風扇葉的設計

风量：
　　风量是风扇最重要的两项性能指标之一。
　　风量即单位时间内通过风扇出风口（或进风口）截面的空气体积，单位一般为cfm，即立方英尺每分-cubic feet per minute，或cmm，即立方米每分- cubic metres per minute。风量是风扇性能的整体衡量指标，不受到尺寸、结构、方式的限制，也不限于直流无刷风扇，可适用于任何空气导流设备。
　　风量＝平均风速 x 过风面积。可见，风扇风量的大小基本取决于风速的高低与过风面积的大小。过风面积相同，风速越高，风量越大；风速相同，过风面积越大，风量越大

风压：
　　风压是风扇最重要的两项性能指标之一。
　　风压即风扇能够令出风口与入风口间产生的压强差，单位一般为mm（cm） water column，即毫米（厘米）水柱（类似于衡量大气压的毫米汞柱，但由于压强差较小，一般以水柱为单位）。风压是衡量风扇“强劲”程度的重要指标，如果将风量比作一把武器的挥击力量，那么风压就是这把武器的锋利程度。
　　风压主要取决于扇叶的形状、面积、高度以及转速，前三者的影响较为复杂，于转速的关系则简单直接——转速越快，风压越大。

风扇产品所说明的风量与风压均为理想状态下的最大值，即风扇入风口与出风口之间无压强差状态下的风量（最大风量），以及风扇向密闭气室内吹风，直至风量为零状态下气室与外界气压的差值（最大静压）。它们并非两个孤立的性能指标，而是互相制约着，之间的关系就是流体力学中典型的流速与压强间的关系——风量随着压强差的增大而减小，两者互相制约的程度则取决于扇叶形状与整体结构设计。

转速：
　　转速是风扇各项性能指标的根本决定因素之一。
　　转速即风扇扇叶在单位时间内旋转的周数，单位一般为rpm，即rounds per minute-转每分。转速是风扇最容易测量的参数，高转速是各种“暴力”风扇力量的源泉，也是大噪音的根源。
　　转速基本上取决于风扇采用的电机性能。
　　只要确定了风扇的物理规格、结构，各种性能就全部由转速决定。转速可以影响到风速、风量、风压、噪音、功率，甚至使用寿命。转速越高，风扇性能越强，即风速越快，风量越大，风压越大；同时，转速高，摩擦、振动就多、噪音就大，轴承等损耗设备的寿命就短；转速提高，电机消耗功率增大也是必然结果。

噪音：
　　噪音是各种设备越来越受到关注的指标。
　　噪音即风扇工作过程中产生的“非乐音”声响。目前较为通行的测量标准为计权声级测量，通常采用A声级计权，常用单位：分贝（A）或dBA。
　　A声级计权模拟人耳的听声规律，能够较好地反映人耳对噪声的强度与频率的主观感觉，据此制作电计算曲线计权网络，具有以下优点：
　　1.使用单一的评价参数，方便；
　　2.该曲线能较好地模拟人耳的听声特点；
　　3.将主观因素与客观物理量恰当结合起来，可用于比较不同场合的噪声；
　　4.可以用于做为噪声的评价标准。
　　噪音的强度主要有声强与声压两种衡量方式，声强（声功率）是测量物体单位时间内发出的声音总能量，声压是测量人耳收到的噪音压强值，通常采用对数形式表示，是一种“相对级别”，故将测量仪器称为声级计。原理公式如下：
　　声强级数：SIL＝log(I/I0)（Bel/贝尔）＝10 x log(I/ I0)（dB/分贝）；
　　其中I为测量声强，I0＝10^(-12) W/m^2为最小可闻声强。
　　声压级数：L＝log(p^2/p0^2)（Bel/贝尔）＝10 x log(p^2/p0^2)（dB/分贝）；
　　其中p为测量声压，p0为最小可闻声压，单位：N/m^2。
　　由上式可见，0dB是人耳听力的阈值。120-130dB是一般人能承受的最大声音。一般人能够分辨的最小声音变化是3dB的声压或1.5dB的声强。3dB的声强增量相当于测得的声强加倍。而5dB的声强增量才使人听到的声音响度加倍。6dB增量相当于测得的声压加倍，而10dB的声压增量才使人听到声音响度加倍。
　　一些典型环境噪音声级（声压）如下：  
　　安静的图书馆或耳语时约为30dB；
　　一般家庭约为40dB；
　　正常谈话约为60dB；
　　商用卡车或火车约为90dB；
　　喷气式飞机或起飞的火箭约为120dB；
  
