1、CFD用於開發高性能軸流風機的優勢 Benefits of CFD to Developing High Performance Axial Flow Fans 劉思賢 Liu Szu-Hsien 協禧電機 ADDA corporation,Realize innovation.,Restricted Siemens AG 2017,.,協禧電機(ADDA)風扇產品應用,高性能軸流扇 8038 / 14038 計算結果,流機設計流程,8038 / 14038 流場特徵分析,Outline,流場特徵與噪音關聯性 - 14038 樣品探討,結論,.,協禧電機(ADDA)風扇產品應用,高性能軸流扇
2、8038 / 14038 計算結果,流機設計流程,8038 / 14038 流場特徵分析,Topic,流場特徵與噪音關聯性 - 14038 樣品探討,結論,協禧電機(ADDA)風扇產品應用,討論標的-高性能雲端散熱軸流扇,14038 軸流扇尺寸：L140 mm x W140 mm x H38 mm,8038 軸流扇尺寸：L80 mm x W80 mm x H38 mm,Internet / Telecom / Communication / Intelligent power System Storage / Data center,.,協禧電機(ADDA)風扇產品應用,高性能軸流扇 8038
3、 / 14038 計算結果,流機設計流程,8038 / 14038 流場特徵分析,Topic,流場特徵與噪音關聯性 - 14038 樣品探討,結論,流場分析的重要性 - 理論分析+經驗估算 / CFD模擬(STAR-CCM+),A. 計算結果轉為實體設計與檢測項目,註1：BPF(Blade passing frequency，葉片通過頻率)；Harmonic frequency(諧振頻),B. 計算流場特徵與聲噪關聯性 透過CFD模擬結果，針對特定位置擷取流場特徵，找出流場可能誘發的噪聲源，建立流場與噪音的關聯性；反饋葉形設計，重新參數調整，進行優化設計，實現低噪設計目標。,CFD用於流機設計
4、流程,同業與ADDA流機設計流程類似，均使用STRA-CCM+分析風扇流場特徵。 聲噪預測：ADDA採用CFD模擬流場，透過擷取流場特徵，分析噪音源生成原因，建立與聲噪的關聯性，反饋葉形設計，進而抑制噪聲源的生成；同業藉由模擬聲噪軟體計算風扇聲場，找出降噪對策。,ADDA 流機設計流程,同業流機設計流程,Design of Rotor Blades and Guide Vanes Using Inverse Method (Non-viscous),(a) Meridional Geometry,沿弳向切線入流(V)角度變化 與rVt* 分佈,(e) rVt* comparison,(b) F
5、low angles,.,協禧電機(ADDA)風扇產品應用,高性能軸流扇 8038 / 14038 計算結果,流機設計流程,8038 / 14038 流場特徵分析,Topic,流場特徵與噪音關聯性 - 14038 樣品探討,結論,專案成效：高性能 軸流扇 8038 / 14038,透過CFD開發流程所設計的風扇樣品，其相關特性均能達到設計規格。,註：1 CFM = 1 ft3 / min，1 mmAq = 9.80665 Pa,8038 / 14038 單體特性曲線,共用流機設計,Design Parameters and Architectures,(a) Nomenclatures Ps
6、: Static pressurePt : Total pressurePg : Gauge pressurePmax : Max. static pressurePs : Ps,outlet Pt,inlet Q : Flow rateQmax : Max. flow rate : Angular velocityr : Radius : TorquePower = st : Efficiency = (PsQ) / () rVt* = rVt / (RrefUref)Vt : Mass averaged tangential velocityRref : Reference radiusU
