④四线风扇：比三线风扇多出一条PWM控制线，PWM控制线通过输出占空比的方式较为精确的控制转速

图1.3 风扇线性定义（两线、三线、四线）

1.3 吹抽风模式

①吹风：

优点：风扇出风附近气流主要为紊流，局部换热强烈，宜用于发热器件比较集中的情况；吹风时机柜内部为正压，可以防止缝隙中的灰尘进入机柜；风扇不会受到系统散热量的影响，风扇寿命较长；

缺点：吹风具有方向性，送风量不均匀；风扇HUB附近有部分回流和低速区，换热较差；

②抽风：

优点：送风均匀，气体均匀流过发热体表面，适用于发热器件比较均匀，风道复杂的情况；

缺点：机柜内部为负压，灰尘容易进入机箱；风机将在出风口高温气流下工作，寿命较短；

图1.4 风扇吹抽风模式（吹风VS抽风）

1.4轴承类型

①含油轴承：成本低，噪音低，耐受冲击和振动的性能更强，寿命较短；

②滚珠轴承：成本高、噪声大、复杂度更高，耐冲击能力不及滑动轴承，寿命较长。

图1.5 风扇轴承类型（含油轴承VS滚珠轴承）

1.5 风扇的基础用语

①风量&静压

PQ曲线中：压力导致的损耗（静压）为0时的情况称为最大风量Qmax，即曲线与横坐标交点处值；压力损耗（静压）最大时称为最大静压Pmax，即曲线与纵坐标交点处值；

风扇入口与出口两端压力差与当时状态下流量Q的对应值为PQ值，即曲线上的各点的值（P，Q），组成风扇特性曲线；

图1.6 风扇风量&静压

1.6.风扇的动作点

系统阻抗曲线（红色）与风扇特性曲线（黄色）的交点为风扇的动作点，根据不同的系统阻抗，动作风量也会发生相应的变化。

轴流风机应尽量工作在PQ曲线的后1/3区域，离心风机应尽量工作在PQ曲线的前1/3区域。同时应避免风机工作点落在风机的不稳定区（失速区），此区域工作状态变得不稳定，振动值，噪音值上升。

图1.7 风扇动作点

1.7.风扇的CAE仿真

如果有如下图所示的散热器和风扇结构，散热器直接安装在散热器背面：

则在Simcenter STAR-CCM+中需要定义出以下Regions和相关边界，其中外围的淡蓝色为空气域，橙色为散热器域，灰色为风扇域：

CAD

为了获取这些Regions，建议从Simcenter STAR-CCM+中的3D-CAD层级将车辆的CAD导入。也可以从外部导入，通过类似STAR-NX的CAD Clients连接，或直接在Simcenter STAR-CCM+ 3D-CAD中创建几何，然后转换到Parts层级。本文所用的几何均在3D-CAD中创建，然后转到Parts层级。

Regions

下一步将Parts转到Regions层级。几何中的每对重合边界都需要设置为Simcenter STAR-CCM+中的Interface。通常在将Parts转为Regions时会自动设置Interface，如果没有自动设置，则可以按住Ctrl键在Regions-Boundaries中选择两个边界面，右键-Create interface。散热器罩和风扇罩为壁面，应设置为Baffle interface，风扇用面代替，设置为Fan interface，其他所有重合面均设置为Internal interface。将散热器设置为多孔介质区域（单击该Region，转到“属性”窗口并将类型设置为“Porous”）。

多孔介质设置数据来源

首先，打开表格“rad_resistance_term_calculations”（可从文末的链接下载）。输入压降和速度值，这些值需要通过风洞或其他测试方法获得，表格中已输入了计算阻力项的公式，输入压降和速度即可得到对应的阻力值。如果没有这些值且无法获得，表格中还给出了用于汽车、卡车和摩托车的典型值范围。本表中使用的数值与某高校FSAE团队测试的压降和速度值非常吻合。

