風扇與加熱片間流場與速度場分析

至風扇中心軸下方處，，相對的，在此區的加熱片熱傳性能較好而在 風扇葉片外緣下方的左右兩平板流道，因此區的流場分佈均勻、速度 很大，所以在此區的溫度相對較低。

風扇轉速分別為時 2400rpm、3000rpm 時沿 d-d 剖面（Y 軸）的 之流場與溫度場分佈、如圖 4-9、4-11、4-12、4-14，，其中圖 4-9 (a)、

(b)、(c)又分別為速度向量圖而(b)、(c)為圖(a)的局部放大圖，圖 4-10、

(a)

(b)

(c)

圖 4-6 風扇轉速為 1800rpm 之(a)Z 軸(d-d 剖面) 、(b)右側放大、

(c)左側放大之速度向量分佈圖

圖 4-7 風扇轉速為 1800rpm 之速度大小分佈圖(d-d 剖面)

圖 4-8 風扇轉速為 1800rpm 之溫度分佈圖(d-d 剖面)

(a)

(b)

(c)

圖 4-9 風扇轉速為 2400rpm 之(a)Z 軸(d-d 剖面) 、(b)右側放大、

(c)左側放大之速度向量分佈圖

圖 4-10 風扇轉速為 2400rpm 之速度大小分佈圖(d-d 剖面)

圖 4-11 風扇轉速為 2400rpm 之溫度分佈圖(d-d 剖面)

(a)

(b)

圖 4-12 風扇轉速為 3000rpm 之(a)Z 軸(d-d 剖面) 、(b)右側放大、

(c)左側放大之速度向量分佈圖

(a)

(b)

圖 4-13 風扇(3000rpm)之(a)速度大小(b)溫度分佈圖(d-d 剖面) 4.1.3 不同風扇轉速下加熱片之熱傳性能比較不同風扇轉速下加熱片之熱傳性能比較不同風扇轉速下加熱片之熱傳性能比較 不同風扇轉速下加熱片之熱傳性能比較

風扇下方不同位置五片加熱片的熱傳性能中，包含熱傳量、熱對 流係數 h、紐塞數 Nu 及熱阻值 R，其中表 4-1、4-2 與 4-3 分別為風 扇轉速為 1800rpm、2400rpm、3000rpm 時之結果，如 4.1.2 節所述，

風扇葉片最外緣處的所產生的流場速度最大，因此在風扇最外緣處向 下推動的流場速度相對也快，而接近風扇葉片中心位置的流速將逐漸 降低，因此相對於中心軸下方的加熱片而言,最外圍的加熱片的熱會 迅速被帶離，而中心軸下方因為停滯區的流速相當小的影響，使得此 處的熱傳效能最差，由表 4-1、4-2、4-3 顯示，因為加熱片的排列方 式，是將加熱片 C 置於風扇中心軸的正下方，而加熱片 B、D 間距加 熱片 C 一個等距 8mm 而左右對稱，在間距相同距離下放置加熱片

A、E 並左右對稱，因此觀察其中的數值時，可發現加熱片 A、E 與 加熱片 B、D 之數值，大約相當接近，其中有些許的差異性，可能因 為其中的流場有些許的紊流與小渦流所致。

位於風扇葉片下緣下方的五片加熱片的其中分佈於最外側 A、E 兩加熱片，其紐塞數值，相對於風扇中心軸下方的加熱片 C，大約 2 倍，而位於 C 加熱片兩側之間的加熱片 B、D，其紐塞數值大約為 0.5 倍，且圖 4-9 為三種不同風扇轉速 1800rpm、2400rpm、3000rpm 時，

不同位置加熱片的紐塞數變化圖，由圖形觀察在一個固定風速下，五 片不同加熱片的紐塞數變化分佈圖，其分佈曲線是呈一個 V 字型，

而加熱片 A、E 與加熱片 B，D 相互對稱，而當轉速由 1800rpm 漸漸 升至 3000rpm 時，可看出熱傳曲線向上移動，代表著加熱片熱傳性 能顯著提升趨勢，可看出加熱片 A、E 提升最多，加熱片 B、D 提升 次之，而加熱片 C 變化幅度最小。

表 4-1 風扇轉速為 1800rpm 各加熱片之熱傳性能

表 4-3 風扇轉速為 3000rpm 各加熱片之熱傳性能

Nu (Nusselt Nunber)

