一种服务器用轴流风扇的轮毂型线优化方法及系统与流程

1.本发明涉及服务器技术领域，特别涉及一种服务器用轴流风扇的轮毂型线优化方法。本发明还涉及一种服务器用轴流风扇的轮毂型线优化系统。


背景技术：

2.轴流风扇作为高性能服务器风冷散热系统的主要元器件之一，为不断提高风量以满足电子产品越来越高密度的需求，同时考虑到服务器对于风扇噪声及功耗的限制，研究人员一直在探索有限空间下风扇性能的极限。
3.对于任何旋转风机而言，叶片都是由压力面及吸力面所组成，其中压力面侧静压高于吸力面侧静压，从而达到产生叶片力，驱动气流做功目的。轴流风扇叶片通道内二次流动产生的原因是端壁附面层在轮毂附近发生流动分离，同时形成各种尺寸大小、强度不同的旋涡，从而产生了气动损失。
4.服务器用轴流风扇属于微型轴流风机范畴，其叶片呈现出典型的小展弦比特点，对于这类叶片来说，其固有特性在于二次流损失在整个流动损失当中占比较高，随着其性能逼近极限，叶片负荷不断提升，这使得风扇轮毂附近边界层厚度占据整个流道的比例不断增大，轮毂附近二次流动分离及堵塞现象变得更加突出，影响叶片通流能力，成为抑制风扇风量提升的重要瓶颈。此外，轮毂附近大尺度的流动分离同时也会引起宽频气动噪声和气动损失增加，引起气动效率降低，进而导致功耗增加，严重时还会导致风扇发生失速。
5.目前，在电子散热风扇设计领域，仍然还是采用传统叶片造型优化方法、降低马达尺寸从而增加扇叶通流面积这两种方式来降低二次流损失，但该两种方法对轮毂附近的叶片通道内的二次流动分离及堵塞现象的抑制效果均很有限，二次流动损失仍然较高。
6.因此，如何提高对轮毂附近的叶片通道内的二次流动分离及堵塞现象的抑制效果，降低二次流动损失，同时提高叶片通流能力，降低气动噪声，是本领域技术人员面临的技术问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种服务器用轴流风扇的轮毂型线优化方法，能够提高对轮毂附近的叶片通道内的二次流动分离及堵塞现象的抑制效果，降低二次流动损失，同时提高叶片通流能力，降低气动噪声。本发明的另一目的是提供一种服务器用轴流风扇的轮毂型线优化系统。
8.为解决上述技术问题，本发明提供一种服务器用轴流风扇的轮毂型线优化方法，包括：
9.通过虚拟建模软件对轴流风扇整体进行建模并获得动力学模型；其中，所述动力学模型中的初始轮毂呈圆柱状；
10.根据公式r
θ
＝ro a cosθ对所述初始轮毂的半径在任意相邻两个叶片之间的周向范围内进行修正，并获得修正模型；
11.将所述修正模型的轮毂参数输出，并据此调整实体轴流风扇的轮毂型线；
12.其中，r
θ
为所述修正模型的轮毂半径，ro为所述初始模型的轮毂半径，a为预设初始振幅，为相邻两个叶片之间的节距角，t为常数，且t∈[0,1]，n为常数，且n》0。
[0013]
优选地，在将所述修正模型的轮毂参数输出之前，以及获得修正模型之后，还包括：
[0014]
根据公式rz＝k
zrθ
对所述修正模型的轮毂半径在任意叶片的根部前缘位置至根部后缘位置之间的轴向范围内进行修正，并获得细化模型；
[0015]
其中，rz为所述细化模型的轮毂半径，kz＝sin(cqm)，c为任意叶片的根部轴向弦长，q为常数，且q∈[0,1]，m为常数，且m》0。
[0016]
优选地，在获得所述动力学模型之后，且在对所述初始轮毂的半径进行修正之前，还包括：
[0017]
将所述动力学模型导入到cfd软件中，并对所述动力学模型进行仿真。
[0018]
优选地，还包括：
[0019]
根据公式a＝kro确定预设初始振幅；
[0020]
其中，k为常数，且k∈(0％,5％)。
[0021]
优选地，在获得修正模型之后，且在将所述修正模型的轮毂参数输出之前，还包括：
[0022]
对所述修正模型进行有限元分析，并根据分析结果调整n的取值。
[0023]
优选地，在获得细化模型之后，且在将所述细化模型的轮毂参数输出之前，还包括：
[0024]