7、ref : Reference velocity L : Height of vanet : Thickness of vane,(d) Simulated conditions,(c) Blade loadingparameters,(e) Fan Assemblies,8038 Assembly,14038 Assembly,(b) Design Spec.,Modeling Computational Domain,Independent testing against adequate grids,(a) Domain composition (rotating and station
8、ary),(b) Grid Distribution (polyhedral type),(d) Boundary Condition,(c) Modeling Flow : 3D incompressible, viscous flow Turbulent model : SST (k-) turbulence model Rotating : Multi Reference Frame (MRF),Simulation Results: 8038 and 14038,最大流量和最大靜壓達到設計規格。 計算扇葉的負載轉矩，對應馬達輸出轉矩，反饋馬達定子設計。 預估扇葉的升力轉為軸承負荷和彈簧
9、勁度設計。,.,協禧電機(ADDA)風扇產品應用,高性能軸流扇 8038 / 14038 計算結果,流機設計流程,8038 / 14038 流場特徵分析,Topic,流場特徵與噪音關聯性 - 14038 樣品探討,結論,8038最大流量下流場特徵,圖(a)和圖(e)觀察在動葉壓力面，翼型前緣分離流發生，形成迴流；動葉吸力面的流場平順。圖(b)和圖(c)動葉區顯示動葉曲流場平順，無迴流產生。圖(d)和圖(i)，翼尖附近產生三維紊亂的螺旋狀渦漩結構，流體無法繼續沿著著葉片流動，依附著原葉片外型產生接觸現象。圖(f)到圖(h)和圖(j)靜葉吸力面則是流場平順；靜葉壓力面從翼型前緣發生分離流，形成迴流
10、和渦旋結構。,8038最大流量下壓力分佈,圖(a)到圖(d) 顯示動葉吸力面的靜壓分佈明顯低於動葉壓力面；動葉翼前緣呈現壓力較高，表示該處為流體停滯點，流速速較低；靜葉吸力面的靜壓分佈明顯大於壓力面。動葉氣隙區呈現低壓區域。 圖(e)到圖(h)顯示動葉吸力面的總壓分佈明顯低於動葉壓力面，動葉翼前緣呈現壓力較高，表示該處為流體停滯點，流速速較低；靜葉吸力面的總壓分佈明顯大於靜葉壓力面。動葉吸力面前緣處，呈現較低的總壓區域；靜葉壓力面呈現較低的總壓區域；動葉氣隙形成低總壓區域，表示該處形成分離流現象，有迴流、渦漩結構生成。 總壓包含流體動能和靜壓，當總壓呈現低壓區域，表示該處有分離流現象發生。總壓
11、分佈比靜壓分佈更容易觀察到流場分離現象。上游入口形成正向壓力梯度，驅動流體往往下游流動。,(f),(g),(h),Flow separation,8038最大靜壓下流場特徵,圖(a)和圖(c)產生紊亂流場結構，觀察在動葉吸力面，翼型前緣/後緣有分離流發生，形成迴流結構；圖(f)的動葉壓力面/吸力面前緣有分離流生成。圖(d)翼尖附近產生三維紊亂的螺旋狀渦漩結構，流體無法繼續沿著著葉片流動，依附著原葉片外型產生接觸現象。 圖(e)到圖(g) 靜葉吸力力面從翼型前緣發生分離流，形成迴流結構，圖(f)和圖(h)發生分離流脫離靜葉吸力面。靜葉壓力面的流場相較吸力面平順。 上游入口流場流道中間和動葉吸力面
12、均有迴流結構阻塞流體流入，下游出口流道和靜葉吸力面有迴流阻擋流體，主要受下游出口處的高背壓影響；動葉持續旋轉驅動流體，使得動靜葉間流場自成一格，使得淨流量為零。,8038最大靜壓下壓力分佈,圖(a)到圖(c) 顯示動葉吸力面的靜壓分佈明顯低於動葉壓力面；靜葉吸力面的靜壓分佈明顯小於壓力面。下游處靜壓明顯高於上游入口處。 圖(e)到圖(g)顯示動葉吸力面的總壓分佈明顯低於動葉壓力面；靜葉吸力面的總壓分佈明顯大於靜葉壓力面。動葉吸力面前緣處，呈現較低的總壓區域；與靜葉吸力面呈現較低的總壓區，表示該處形成分離流現象，有渦漩結構生成。 當總壓呈現低壓區域，表示該處有分離流現象發生。下游處形成逆壓梯度，