测试装置

测试团队在低速1'（1英尺）直径的风洞中，以2018年散热器作为试验对象，测量上游和下游压力。以下为测试现场图片：

测试数据

·试验段动压：V=6.05米/秒

·上游和下游总压差：ΔP=P0,1-P0,2=270.24帕

·散热器芯厚度：T=1.8英寸=0.0457米

用下式计算得到沿流动方向（X方向，垂直于散热器）的粘性阻力：

其他两个方向的粘性阻力均设置为1000000 kg/m^3-s，模拟散热器将气流限制在X方向的真实情况。

请注意，不同于用一组P-V值拟合曲线的做法，这里演示了如果仅知道速度和压降的单个数据点，如何得到阻力项的方法。

验证阻力数据

将求得的阻力数据应用于验证案例，使用卡车试验测量30mph下的质量流量，并将其与相同设置的Simcenter STAR-CCM+模拟结果进行比较

输入惯性阻力项和粘性阻力项模拟得到的质量流量为0.422kg/s，而实验测量的质量流量为0.4433kg/s（误差为4.8%）。关于这个测试、实验的更多信息，请参阅所附的Cal Poly，San Luis Obispo FSAE的文档， 文末链接可以下载。

设置阻力项

到此为止，已经计算了阻力项并对其进行了验证，输入到Simcenter STAR-CCM+中。转到Radiatorregion，展开Physics values, 将其设置为散热器的局部坐标系。展开Porous inertial resistance > Principaltensor，确保XX和YY的坐标系设置为相同的局部坐标系。

要检查XX和YY的方向，可以打开一个Scene，然后单击散热器的局部坐标系（Tools > Coordinatesystems > Laboratory > Local coordinate systems），在Scene中会显示出该坐标系，可以观察坐标系是否正确。粘性阻力节点的设置方法相

同。

风扇设置

首先得到所用风扇的性能曲线，通常风扇制造商可以提供。本例使用的是VA22-AP11-/C-50A。原始数据的量纲是m^3/hr和mmh20，将其转换为m^3/s和Pa，与Simcenter STAR-CCM+默认的量纲保持一致。

复制m^3/s和Pa两列到Excel表中，在每列顶部的单元格中添加标题（“Vol”和“P”），并将该表另存为一个新的.csv文件。然后导入Simcenter STAR-CCM+的.sim文件，Tools> Table > New table > File table 。

将此表格输入到风扇的Interface设置中。进入Interface，展开Fan interface > Physics values > Fan curve table，单击Fan curve table子节点，在属性窗口中，将Table设置为刚导入的表格，其余各项按照下图设置：

其中Operating rotation rate是计算中所用的风扇转速，Data rotation rate是测量性能曲线时的风扇转速。

需要注意，Fan interface的方向非常重要，运行之前要检查Interface的方向是否正确。如果原始的输入顺序被颠倒了，则计算后高压侧和低压侧会被翻转，从而导致风扇气流向后（回到风道中）。Interface属性界面中，默认Boundary-0是上游边界，Boundary-1是下游边界。如果方向错误，右键单击Interface，选择Reverse Orientation，即可纠正。

网格和湍流模型

如果使用Trimmed网格，则需要勾选Per-part meshing（在“Automated mesh”节点的属性窗口）。设置一个Surface control，取消不需要的棱柱层网格（没有边界层的地方，如散热器的入口和出口），减少网格数。

生成的网格如下

用Volumetric control细化风道百叶窗所在的面和棱柱层（本文后面将用到这些）：

连续体设置

All y+ wall treatment

Constant density

Exact wall disctance

Gas

Gradients

K-Omega Turbulence

RANS

Segregated flow

SST (Menter) K-Omega

Steady

Turbulent

初始测试不包括任何尾翼（为了减少网格），并且不进行网格验证。之后将添加尾翼，并使用更精细的网格。每个计算文件的网格总数约为480000。大多数网格细化集中在风道、散热器和风扇表面及其附近。

在本研究的第一部分，即本文所述部分，测试了风道、护罩、风扇的几种形式及其组合，如下表所示：

将上述9个因素进行组合，形成8个设计方案进行计算分析，如下图所示。为表述方便，自上到下分别称为方案1-方案8。其中IRCA表示风道的入口面积与散热器芯面积之比。

方案1 IRCA=44.5 + 无散热器罩+ 短风扇罩

方案2 IRCA=44.5 + 带散热器罩+ 短风扇罩

方案3 IRCA=44.5 + 带散热器罩+ 长风扇罩

方案4 IRCA=44.5 + 带散热器罩+ 无风扇

方案5 IRCA=100(仅散热器后方有风道) + 无风扇罩

方案6 IRCA=44.5+ 无散热器罩+ 无风扇罩

方案7 IRCA=44.5 + 带散热器罩+ 无风扇罩

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