对所述细化模型进行有限元分析，并根据分析结果调整m的取值。
[0025]
本发明还提供一种服务器用轴流风扇的轮毂型线优化系统，包括：
[0026]
建模模块，用于通过虚拟建模软件对轴流风扇整体进行建模并获得动力学模型；其中，所述动力学模型中的初始轮毂呈圆柱状。
[0027]
修正模块，用于根据公式r
θ
＝ro a cosθ对所述初始轮毂的半径在任意相邻两个叶片之间的周向范围内进行修正，并获得修正模型；
[0028]
输出模块，用于将所述修正模型的轮毂参数输出，并据此调整实体轴流风扇的轮毂型线；
[0029]
其中，r
θ
为所述修正模型的轮毂半径，ro为所述初始模型的轮毂半径，a为预设初始振幅，为相邻两个叶片之间的节距角，t为常数，且t∈[0,1]，n为常数，且n》0。
[0030]
优选地，还包括：
[0031]
细化模块，用于根据公式rz＝k
zrθ
对所述修正模型的轮毂半径在任意叶片的根部前缘位置至根部后缘位置之间的轴向范围内进行修正，并获得细化模型；
[0032]
其中，rz为所述细化模型的轮毂半径，kz＝sin(cqm)，c为任意叶片的根部轴向弦长，q为常数，且q∈[0,1]，m为常数，且m》0。
[0033]
本发明所提供的服务器用轴流风扇的轮毂型线优化方法，主要包括三个步骤，其
中，在第一步中，首先通过虚拟建模软件对实体的轴流风扇整体进行虚拟建模，并获得动力学模型(如流体力学模型、空气动力学模型等)，其中，该动力学模型中的初始轮毂呈圆柱状。在第二步中，主要内容为在仿真软件中根据公式r
θ
＝ro a cosθ对获得的动力学模型中的初始轮毂的半径进行修正、调整，并获得修正模型，其中，在按照公式修正时，具体修正区域是在任意相邻两个叶片之间的周向范围内，且在修正后可通过仿真运行确定优化效果。在第三步中，将修正模型的轮毂参数进行输出，并根据该轮毂参数对实体轴流风扇的轮毂型线进行对应调整，完成对服务器用轴流风扇的轮毂型线优化。如此，本发明所提供的服务器用轴流风扇的轮毂型线优化方法，由于在对初始轮毂的半径沿周向方向进行修正调整时，相当于在初始轮毂的型线基础上叠加上一个按照余弦曲线变化的半径振幅(即半径修正值)，且叶片的吸力面与压力面之间存在的横向压差是二次流形成的重要原因，而由流体力学理论可知，凸型流线曲率能降低当地静压、增加当地气流速度，凹型流线曲率则能增加当地静压、降低当地气流速度，因此，对轮毂的半径进行修正后，轮毂的型线产生凹凸变化，从而能够降低轮毂附近不平衡的横向压力梯度，从而降低横向压差，抑制二次流强度，进而提高对轮毂附近的叶片通道内的二次流动分离及堵塞现象的抑制效果，降低二次流动损失，同时提高叶片通流能力，降低气动噪声。
附图说明
[0034]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0035]
图1为本发明所提供的一种具体实施方式的方法流程图。
[0036]
图2为本发明所提供的一种具体实施方式的系统模块图。
[0037]
图3为对初始轮毂的半径进行沿周向方向修正的示意图。
[0038]
图4为对常数n的调整结果示意图。
[0039]
图5为对常数m的调整结果示意图。
[0040]
图6为对初始轮毂的型线修正及细化原理示意图。
[0041]
图7为修正后的轮毂流道曲面示意图。
[0042]
图8为修正后的轮毂结构图。
[0043]
图9为图8的另一视角示意图。
[0044]
其中，图2中：
[0045]
建模模块—1，修正模块—2，细化模块—3，输出模块—4。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
请参考图1，本发明所提供的一种具体实施方式的方法流程图。
[0048]
在本发明所提供的一种具体实施方式中，服务器用轴流风扇的轮毂型线优化方法主要包括三个步骤，分别为：
[0049]
s1、通过虚拟建模软件对轴流风扇整体进行建模并获得动力学模型；其中，动力学模型中的初始轮毂呈圆柱状；
