中 華 大 學
碩 士 論 文 初 稿
題目：小型離心式風扇性能曲線模擬分析 The investigation on Performance Curve of
A Small Centrifugal Cooling Fan
系 所 別：機 械 與 航 太 工 程 研 究 所 學號姓名：M09208003 黃義鈞
指導教授：蔡博章 博士
中華民國 九十四 年 七 月
摘要
本文以數值方法探討離心式風扇在各種操作狀況下之性能曲線 及流場與壓力分佈。文中先依據風扇之尺寸，參考 AMCA 風扇性能 測試台架構，設計數值分析模型及運轉之操作條件。接著利用前處理 軟體 Gambit 建立疏密不等之非結構性網格，並指定邊界區。最後利 用 Fluent 搭配k−ε紊流模式並設定邊界條件，再進行三維數值模擬分 析。
結果發現，由最大流量點、操作點、到關斷點，自風扇入口到 出口，壓力逐漸升高，當接近關斷點時，出口處出現迴流區，流場變 得相當混亂，此情形符合實際運轉之物理現象。雖然模擬之流量比實 驗之流量平均小10% ，但在風量 4CFM~6CFM 時模擬之流量比實驗 之流量平均小2.4%與實驗值接近。
另外，噪音實驗遵照CNS-8753 聲壓量測標準，配合半無響室進 行量測，實驗結果顯示風扇噪音介於30~33dBA。而在水洞雷射流場 視覺化實驗，可以觀看到渦殼出口區及入口區質點流動方向。
最後驗證此風扇確實能應用於現今產業界，選擇著名風扇廠作為 比較機種。結果顯示流量方面或是靜壓方面，都優於比較機種，只在
音方面，約增加3.5﹪，不影響使用者舒適感，所以本研究扇風扇，
整體性能展現優良。
關鍵詞：離心式風扇、數值分析、性能測試、噪音、流場視覺化
Abstract
This paper uses numerical method to investigate the performance curve and flow field with pressure distribution of a centrifugal fan under several operation conditions. Based on the fan geometry and AMCA test stand configuration, physical model and boundary conditions are set up first. Grid generation and 3D computer simulation are performed next by using commercial software Gambit and Fluent with k−ε turbulence model.
It is found that pressure increased gradually from fan inlet to fan outlet through the maximum flow rate, operation point, down to the cut-off point. This implies the real operational condition of the fan.
Although the differences between the simulation results and testing data are 10%, the trend of the fan P-Q curves on both simulation and testing are similar.
Other, the noise test by following CNS8753 and ISO-9614-1 code.
Experimental results show the fan noise lies between 30dBA~33dBA.
The flow directions of particles in the outlet and inlet areas of volute can be observe during the flow visualization experiment.
Finally we obtained an applicable fan for current industry field and chose a comparative one from a well-known fan factory. The results show our model is superior to the comparative one in flux and static pressure, only 0.67% shy in the maximum flux. Both the static pressure and noise increased about 28.6% and 3.5% respectively without affecting the comfort of users. In a word, our study demonstrates a fan with good performance.
Keywords: Centrifugal fan、Numerical simulation、Performance test、
noise、flow visualization experiment.
誌謝
首先感謝指導教授 蔡博章博士對我悉心的教誨與指導，除獲得 專業學術領域的知識外，更學習到研究專業學識應有之方法和態度，