13、產生流場回堵， 扇葉持續旋轉驅動流體，使得淨流量為零。,(f),(g),(h),14038最大流量下流場特徵,圖(a)和圖(c)動葉區均顯示流場平順，無迴流結構產生。圖(d)和圖(h)，翼尖附近產生三維紊亂的螺旋狀渦漩結構，流體無法繼續沿著著葉片流動，依附著原葉片外型產生接觸現象。圖(e)到圖(h)靜葉吸力面則是流場平順；靜葉壓力面從翼型前緣發生分離流，形成迴流和渦旋結構。,14038最大流量下壓力分佈,圖(a)到圖(d)顯示動葉吸力面的靜壓分佈明顯低於動葉壓力面；靜葉吸力面的靜壓分佈明顯大於壓力面。動葉翼前緣呈現壓力較高，表示該處為流體停滯點，流速速較低。動葉氣隙區呈現低壓區域。 圖(e)到
14、圖(h)顯示動葉吸力面的總壓分佈明顯低於動葉壓力面，動葉翼前緣呈現壓力較高，表示該處為流體停滯點，流速速較低；靜葉吸力面的總壓分佈明顯大於靜葉壓力面。動葉吸力面前緣處，呈現較低的總壓區域；靜葉壓力面呈現較低的總壓區域；動葉氣隙形成低總壓區域，表示該處形成分離流，有迴流、渦漩結構生成。 當總壓呈現低壓區域，表示該處有分離流現象發生。上游入口形成正向壓力梯度，驅動流體往下游流動。,Flow separation,14038最大靜壓下流場特徵,圖(a)和圖(c)產生紊亂流場結構，觀察在動葉吸力面，翼型前緣/中間/後緣有分離流發生，形成迴流渦漩結構；圖(f)的動葉壓力面受到相鄰翼尾緣脫離的分離流衝擊。
15、圖(d)翼尖附近產生三維紊亂的螺旋狀渦漩結構，流體無法繼續沿著著葉片流動，依附著原葉片外型產生接觸現象。 圖(e)到圖(g)靜葉吸力力面從翼型前緣發生分離流，形成迴流結構，圖(g)和圖(h)發生分離流脫離靜葉吸力面。靜葉壓力面的流場相較吸力面平順。 入口流場流道中間和動葉吸力面均有迴流結構阻塞流體流入，出口流道和靜葉吸力面有迴流阻擋流體，主要受下游出口處的高背壓影響，動葉持續旋轉驅動流體，使得動靜葉間流場自成一格，讓流量為零。,14038最大靜壓下壓力分佈,圖(a)到圖(d)顯示動葉吸力面的靜壓分佈明顯低於動葉壓力面；靜葉吸力面的靜壓分佈明顯大於壓力面。動葉翼壓力面前緣處呈現壓力較高，表示該處
16、為流體停滯點，流速速較低。動葉氣隙區呈現低壓區域。下游處靜壓明顯高於上游入口處。 圖(e)到圖(h)顯示動葉吸力面的總壓分佈明顯低於動葉壓力面，動葉翼前緣呈現壓力較高，表示該處為流體停滯點，流速速較低；靜葉吸力面的總壓分佈明顯大於靜葉壓力面。動葉吸力面前緣處，呈現較低的總壓區域；靜葉壓力面呈現較低的總壓區域；動葉氣隙形成低總壓區域，表示該處形成分離流，有迴流、渦漩結構生成。 當總壓呈現低壓區域，表示該處有分離流現象發生。下游處形成逆壓梯度，產生流場回堵，扇葉持續旋轉驅動流體，使得淨流量為零。,.,協禧電機(ADDA)風扇產品應用,高性能軸流扇 8038 / 14038 計算結果,流機設計流程,
17、8038 / 14038 流場特徵分析,Topic,流場特徵與噪音關聯性 - 14038 樣品探討,結論,14038樣品的葉片入流角度變化,當blade angle趨近於flow angle，或incidence angle變化較小，使得動葉翼前緣不易生成分離流，寬頻噪音也會降低。W5-1 CFD的 incidence angle變化比較W3-1小。,14038樣品最大流量下流場特徵,圖(a)到圖(c)與圖(e)到圖(g)動葉區均顯示流場平順，無渦漩結構產生。靜葉吸力面則是流場平順；靜葉壓力面從翼型前緣發生分離流，形成渦旋結構。 圖(d)和圖(h)顯示在翼尖氣隙成產生三維紊亂的螺旋狀渦旋結構；
18、因氣隙間距，流體無法繼續依附著葉片流動，故流體沿著原本流場結構流動，形成接觸現象。靜葉吸力面則是流場平順；靜葉壓力面從翼型前緣發生分離流，形成渦旋結構。 圖(b)靜葉壓力面的分離流緊貼附葉尾緣，不易脫離容易堵塞流道。(f)靜葉壓力面分離流不貼附葉片表面，容易脫離，不易堵塞。圖(c)靜葉壓力面的分離流緊貼附葉片表面，而且發生位置提前到葉前緣，更容易堵塞流道。圖(g)靜葉壓力面分離流不貼附葉片表面，發生位置延後，更容易脫離葉片表面。樣品W5-1的分離流少於樣品W3-1。,14038樣品最大流量下靜壓分佈,圖(a)到圖(c)與圖(e)到(g) 顯示動葉吸力面的靜壓分佈明顯低於動葉壓力面；靜葉吸力面的