　　虽然喷气式飞机的dB值看来只是安静的图书馆的4倍，但由于采用了对数表示法，实际差距远不止于此。根据上文公式略加计算可知，两者测量声压的比值为p1/p2＝10^(120/20)/10^(30/20)＝10^6/10^1.5＝10^4.5≈31622.78，即喷气式飞机的噪音对人耳造成的声压是安静图书馆中的31622.78倍！
　　噪音是风扇除性能之外，影响“适用性”的重要参数。长时间处于高声级噪音环境绝对是对人身体与精神的摧残！

风冷散热器的工作噪音主要有三个来源：轴承的摩擦与振动、扇叶的振动、风噪。
  
　　1.轴承的摩擦与振动：不但产生噪音，而且影响性能，缩短器件寿命，降低能源利用效率，是产品设计中尽量解决的关键技术问题。
  
　　2.扇叶的振动：一般采用塑料制作的风扇扇叶具有一定的韧性，可以承受一定程度的物理形变，同样也会在推动空气过程中因受力发生振动，但幅度一般较小。另一种较为严重的振动则是由于扇叶质量分布不均，质心与旋转轴心存在偏心距所致。当扇叶面积（质量）或偏心距较大的情况下，可能会带动风扇甚至散热器整体发生振动，进而波及整个机箱。如果发生此类现象，则应怀疑风扇品质与工作状态。
  
　　3.风噪：流动的空气之间互相冲扰，与周围物体发生摩擦，叶片对气流的分离作用，周期性送风的脉动力等，都会产生噪音。空气流速越快，湍流越多，往往风噪也越大，而且会随着风速的提高呈加速度增大。普通的轴流风扇会在扇叶与外框间的空隙处产生反激气流，产生较大风噪的同时，更会对风量造成不利影响，也正因此出现了折缘、侧进风等改良设计。
  
　　噪音的主要影响就体现在使用者的身心健康与安全之上，而与噪音相伴的振动则可能导致芯片磨损、接口松动、盘片划伤等危及使用的现象。
  
　　选择风扇时，应当关注风扇的工作噪音，要求自然是越小越好。但厂家在产品参数中所提供的噪音数据，往往与实际使用中的效果存在一定差距，不可直接以之为准，这主要是由于工业标准测试方法与实际使用环境存在差别所致。
根据经验：
  
　　标称噪音低于27dBA的风扇，均可归入静音之列；标称噪音27～33dBA的风扇，勉强可算“安静”，但无法忽视其存在；标称噪音33～40dBA的风扇，单独工作已经令人感到嘈吵，配合散热片后更甚；标称噪音在40dBA之上的风扇，一般为强劲的“暴力”扇，本身工作噪音已不容小觑，搭配散热片后长期使用绝对是对人耳忍耐限度的挑战。

