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研究生:吳佳霖
研究生(外文):Wu Jia Lin
論文名稱:小型離心式風扇之研究
論文名稱(外文):The Study of miniature Centrifugal Fan
指導教授:蔡博章
指導教授(外文):Tsai Bor Jang
學位類別:碩士
校院名稱:中華大學
系所名稱:機械與航太工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:91
中文關鍵詞:離心式散熱風扇數值模擬CNC五軸加工AMCA 測試設備
外文關鍵詞:centrifugalcooling fannumerical simulation5-axis CNC machineAMCA 210-85 chamber
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本研究目的在設計一以離心式扇葉為主並搭配離心蝸式流道之散熱風扇,並對其做數值模擬、實務製造與實驗分析之研究。首先配合扇葉設計理論來設計葉形,並利用P-60引擎壓縮機葉片設計經驗進行氣動力分析與設計,配合STAR-CD來做數值驗証,設計出一小型離心式散熱風扇,再經由CAD/CAM將所設計出之離心式扇葉的幾何外形,利用PRO/E建立成圖檔,並以CNC五軸加工,將此風扇葉形之實體製造出來,最後與市售之散熱風扇,以符合AMCA 210-85規範所設計的實驗設備來進行性能測試與比較。從數值分析中得知,在Hub處,吸力面與壓力面之壓力會從進口處緩慢增加至Camberline距離的1/2處,之後便會急速的增加;且在吸力面與壓力面之Tip處會有壓力集中的現象,也就是說該處容易於運轉時受損。而由實驗中可發現,所設計風扇於2000RPM與市售風扇相比在最大流量減少32%,靜壓方面減少了59%,但當轉速提高至4000RPM時,在最大流量則增加38%,靜壓方面增加了約82%,由此可知離心式風扇之靜壓於高轉速會遠比軸流高,故散熱風扇如須高靜壓時可選擇離心式風扇。
In this study, a cooling fan with a centrifugal blade and centrifugal housing is investigated including design, numerical simulation, mockup manufacture, and experiment. At first, rotors are designed by the theory of blade design, and using the design experience of the compressor of P-60 engine, employing the STAR-CD to do 3D numerical simulation, as well as the prototype can be made by 5-axis CNC machine. Later, the experimental of performance will be tested in AMCA 210-85 chamber. The numerical analysis results show that the pressure of suction surface and pressure surface near Hub increase gradually up to a half length of camberline distance, then after that, increase dramatically to the outlet. And the pressure is concentrated at the suction surface and pressure surface near Tip, this shows the region is easy to defect in high rotational speed. The experimental results show that the fan compare with reference sample in 2000 rpm, the decrease in volume flow rate and static pressure are 32% and 59%. But in 4000 rpm the increase in volume flow rate and static pressure are 38% and 82%. This shows the static pressure of centrifugal fan in high rotation speed is higher than axial fan, so we can choose the centrifugal fan design somewhere when the system needs higher static pressure.