19、靜壓分佈明顯大於壓力面。動葉翼前緣呈現壓力較高，表示該處為流體停滯點，流速速較低。 圖(d)和圖(h)顯示在氣隙間流場呈現有螺旋狀渦旋結構，該處靜壓呈現低壓區。 圖(b)靜葉壓力分佈比。圖(f)變化較大；圖(c)靜葉壓力分佈比圖(g)變化較大，與流場特徵相呼應。 樣品W3-1的動靜葉間靜壓變化相較於樣品W5-1劇烈。,14038樣品最大流量下總壓分佈,圖(a)到圖(c)與圖(e)到(g) 顯示動葉吸力面的總壓分佈明顯低於動葉壓力面；靜葉吸力面的總壓分佈明顯大於壓力面。動葉翼前緣呈現壓力較高，表示該處為流體停滯點，流速速較低。靜葉吸力面的總壓分佈明顯大於靜葉壓力面。 靜葉壓力面呈現較低的總壓區，
20、表示該處有渦漩結構生成。 圖(d)和圖(h)顯示在氣隙間流場呈現有螺旋狀渦旋結構，該處靜壓呈現低壓區。 圖(b)靜葉壓力面的壓力分佈比圖(f)變化較大；圖(c)靜葉壓力面的壓力分佈比圖(g)變化較大，與流場特徵相呼應。 樣品W3-1的動靜葉間總壓變化相較於樣品W5-1劇烈。,14038樣品的聲噪頻譜比對,W5-1的離散噪音BPF及其諧振頻(3x、4x、5x、7x)噪音值比W3-1低。 從定性觀察，W5-1寬頻噪音包絡線(Broadband)比W3-1低。 W5-1的噪音總值71.5 dB(A)比W3-1的73.8 dB(A)低。,D. 14038樣品的性能和噪音比對,C. 噪音頻譜 (Nois
21、e spectrum),流場特徵與聲噪關聯的討論,流場特徵與噪音關聯 動靜葉軸向間隙和交互影響動靜葉的流場，產生離散噪音源。 徑向氣隙間距、葉片表面分離流、葉尖洩漏和渦流、脫離渦流和壓力變化等，產生寬頻噪音源。 透過縝密流場分析手法，對應誘發的噪音源，建立兩者的關聯性，從類比關係建構降噪對策，反饋葉形設計。 有效減少分離流發生和降低壓力變化，能助於降低噪音。,.,協禧電機(ADDA)風扇產品應用,高性能軸流扇 8038 / 14038 計算結果,流機設計流程,流場特徵分析 - 8038 / 14038,Topic,流場特徵與噪音關聯性 - 14038 樣品探討,結論,結論,實例成效 由本文所討
22、論結果，能夠建立有效流機設計與分析流程；同業也使用類似方法。 從個案討論，建立流場特徵與聲噪關聯性，反饋葉形設計，能夠減少噪音源生成。 減少分離流發生和降低壓力變化，建構降噪對策。設計重點：外框和葉瑴幾何外型、動靜葉間距影響靜壓的比例。 CFD計算扇葉的轉矩負載，可轉為馬達輸出轉矩，用於定子構型設計。 CFD預測的扇葉升力，可轉機構設計，用於軸承負荷選用與彈簧勁度設計。軟體效益 現行所使用CFD(STAR-CCM+)能正確預測氣動力、功耗、紊流現象、風扇PQ性能。 伴隨使用多核心平行運算模組，可加速計算速度，能縮短1/3開發時程，並樽節樣品開發成本。未來規劃 流機設計流程將導入計算聲噪模組，鏈
23、結超算資源進行模擬複雜聲場的計算，剖析聲壓源的生成(dipole source)、流體動能消漲、紊流強度，渦流結構等現象，這些現象將歸納流噪的關聯性，作為減噪對策。 結合功能強大的優化模組，加入適當的約束條件，進行葉形優化，藉此獲得高性能、低功耗、高效率的風扇葉形。 CFD耦合模擬其他物理現象，如熱源散熱或結構振動；模擬馬達定子的熱源，找出有效冷卻對策，提高運轉效率與降低功耗；流固耦合模擬，對治動靜葉氣動力誘發的結構振動。,Thanks for your attention.,Contact Page,Liu Szu-Hsien Director ADDA Corporation / Head Office / Chairman Office 80247,35F, No.38, Singuang Road,Ling Ya District Kaohsiung City Phone: +886-7-269-5166 # 601 Fax: +886-7-269-5366 E-mail: .tw,.tw,