[0050]
s2、根据公式r
θ
＝ro a cosθ对初始轮毂的半径在任意相邻两个叶片之间的周向范围内进行修正，并获得修正模型；
[0051]
s3、将修正模型的轮毂参数输出，并据此调整实体轴流风扇的轮毂型线。
[0052]
其中，步骤s1中，首先通过虚拟建模软件对实体的轴流风扇整体进行虚拟建模，并获得动力学模型(如流体力学模型、空气动力学模型等)，其中，该动力学模型中的初始轮毂呈圆柱状。
[0053]
具体的，在本步骤中，可通过各种3d建模软件对轴流风扇整体进行建模，比如cad、pro-e、catia等。
[0054]
在步骤s2中，主要内容为在仿真软件中根据公式r
θ
＝ro a cosθ对第一步中获得的动力学模型中的初始轮毂的半径进行修正、调整，并获得修正模型，其中，在按照公式修正时，具体修正区域是在任意相邻两个叶片之间的周向范围内，且在修正后可通过仿真运行确定优化效果。
[0055]
一般的，在轮毂上沿周向方向均匀设置有多个叶片，每两个相邻的叶片之间的轮毂型线均同时进行修正，从而实现整个轮毂型线的修正。
[0056]
为方便对初始轮毂的半径进行修正、调整，本实施例中，在步骤s1之后，且在步骤s2之前，还包括步骤：
[0057]
s1.5、将动力学模型导入到cfd软件中，并对动力学模型进行仿真。
[0058]
具体的，可通过各类cfd(computational fluid dynamics，计算流体动力学)软件对步骤s1中建立的动力学模型进行流体力学仿真，比如cfx、fluent、phoenics、star-cd、comsol、star-ccm 、flow-3d等。
[0059]
在步骤s3中，将修正模型的轮毂参数进行输出，并根据该轮毂参数对实体轴流风扇的轮毂型线进行对应调整，完成对服务器用轴流风扇的轮毂型线优化。
[0060]
如此，本实施例所提供的服务器用轴流风扇的轮毂型线优化方法，由于在对初始轮毂的半径沿周向方向进行修正调整时，相当于在初始轮毂的型线基础上叠加上一个按照余弦曲线变化的半径振幅(即半径修正值)，且叶片的吸力面与压力面之间存在的横向压差是二次流形成的重要原因，而由流体力学理论可知，凸型流线曲率能降低当地静压、增加当地气流速度，凹型流线曲率则能增加当地静压、降低当地气流速度，因此，对轮毂的半径进行修正后，轮毂的型线产生凹凸变化，从而能够降低轮毂附近不平衡的横向压力梯度，从而降低横向压差，抑制二次流强度，进而提高对轮毂附近的叶片通道内的二次流动分离及堵塞现象的抑制效果，降低二次流动损失，同时提高叶片通流能力，降低气动噪声。
[0061]
其中，r
θ
为修正模型的轮毂半径，ro为初始模型的轮毂半径，a为预设初始振幅，为相邻两个叶片之间的节距角，t为常数，且t∈[0,1]，n为常数，且n》0。
[0062]
由于因此前述公式也可以展开为下列公式：
[0063]
[0064]
如此，随着θ的变化，轮毂的半径也逐渐沿着周向方向进行对应变化，从而在整个轮毂的圆周面上形成周期性凹凸变化，进而实现叶片的压力面侧采取凸型轮毂设计，吸力面侧采取凹型轮毂设计。
[0065]
如图3所示，图3为对初始轮毂的半径进行沿周向方向修正的示意图。
[0066]
在步骤s2中，为确定预设初始振幅，具体可根据公式a＝kro进行计算。其中，k为常数，且k∈(0％,5％)，即预设初始振幅通常为初始轮毂的半径的5％以内，或者说轮毂的圆周面的最大凸出值或最大凹陷值为初始轮毂的半径的5％。一般的，k的具体取值可在步骤s2中对初始轮毂的半径进行修正、调整之后，利用cfd仿真软件对修正模型进行仿真计算之后，根据仿真计算的结果来微调k的取值，直到仿真计算结果达到预期优化目标。
[0067]
另外，考虑到二次流强度沿轮毂流道轴向变化，因此还可以根据轴向位置的不同而调整不同轴向位置的型线最大振幅，即从叶片的根部前缘开始，随着二次流强度的逐渐增加，振幅也从零开始逐渐增加，直到最大值，之后逐渐减小，直到到达叶片的根部尾缘位置，为了与下游流道相匹配，振幅逐渐过度为零。