1800rpm 2400rpm 3000rpm

圖 4-14 加熱片在不同紐塞數變化圖

4.2 旋轉刮片與加熱片之熱傳分析旋轉刮片與加熱片之熱傳分析旋轉刮片與加熱片之熱傳分析旋轉刮片與加熱片之熱傳分析

響到整個流場，相對的也相當浪費能源、空間、或者因為馬達的轉動 刮片接觸高溫面的長為 60mm、100mm，寬 2mm、4mm 等幾何圖形，

對風扇下方不同位置加熱片的熱傳研究結果顯示出長為 100mm 的刮 轉運動刮片與風扇轉速同為 1800rpm、2400rpm、3000rpm 三種情形 下研究流場與溫度場的變化。圖 4-15 為風扇與旋轉運動刮片轉速為 1800rpm 時，沿 X 軸剖面(係以 YZ 為平面於 X=0 處作一捷面)之速度 場與溫度場分佈圖，圖 4-15(a)、(b)與圖 4-16(a) 、(b)為速度向量分 佈圖而圖 4-17(a)、(b)、(c)速度大小分佈圖，由圖中顯示空氣經由

葉片轉動，使空氣由上方圓形管道加速往下方兩平板間的左右出口吹

刮片左右兩端的切線速度大，因此在 4.1 節所看到的溫度累積，在此 處幾乎看不見，而圖 4-22(a)、(b)、(c)與圖 4-26(a)、(b)、(c)分別為風 扇與旋轉運動刮片轉速為 2400rpm 與 3000rpm 時，沿 X 軸剖面之溫 度場分佈圖，其溫度的分佈情形與 1800rpm 相似，唯一的不同是旋 轉運動刮片中心軸左右兩側的溫度累積，當轉速越大時，其中的溫度 累積情形越小，再談及停滯區，因流場速度及刮片切線速度不大，所 能提升的熱傳效果並不大。

圖 4-27、圖 4-31、圖 4-35 為轉速 1800rpm、2400rpm、3000rpm 三種狀況下，以上視圖（+Y 方向）觀看加熱片上旋轉運動刮片之速

及未加旋轉刮片下 C 加熱片的溫度有明顯的降低，而此可以推算其 餘四片加熱片的熱傳性能亦也提升。

(a)

(b)

圖 4-15 風扇與旋轉運動刮片轉速為 1800rpm

(a)

(b)

圖 4-16(a) 風扇與旋轉運動刮片轉速為 1800rpm (a)速度向量分佈圖(Z 軸) 、(b)右側放大圖(Z 軸)

(a)

(b)

(c)

圖 4-17 風扇與旋轉運動刮片轉速為 1800rpm

(a)速度大小分佈圖(X 軸)、(b) 速度大小分佈圖(Z 軸) (c) 速度大小分佈圖(Z 軸)

(a)

(b)

圖 4-18 風扇與旋轉運動刮片轉速為 1800rpm (a)速度大小分佈圖 (X 軸)、(b)溫度大小分佈圖(Z 軸)、(c)加熱片與 Z 軸溫度分佈圖

(刮片尺寸 1：長 100mm、寬 4mm)

(a)

(b)

圖 4-19 風扇與旋轉運動刮片轉速為 2400rpm (a) 速度向量分佈圖(X 軸) 、(b)右側放大圖(X 軸)

(a)

(b)

圖 4-20 風扇與旋轉運動刮片轉速為 2400rpm (a) 速度向量分佈圖 (Z 軸) 、(b)右側放大圖(Z 軸)

(a)

(b)

(c)

圖 4-21 風扇與旋轉運動刮片轉速為 2400rpm(a)速度大小分佈圖 (X 軸)、(b)速度大小分佈圖(Z 軸)、(c) 速度大小分佈圖

(a)

(b)

圖 4-22 風扇與旋轉運動刮片轉速為 2400rpm (a) 溫度分佈圖(X 軸) 、(b)溫度分佈圖(Z 軸)、(c) 溫度分佈圖

(刮片尺寸：長 100mm、寬 4mm)

(a)

(b)

圖 4-23 風扇與旋轉運動刮片轉速為 3000rpm (a) 速度向量分佈圖(X 軸) 、(b)右側放大圖(X 軸)

