ 394.2 计算气动声学基本理论....................... 424.3 本章小结................ 45第五章 试验方法与 CFD 建模及仿真分析5.1 正交试验设计5.1.1 正交表建立正交表是一套规则的设计表格，用LN(xy) 表示：其中 n 表示正交表横行数，即需要做的试验次数；x表示因子的水平数； y 表示正交表列数，即因子个数。正交表具有以下基本性质：（1）每一列中每个数字出现的次数相同；（2）对表中任意两列数字，如果把同一行的两个数字看成有序数字对时，所有可能的数字对出现的次数相同。简易地讲，某因子的每个水平与另一个因子每个水平各相遇一次，这就是正交性。...............全文总结与展望研究工作总结本文是在广泛研读国内外关于小型轴流风扇噪声研究的成果及文献的基础上，结合目前工作的实际，围绕微型计算机 CPU 散热器中轴流风扇噪声计算方法与优化的研究而展开的。论文涉及流体机械、计算流体动力学、计算气动声学、心理声学及统计学等，此次研究是这些学科领域知识的交叉应用。通过对散热效能与噪声相结合的系统进行深入的仿真分析、试验测试及数据分析，完成的主要工作及所取得的结论如下：（1）结合工程应用的实际情况，将平面翼型坐标有效地转换为三维柱面坐标。将单个叶片分成 7 个截面，并建立 7 个截面的翼型安装角、弦长及叶片弯掠角的定义方法，为轴流风扇的叶片三维建模提供了一套完整的方法。（2）结合工作实际，将轴流风扇的降噪措施归纳为：① 合理选择叶轮的几何参数。试验研究表明，轴流风扇的空气动力学噪声，特别是其中的紊流噪声，主要来自于叶轮的叶栅参数。所以，首先要选择合理的叶栅参数；② 合理选择风扇外框的进出口参数。因为扇叶是安装于风扇外框中，同时风扇外框的进口起导流作用，所以，风扇外框的进口结构及尺寸，对噪声有较明显的影响；③ 合理选择扇叶与风扇外框之间的间隙。当间隙比较小时，叶尖泄漏较小，流动效率较高，相应地流量与静压较大。但试验证明，其音调及突出比会较高。............参考文献（略）