[0068]
同时，在前述实施例中，轮毂型线通过余弦曲线进行控制，由于余弦曲线本身及一阶导数均具有连续性，因此能够很方便地生成曲率光滑的曲面，由于但三角函数本身具有对称性，其在两只叶片之间中节距的位置时，振幅为零，而实际采用非轴对称端壁对轮毂进行造型控制时，因流场细节不同，所需采用的型线也不尽相同，这种对称式的曲线未必能够满足设计要求。如若采用bezier曲线设计可实现对于曲线造型的任意灵活控制，但是需要的控制点较多，操作起来比较麻烦、费时，不及三角函数简便。
[0069]
如图6、图7、图8、图9所示，图6为对初始轮毂的型线修正及细化原理示意图，图7为修正后的轮毂流道曲面示意图，图8为修正后的轮毂结构图，图9为图8的另一视角示意图。
[0070]
针对此，本实施例提出一种新型轮毂型线设计方法，旨在维持三角函数曲线连续性及导数连续性的前提下，还能够灵活地控制曲线及曲面形态。具体的，本实施例在步骤s2与步骤s3之间增设了步骤：
[0071]
s2.5、根据公式rz＝k
zrθ
对所述修正模型的轮毂半径在任意叶片的根部前缘位置至根部后缘位置之间的轴向范围内进行修正，并获得细化模型。
[0072]
其中，rz为所述细化模型的轮毂半径，kz＝sin(cqm)，c为任意叶片的根部轴向弦长，q为常数，且q∈[0,1]，m为常数，且m》0。
[0073]
参照前述对轮毂型线沿周向方向的修正方法，可设叶片的根部前缘的轴向位置为0，叶片的根部轴向弦长为c，参变量q的取值范围为0～1，则某一轴向位置处的比例系数kz可通过公式z＝cqm、kz＝sin z来确定。
[0074]
如图4所示，图4为对常数n的调整结果示意图。
[0075]
此外，在步骤s2中，为精确确定n的取值，从而精确控制修正模型的轮毂的型线，还可以对修正模型进行有限元分析，并根据分析结果对n的取值进行反馈调整，直至分析结果达到预期目标为止。一般的，以为例，当n＝1时，轮毂的沿周向方向的型线即为传统的余弦曲线；当n》1时，余弦曲线的振幅零点将右移；当n《1时，余弦曲线的振幅零点将左移。
[0076]
如图5所示，图5为对常数m的调整结果示意图。
[0077]
同理，在步骤s2.5中，为精确确定m的取值，从而精确控制细化模型的轮毂的型线，还可以对细化模型进行有限元分析，并根据分析结果对m的取值进行反馈调整，直至分析结
果达到预期目标为止。一般的，当m＝1时，比例系数kz的最大值居中；当m《1时，比例系数kz的最大值左移；当m》1时，比例系数kz的最大值右移。
[0078]
如图2所示，图2为本发明所提供的一种具体实施方式的系统模块图。
[0079]
本实施例还提供一种服务器用轴流风扇的轮毂型线优化系统，主要包括建模模块1、修正模块2、输出模块4。
[0080]
其中，建模模块1主要用于通过虚拟建模软件对轴流风扇整体进行建模并获得动力学模型；其中，动力学模型中的初始轮毂呈圆柱状。
[0081]
修正模块2主要用于根据公式r
θ
＝ro a cosθ对初始轮毂的半径在任意相邻两个叶片之间的周向范围内进行修正，并获得修正模型。
[0082]
输出模块4主要用于修正模型的轮毂参数输出，并据此调整实体轴流风扇的轮毂型线；其中，r
θ
为修正模型的轮毂半径，ro为初始模型的轮毂半径，a为预设初始振幅，为相邻两个叶片之间的节距角，t为常数，且t∈[0,1]，n为常数，且n》0。
[0083]
此外，本实施例中还增设了细化模块3，主要用于根据公式rz＝k
zrθ
对修正模型的轮毂半径在任意叶片的根部前缘位置至根部后缘位置之间的轴向范围内进行修正，并获得细化模型；其中，rz为细化模型的轮毂半径，kz＝sin(cqm)，c为任意叶片的根部轴向弦长，q为常数，且q∈[0,1]，m为常数，且m》0。
[0084]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。