(a)

(b)

圖 4-24 風扇與旋轉運動刮片轉速為 3000rpm (a) 速度向量分佈圖(Z 軸) 、(b)右側放大圖(Z 軸)

(a)

(b)

(c)

圖 4-25 風扇與旋轉運動刮片轉速為 3000rpm(a)速度大小分佈圖 (X 軸)、(b)速度大小分佈圖(Z 軸)、(c) 速度大小分佈圖

(a)

(b)

(c)

圖 4-26 風扇與旋轉刮片(3000rpm) (a) 溫度分佈圖(X 軸) 、(b)溫 度分佈圖(Z 軸)、(c) 溫度分佈圖(刮片尺寸：長 100mm、寬 4mm)

(a)

(b)

圖 4-27 風扇與旋轉運動刮片轉速 1800rpm 速度向量圖、

(a)

(b)

圖 4-28 風扇與旋轉運動刮片轉速 1800rpm 速度大小圖

圖 4-29 加熱片的溫度分佈 pathline 圖 風扇與旋轉運動刮片轉速 1800rpm

圖 4-30 加熱片的溫度分佈 pathline 圖 風扇與旋轉運動刮片轉速 1800rpm

(a)

(b)

圖 4-31 風扇與旋轉運動刮片轉速 2400rpm 速度向量圖

(a)

(b)

圖 4-32 風扇與旋轉運動刮片轉速 2400rpm 速度大小圖

圖 4-33 加熱片的溫度分佈 pathline 上視圖 風扇與旋轉運動刮片轉速為 2400rpm

圖 4-34 加熱片的溫度分佈 pathline 3D 圖 風扇與旋轉運動刮片轉速為 2400rpm

(a)

(b)

圖 4-35 風扇與旋轉運動刮片轉速 3000rpm 速度向量圖

(a)

(b)

圖 4-36 風扇與旋轉運動刮片轉速 3000rpm 速度大小圖

圖 4-37 加熱片的溫度分佈 pathline 圖 風扇與旋轉運動刮片轉速為 3000rpm

圖 4-13(C-6) 加熱片的溫度分佈 pathline 圖

圖 4-38 旋轉運動刮片速度場上視分佈圖

4.2.2 旋轉刮片下加熱片之熱傳性能分析旋轉刮片下加熱片之熱傳性能分析旋轉刮片下加熱片之熱傳性能分析 旋轉刮片下加熱片之熱傳性能分析

探討刮片於長 100mm 寬 4mm 時，在三種風扇與旋轉運動刮片轉 速 1800、2400、3000rpm 時，不同位置加熱片的熱傳性能分析，表 4-4、4-5、4-6 分別為旋轉運動刮片在長 100mm 寬 4mm 時，風扇與 刮片轉速為 1800、2400、3000rpm 時，風扇下方不同位置之五片左 右對稱加熱片的熱傳性能，從表中顯示由於加熱片的排列形式是以加 熱片置於風扇中心軸正下方，再間距一定距離將加熱片 B、D 放置在 加熱片 C 的左右兩側，最後將加熱片 E 也以一樣間距，在 B、D 兩 側，因此由數據顯示，其數值是以加熱片 C 為基準，B、D 相似，A、

E 相似，而由圖 4-15、4-16、4-19、4-20、4-23、4-24 流場速度分佈 圖及圖 4-27、圖 4-31、圖 4-35 刮片速度上視圖中觀察得知，因越靠 2400rpm 甚至 3000rpm 時，其中五片加熱片的熱傳性能都有提升，計

算之結果並與[13]之結果進行比較。而其中所提升的百分比高達

表 4-5 風扇與旋轉刮片轉速 2400rpm 各不同加熱片之熱傳性能

表 4-6 風扇與旋轉刮片轉速 3000rpm 各加熱片之熱傳性能

0

Nu (Nusselt Number)

1800rpm

4.2.3 加裝旋轉刮片對加熱片的熱傳影響加裝旋轉刮片對加熱片的熱傳影響加裝旋轉刮片對加熱片的熱傳影響 加裝旋轉刮片對加熱片的熱傳影響

以加熱片 A、E 提升幅度最大，而其次是加熱片 B、C、D。

由上述情形可發現，當加裝刮片後，因刮片可刮去高溫面的溫度 邊界層，破壞高溫面的溫度累積，而使的整體的熱傳效能變好，因此 可確定加裝刮片的重要性，而分析五片不同位置的加熱片之熱傳效能 提升方面，就 4.2.1 節分析在不同尺寸旋轉運動刮片的流場與溫度場 分佈後，得知旋轉運動刮片是以中心軸為定點，以逆時針旋轉運動，

