风扇(单个)研究报告

研究总结报告

—— 风扇（单个）总结

一、 研究内容

风扇是风冷散热器中必不可少的组成部分，对散热效果起着至关重要的作用，是散热器中唯一的主动部件；同时，更对散热器的工作噪音有着决定性的影响。风扇在风冷散热器中的职责为：凭借自身的导流作用，令空气以一定的速度、一定的方式通过散热片，利用空气与散热片之间的热交换带走其上堆积的热量，从而实现“强制对流”的散热方式。

本文针对风扇的散热研究变量为：功率，特性曲线（风压、风量），尺寸（轮毂直径、总直径、长度）。

二、 研究过程

1、仿真模型建立

本文分两种建模级别来仿真风扇与散热器的散热过程，分别是系统级与板级，经仿真计算后，将两种建模级别的仿真结果进行对比，分析得出风扇工作的相关规律。

系统级的建模如图

1所示，这是一个机顶盒的模型，在模型中有两块PCB 板，其上面的元件以及电源是系统中主要的热量来源，在位于下方的PCB

板上的主要发热元件Comp 上添加了铝材料的平行直肋散热器，并且配套地添加了轴流风扇，将气流从机箱内部源源不断地抽到机箱外部，在研究中主要研究的变量

集中在风扇与散热器之上。

整个机箱模型在分网后网格数量控制在70000左右，展弦比控制在20以内，能够得到较好的具有网格独立性的仿真结果。图2是分网之后机顶盒模型的俯视图。

图 2 分网后的系统级模型俯视图

图 3 精简的风扇与散热器模型

精简模型如图3所示，板级的建模非常简单，用于更加针对地得到风扇与散热器的散热仿真结果。得到的仿真结果可以与系统级中的仿真结果参照对比。模型表征的是一个轴流风扇与平行直肋散热器配合通过强迫风冷降低板上发热芯

散热器添加了局部网格约束

风扇添加了局部网格约束

箱体添加了局

部网格约束

片的温度。分网后的俯视图如图4所示。

图 4 分网后精简模型的俯视图

在此模型中，风扇区域的局部网格进一步加密，以对风扇尺寸等变量更加敏感。划分网格后总网格数控制在在70000以内，展弦比控制在12.2。这种网格分网能够得到较好的仿真结果。

2、仿真计算

（1）风扇热耗对散热性能的影响：

在仿真中，定义了风扇的热耗为2~20W等步长变化，观察风扇的出风情况与主要部件的散热情况，图5（a）反映的是元件温度与风扇热耗的变化关系，图5（b）反映的是最高温度与风扇热耗的关系。

（a）元件温度与风扇热耗的变化关系（b）最高温度与风扇热耗的变化关系

图5 风扇热耗对系统散热的影响

散热器添加了局

部网格约束

风扇添加了局

部网格约束

仿真结束后发现，当风扇的热耗不断增加时，风扇的出风情况是不发生变化的，即最大风速与风量与风扇的热耗无关。

风扇的热耗对风扇的出风情况并没有明显的影响，当风扇热耗提升时，系统中的温度也会随之上升，并且两者之间的关系是线性的；风扇的热耗的增加对系统中其他元器件的温度影响不大，但是随着风扇热耗的增加，风扇温升速度远大于系统中其他元件的温升速度，当热耗增加到一定程度时，风扇的温度会成为系统中最高温度，导致风扇发热量过大，引起风扇散热故障。

（2）P-Q风扇特性曲线对风扇性能的影响

P-Q曲线对散热影响的研究中，分为两部分，先是保持Q0值不变，改变P0值，观察P0值改变对散热性能的影响；然后保持P0值不变，改变Q0值，观察Q0值对散热性能的影响。图7是P0变化时元件温度变化曲线，图8是P0变化时最大风速变化曲线；图9是Q0变化时元件温度变化曲线，图10是Q0变化时最大风速变化曲线。

图 5 元件Comp结温与风扇滞止压力的关系

图 6 最大风速与风扇滞止压力的关系

图 7 Q0改变时元件温度变化情况

图 8 Q0改变时最大风速变化情况

在对P0与Q0进行以各自为变量独立的分析之后，本文采取了同时以Q0与P0为变量的SO循序优化。Flotherm软件中的Command Center模块采用了当前世界上优秀的多目标优化算法，是一种在具有多个变量参数中确定最佳方案的途径。优化算法包括两部分：实验设计（DOE，Design of Experiment）和方案优化。方案优化是以实验设计数据为依据，又分为循序优化（SO，Sequential Optimization）和反应面优化（RSO，Response Surface Optimization）。

在循序优化分析中，本文选取P0与Q0为自变量，P0的变化范围为20~100Pa，Q0的变化范围为0.002~0.03立方米每秒，将最大优化步数设置为20步，以芯片结温作为代价函数，同时输出风扇风量与散热器平均温度，之后进行求解。图11（a）（b）为输入变量与代价函数的曲线图。

表1给出了芯片结温（代价函数）、风扇风量、散热器平均温度等变量与自变量Q0和P0的详细数据表。

图 9（a ） 输入变量Q0与P0变化曲线 11（b ）代价函数芯片结温变化曲线

表 1 P-Q 曲线循序优化详细数据结果

当风扇P0与Q0的值增加时，会使风扇的最大风速、风量增加，从而导致

散热效果的提升；但是这种提升不是线性的，当P0与Q0的值在中低段时，这种增加是明显的，当Q0与P0增加到一定值时（本文中Q0超过0.025，P0超过45），散热效率的增长就会缓慢下来，所以在实际的风扇选型设计中，在P0与Q0值较低时增益这两项是效率最高的。

（3）风扇尺寸对风扇性能的影响

图12显示了轮毂直径与芯片结温的关系。针对HD（轮毂直径）作为单一自变量的情况，本为利用Command Center工具作了进一步的轮毂直径对散热效果的仿真分析，具体的结果数据见表2。

图 12 风扇轮毂直径HD与芯片结温的关系

表 2 风扇轮毂直径循序优化详细结果

当风扇的轮毂直径HD增大时，风扇的最大风速会有明显的增大，但是风扇的风量却又有所减小，这说明最大风速与风扇风量没有确定的关系，风量与风速的分布情况密切相关；风量减小之后，由于温度与风量的变化密切相关，导致元件的温度有了一定的上升，但不是很剧烈，本文中轮毂直径减小了22mm时，热源芯片结温升高了5.5度，所以在实际应用中，当不是对温度要求很苛刻时，可以不做优先考虑。

图13给出了风扇外径OD与芯片结温的关系。