电子器件冷却风扇叶片仿生柔性表面减阻降噪试验研究

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强制风冷是电子器件散热主要的形式,轴流风扇是电子器件热设计中的关键部件。随着电子器件功率和发热量的不断增加,冷却风扇的功率、转速及叶片尺寸也大幅增大,其运转产生的流动损失和气动噪声问题也随之凸显。为了减小流动损失,降低风扇的噪声,传统研究主要从叶型造型、改变叶片排列方式入手,尽管取得了相当的成效,但仍然不能很好的解决气流粘性引起的摩擦损失、附面层分离引起的涡流损失及旋涡与分离流引起的损失,对于叶片表面湍流边界层或流动分离形成的尾迹噪声也不能有效地控制。因此,针对叶片表面边界层流场开展电子器件冷却风扇的减阻降噪研究,对于减小风扇能耗,改善人们的工作环境具有重要的理论价值和实际意义。本文基于流体生物柔软体表的低阻低噪特性,通过风洞试验探索仿生柔性表面的减阻降噪性能,并开展了电子器件冷却风扇叶片表面的减阻降噪试验研究。具体工作和成果如下:通过风洞测力试验研究了仿生柔性表面在NACA4412和NACA6409翼型模型上的减阻性能,得到不同的表面厚度、来流速度和阻力之间的关系。在速度小于10m/s时,5种厚度的仿生柔性表面对翼型模型无减阻作用;在试验速度10~17m/s范围内,0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm柔性表面可显著减小翼型模型的阻力,并能提高其升力。其中,0.6mm厚度的仿生柔性表面减阻效果最好,对两种翼型的减阻率分别达15.79%和11.11%。1mm厚度的柔性表面阻力不能起到减小阻力、增加升力的作用。根据风扇的工作工况,确定风扇叶片线速度范围,选择0.6mm的仿生柔性表面作为风扇叶片仿生柔性表面厚度。在试验电压10V、12V、14V三种条件下,研究风扇叶片压力面、吸力面和压力吸力的柔性表面对风扇各项性能参数和声学性能的影响。风扇测试结果表明,相对于原型风扇,三种电压下仿生柔性表面均能小幅提高风扇的流量及压力,而静压和全压效率提高显著。其中,仿生柔性表面设置叶片吸力面的增效性能最优,试验电压为10V时,静压效率提高5.21%,全压效率提高5.61%,12V时静压效率提高6.27%,全压效率提高6.3%,14V时静压效率提高6.01%,全压效率提高6.2%。噪声测试结果表明,在风扇叶片上设置的柔性表面都能起到降噪的效果,在中低频率范围噪声降低显著,但在高频范围对噪声无影响。在吸力面设置仿生柔性表面的风扇降噪效果最好,在电压10V时降低噪声1.98dB,电压12V时噪声降低2.05dB,电压14V时噪声降低达2.2dB。结合流体力学和气动声学的基本理论,分别探讨了柔性表面减阻和降噪的机理。(1)仿生柔性表面相对于刚性表面存在较大的阻尼,吸收、缓冲了湍流边界层内预猝发湍流产生的脉动压力场,抑制了猝发过程,使得促发数量下降并减弱了猝发的剧烈程度,从而抑制了湍流,导致摩擦阻力减小。(2)柔性表面通过中止声学反馈机制,抑制漩涡的产生、吸收和缓冲了旋涡脱落以及其它各种机制产生的叶片脉动力,从而抑制了噪声的产生。
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