扇叶：
　　常见的风扇扇叶截面曲线，一般基于Joukowski（茹科夫斯基，俄国著名的空气动力学家，当代航空科学的开拓者，提出了茹科夫斯基函数，奠定了机翼空气动力计算的理论基础）机翼截面曲线设计，再按照设计需要，根据叶片根部及端部与旋转轴之夹角、根部及端部宽度等数据进行旋转堆叠，形成三维扇叶曲面，并进行曲线拟合，最终完成整个扇叶模型设计。
　　扇叶的性能受到众多参数的影响，如层叠高度、叶片曲率、叶片倾角、叶片间距、叶片厚度、叶片数目、叶片冲角、叶端间隙、叶片宽度、主轴直径等等，且各参数间互相制约，关系复杂。不断的调整各项参数，寻找最适合目标工作要求的组合，便是进行扇叶设计的研究人员所从事的工作。若要将这些参数全部解释清楚并加以分析，足以写出几篇博士论文了，但本文只是浅要分析风冷散热器的相关技术，实无此必要，笔者也尚无此能力-_-。因此，仅将几个用户较为关注的参数略加介绍：
　　叶片曲率：在一定范围内，叶片曲率越大，相同转速下，气体动能也就越大，即风量与风压越大；同时，叶片所受的阻力也越大，要求电机的扭力更大。当弧高/弦长的比值超过0.1时，升力系数便不再呈线性增加，故“一定范围”即0.05<弧高/弦长<0.1。
　　叶片倾角：倾角越大，叶片上下表面间压力差越大，相同转速下风压越大；但上表面压力过大，可能产生回流现象，反而降低风扇性能。因此，叶片倾角也应在一定限度内提升。
　　叶片间距：叶片间的距离过小，会导致气流扰动，增加叶片表面的摩擦，降低风扇效率；叶片间的距离过大，则会导致压力损失增大，风压不足。
　　叶片数目：各种规格风扇叶片的截面曲线、倾角等基本相若，每片叶片宽度往往取决于扇叶的高度。为了保证叶片间距不致过大，影响风压，径高比较小（即相对较薄）的风扇多采用增加叶片数目的方法弥补。不论叶片数目是多是少，轴流风扇的叶片数目却往往是3、7、11等奇数，这是由于若采用偶数片形状对称的扇叶，又没有调整好平衡，很容易使系统发生共振，倘叶片材质又无法抵抗振动产生的疲劳，将会使叶片或心轴发生断裂，因此多设计为关于轴心不对称的奇数片扇叶设计。这一原则普遍应用于包括部分直升机螺旋桨在内的各种扇叶设计中。
　　叶端间隙：如何调整扇叶与外框之间所存在的间隙是风扇设计中的一大难题。间隙过小会令此间气流与叶片、外框发生摩擦，增大噪音；增大间隙则会由于反激气流等影响耳降低风扇效率——间隙增大1％，则全压功率下降约2％。
　　叶片弧度：扇叶除了在截面上具有一定曲率外，在俯视平面内也并非沿着径向笔直延伸，而是向着旋转方向略有弯曲，呈一定弧度。如果叶片沿径向笔直延伸，风扇旋转所带动的气流在出风口一侧将呈散射状，送风距离短，且“力量”不集中；如现行产品版略带弧度，则可保证吹出气流集中在出风口正前方的柱状空间内，增加送风距离与风压。
　　主轴直径：由于电机与轴承的存在，轴流风扇主轴所在的中心部分难免一定无气流通过的盲区，主轴直径便决定着此盲区的大小。主轴直径的大小则主要取决于风扇电机的功率——大功率的电机需要更大的定子绕组线圈，必然占用更多的空间，在无法纵向扩展（增加高度）的情况下，便只好横向扩展（增大面积）。
　　叶片光滑度：这是一项非设计因素影响的指标，基本上取决于生产者的模具成形与后期处理工艺。在设计曲线之外，叶片上的不平整会在旋转中产生紊流，增加摩擦，降低风扇效率，折损风扇性能，增大工作噪音。因此，应对叶片表面的光滑度严格控制，如果所购产品处理不佳，则应考率采用手工打磨等后续手段弥补。

涡轮风扇是与轴流风扇并驾齐驱的另一大类空气导流设备：Blower，译为中文即吹风机、送风机。顯然，最開始上邊講到的風扇葉，是這種類型。其工作方式与轴流风扇有较大的不同，反而与水泵较为相似。它的扇叶与旋转面垂直，呈环形排列，空气由轴向进入环形扇叶包围的空间，被扇叶旋转带动的离心效应横向甩出，通过直板状截面同样基于Joukowski机翼截面曲线设计的扇叶时受到推压，沿扇叶旋转方向的切线吹出，在扇叶外围形成一道旋涡状的散射气流，再受到蜗牛壳状外框的导流，从一侧的开口切向吹出。
其优势在于：
　　1.可根据使用需要，大范围的对叶片长度、叶片宽度、叶片数量、出风口形状等进行调整；
　　2.离心式导流，送出气流平顺、集中，湍流少，无盲区；
　　3.叶片数量多，过风面上的总投影面积甚至大于过风面积，利用离心效应，较轴流风扇可提供更大的风压

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