目 錄
中文摘要......................................................I
Abstract.....................................................II
誌謝........................................................III
圖目錄......................................................VII
表目錄........................................................X
符號說明.....................................................XI
第一章 簡介..................................................1
1-1 前言..............................................1
1-2 研究方法..........................................3
1-3 文獻回顧..........................................5
第二章 原理與分析...........................................12
2-1 Similarity Solutions.............................12
2-2 性能測試原理.....................................17
2-3 扇葉設計.........................................18
2-3-1 葉片外型設計參數..........................18
2-3-2 葉片角度(Blade Angle)...................19
2-4 數值分析原理.....................................23
2-4-1 數值方法..................................23
2-4-2 紊流模式..................................24
2-5 性能量測原理.....................................26
2-5-1 風量計算..................................26
2-5-2 風壓計算..................................28
2-5-3 功率及效率................................28
第三章 數值方法結果討論與分析...............................29
3-1 數值條件設定.....................................29
3-1-1 幾何外形與網格建立........................29
3-1-2 邊界條件..................................30
3-1-3 收斂條件..................................30
3-1-4 計算、收斂、後處理........................31
3-2 結果討論與分析...................................34
3-2-1 工研院分析軟體結果之探討..................34
3-2-2 STAR-CD結果討論與分析.....................42
第四章 實驗規畫與結果分析...................................55
4-1 實驗設備.........................................55
4-1-1 風扇的實體模型之製作......................55
4-1-2 風扇性能量測設備..........................56
4-2 實驗規畫.........................................64
4-2-1 實驗方法..................................64
4-2-2 準備工作..................................64
4-2-3 測量步驟..................................65
4-3 實驗結果與分析...................................66
4-3-1 流量與靜壓之比較..........................66
4-3-2 流量與效能之比較..........................67
4-3-3 市售與所設計風扇之性能比較................67
第五章 結論.................................................73
5-1 結論.............................................73
5-2 未來發展與建議...................................74
參考文獻.....................................................75
附錄A........................................................77
附錄B 扇葉設計............................................79
附錄C 數值方法............................................83
附錄D AMCA 210-85之規範...................................91
圖 目 錄
圖1-1 P-60引擎之壓縮機實體圖..................................7
圖1-2 研究流程總圖............................................8
圖1-3 氣動力分析流程圖........................................9
圖1-4 風扇組件圖.............................................11
圖2-1(a)旋轉中之圓板流線圖.................................15
圖2-1(b)旋轉中之圓板速度向量圖.............................15
圖2-2 旋轉中之圓板數值解.....................................16
圖2-3 圓柱座標表示圖.........................................20
圖2-4 子午面表示圖...........................................21
圖2-5 流線於子午面之表示圖...................................22
圖2-6 流場計算流程圖.........................................25
圖2-7 量測平面定義圖.........................................27
圖3-1 P-60引擎壓縮機葉輪之實體格點...........................32
圖3-2 P-60引擎壓縮機葉輪之流道格點...........................32
圖3-3 收斂歷史圖.............................................33
圖3-4 P-60壓縮機葉片之子午面.................................36
圖3-5 P-60壓縮機之設計點與壓縮比關係圖.......................37
圖3-6(a)Hub處之速度分布圖..................................38
圖3-6(b)Shroud處之速度分布圖...............................39
圖3-7(a)Hub處之壓力分布圖..................................40
圖3-7(b)Shroud處之壓力分布圖...............................41
圖3-8 數值模擬與P-60引擎壓縮機壓縮比比較圖...................44
圖3-9 Hub處之速度分布圖......................................45
圖3-10 Hub處之壓力分布圖.....................................45
圖3-11 單一流道之三維斷面位置示意圖..........................46
圖3-12 速度分布圖............................................47
圖3-13 馬赫數分布圖..........................................48
圖3-14 壓力分布圖............................................49
圖3-15 密度分布圖............................................50
圖3-16 速度分布圖............................................51
圖3-17 馬赫數分布圖..........................................52
圖3-18 壓力分布圖............................................53
圖3-19 密度分布圖............................................54
圖4-1 實驗設備總圖...........................................58
圖4-2 加工路徑示意圖.........................................59
圖4-3 風扇實體圖.............................................60
圖4-4 實驗設備裝置圖.........................................61
圖4-5 實驗設備測試主體........................................62
圖4-6 典型之風扇性能曲線圖...................................63
圖4-7 風扇之流量-靜壓關係圖.................................70
圖4-8 風扇之流量-效能關係圖.................................70
圖4-9 風扇之流量-轉速關係比較圖.............................71
圖4-10 風扇流量-靜壓關係比較圖..............................71
圖4-11 風扇之流量-效率關係比較圖............................72
表 目 錄
表1-1 扇葉之設計參數.........................................10
表3-1 數值流場規格與總格點數表...............................30
表4-1 風扇於不同轉速下之性能比較表...........................69
表4-2 不同風扇之性能比較表...................................69
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