因此在刮片的外緣其切線速度最大，而中心軸的速度最小，並就圖形 分析其中的速度分佈，可發現外緣的速度比中心軸的速度大上好幾 倍，因此位於刮片外緣下方的加熱片 A、E，其所提升的熱傳效能最 好，而在中心軸下附近的加熱片 B、C、D，因刮片切線速度並不大，

雖熱傳效能有所提升，但提升的比例卻不如加熱片 A、E 好。

由此可知，當在一個風扇產生的流場中，雖然加熱片 A、E 位於 流場速度較大的範圍內，因本身的熱傳效能比其餘三片加熱片好，但 若只以風扇去散熱，而無刮片刮去溫度邊界層，其中的熱傳效能比起 有刮片時下降了大約 70％的熱傳效能。

表 4-9 加裝旋轉運動刮片為 1800rpm 之文獻[13]與數值百分比 文獻[13]

23.28 13.86 8 13.78 23.21

數值 22.590 14.094 8.150 13.866 22.864 E% 2.964 -1.670 -1.880 -0.623 1.490

表 4-10 有無旋轉運動機構風扇轉速 1800rpm 對加熱片紐塞數影 響比較(Nu₁：無旋轉刮片，Nu₂：有旋轉刮片)

加熱片 A B C D E

Nu1 13.302 9.531 5.737 9.522 13.744

Nu2 22.590 14.094 8.150 13.866 22.864

Eff (%) 69.823 47.877 42.067 45.619 66.358

4.3 有無有無有無旋轉刮片有無旋轉刮片旋轉刮片與加熱片旋轉刮片與加熱片與加熱片與加熱片間隔中間隔中間隔中間隔中之之之之流場流場流場流場分析分析分析分析

圖 4-40、圖 4-41pathline 速度圖，顯示當未加裝旋轉刮片時加熱 片受到風扇代動流場因而帶走加熱片上的熱,但僅僅只是流體衝擊加 熱片的溫度邊界層並非是直接的接觸，相反的在圖 4-42、圖 4-43 上 可以明顯的看出當加裝旋轉刮片而加熱片與旋轉刮片的間隔為 0.34 mm 時，旋轉刮片在加熱片上方進行旋轉，如圖 4-44、圖 4-45、圖 4-46 所示有相當明顯的速度變化，在如此明確的速度場差異之下, 並 且加熱片的溫度邊界層直接被旋轉刮片破壞，因此加熱片的散熱效率 顯著的提升。如圖 4-47 將有旋轉機構與無旋轉機構於各加熱片上方 0.05mm 處之的速度分佈線做比較，有加裝旋轉刮片其加熱片上方之 速度流場明顯較大。圖 4-48 為有無旋轉運動機構於各加熱片上方 0.05mm 處之溫度梯度圖，圖中顯示無旋轉刮片的溫度梯度較低，而

圖 4-40、圖 4-41pathline 速度圖，顯示當未加裝旋轉刮片時加熱 片受到風扇代動流場因而帶走加熱片上的熱,但僅僅只是流體衝擊加 熱片的溫度邊界層並非是直接的接觸，相反的在圖 4-42、圖 4-43 上 可以明顯的看出當加裝旋轉刮片而加熱片與旋轉刮片的間隔為 0.34 mm 時，旋轉刮片在加熱片上方進行旋轉，如圖 4-44、圖 4-45、圖 4-46 所示有相當明顯的速度變化，在如此明確的速度場差異之下, 並 且加熱片的溫度邊界層直接被旋轉刮片破壞，因此加熱片的散熱效率 顯著的提升。如圖 4-47 將有旋轉機構與無旋轉機構於各加熱片上方 0.05mm 處之的速度分佈線做比較，有加裝旋轉刮片其加熱片上方之 速度流場明顯較大。圖 4-48 為有無旋轉運動機構於各加熱片上方 0.05mm 處之溫度梯度圖，圖中顯示無旋轉刮片的溫度梯度較低，而

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