同時在工業技術研究院機械所 林國楨博士的指導與建議，晚生在各 位教授不辭辛勞與悉心的指導下才有今日的研究成果。尤其感謝口試 委員清華大學 蔣小偉教授、中山大學 黃仁智教授與本校 蔡永培教 授等五位對本論文之嚴謹審閱與口試時毫無保留的指導，在此致上十 二萬分謝意，表達晚生對長輩敬佩。
在研究期間，特別感謝 古俊欽先生、黃永明先生與葉威廷先生、
何啟豪在學術研究上給予的建議，才能使論文研究順利完成。
在此也感謝一直支持與鼓勵我的親人，因為您們的支持與股勵，
我才能順利完成此階段學習過程，在校學習期間屢獲已畢業之鄭哲 昌、吳嘉霖、韓偉國、汪源磊、朱斌璋等學長；一君、維志同學等同 學以及俊傑、楚瑜、光倫等學弟的鼎力協助，在此一併感謝並衷心祝 福。
目錄
摘要... I ABSTRACT... III 誌謝... IV 目錄...V 表目錄... IX 圖目錄...X 符號索引...XIII
第一章 緒論...1
1.1 前言...1
1.2 文獻回顧...3
1.3 研究動機及目的 ...4
第二章 數值分析...11
2.1 統御方程式... 13
2.2 紊流模式... 14
2.3 數值分析程序 ... 16
2.3.1 建構幾何外形... 16
2.3.2 網格建立... 18
2.3.3 邊界條件... 20
2.3.4 收斂條件... 20
2.3.5 計算與後置處理... 20
第三章 實驗量測... 21
3.1 風扇性能量測 ... 21
3.1.1 實驗原理... 21
3.1.1.1 風量計算 ... 21
3.1.1.2 風壓計算 ... 23
3.1.1.3 功率及效率 ... 24
3.1.2 實驗設備... 24
3.1.3 實驗規畫... 28
3.1.3.1 實驗方法 ... 28
3.1.3.2 準備工作 ... 28
3.1.3.3 測量步驟 ... 29
3.2 噪音量測... 29
3.2.1 量測原理... 29
3.2.2 噪音實驗設備... 32
3.2.3 量測步驟... 33
3.3 水洞雷射流場視覺化之實驗設備 ... 34
3.3.1 實驗原理... 34
3.3.2 實驗設備... 35
3.3.3 實驗步驟... 38
第四章 結果與分析討論 ... 40
4.1 數值結果與分析 ... 40
4.1.1 網格數驗證... 40
4.1.2 疊代次數選擇... 41
4.1.3 風扇性能曲線... 43
4.1.4 流速與壓力之分析結果... 45
4.1.4.1 最大流量點之分析 ... 46
4.1.4.2 操作點及關斷點附近之分析結果 ... 49
4.2 實驗結果與分析 ... 52
4.2.1 風扇性能量測結果... 52
4.2.2 噪音量測結果... 54
4.2.3 水洞雷射流場視覺化之實驗結果... 58
4.3 數值分析與實驗量測結果比較 ... 61
4.4 市售與本研究風扇之性能比較 ... 62
參考文獻... 68
附錄A 數值方法... 71
表目錄
表1.1 風扇之幾何參數 ...9
表2.1 獨立物理量
ϕ
之對照表... 14表2.2 Standard k −ε Turbulence Model Coefficients... 16
表4.1 不同網格數之風扇流量 ...40
表4.2 網格數...41
表4.3 不同疊代次數之風扇流量 ...42
表4.4 風量性能分析值(Fluent 數值分析) ...44
表4.5 風扇性能測試值（AMCA 實驗量測） ...53
表4.6 各量測點噪音值表 ...55
表4.7 分析與實驗誤差百分比 ...61
表4.8 不同風扇之性能比較表 ...64
圖目錄
圖1.1 風扇實體圖(Forcecon FD-03) ...7
圖1.2 風扇尺寸視圖 ...8
圖1.3 研究流程圖... 10
圖2.1 Fluent 計算流程 ... 12
圖2.2 風扇 3D 分析模型... 17
圖2.3 連接風扇之風洞分析模型 ... 17
圖2.4 風扇流體區網格 ... 19
圖2.5 網格佈置... 19
圖3.1 量測平面定義圖 ...22
圖3.2 實驗設備總圖 ...27
圖3.3 量測風扇架設 ...33
圖3.4 流場觀測架構圖 ...37
圖3.5 支架實體圖...38
圖3.6 風扇渦殼實體圖 ... 39
圖4.1 不同疊代次數之風扇流量 ...42
圖4.2 系統阻抗操作決定 ...44
圖4.3 風量性能分析曲線圖 ...45
圖4.4 風扇葉片表面之壓力分佈圖 ...46
圖4.5 最大流量時 X-Z 剖面速度分佈圖...47
圖4.6 最大流量時 X-Z 剖面壓力分佈圖...48
圖4.7 最大流量時 Y-Z 剖面壓力分佈圖 ...48
圖4.8 操作點附近 X-Z 剖面速度分佈圖...49
圖4.9 操作點附近 X-Z 剖面壓力分佈圖...50
圖4.10 關斷點附近 X-Z 剖面速度分佈圖...50
圖4.11 關斷點附近 X-Z 剖面壓力分佈圖...51
圖4. 12 離心風扇組裝測試圖 ...52
圖4.13 風扇性能曲線圖 ...53
圖4.14 風量與轉速關係圖 ...54
圖4.15 噪音量測組裝圖（紅色圈中為量測風扇） ...55
圖4.16 風扇背板入風口量測點 1 ...56
圖4.17 風扇出風口量測點 2 ...56
圖4.18 風扇出風口量測點 3 ...57
圖4.19 風扇正入風口量測點 4 ...57
圖4.20 流場觀測整體架設圖 ...58
圖4.21 垂直出口平面影像圖一 ...59
圖4.22 垂直出口平面影像圖二 ...59
圖4.23 平行出口平面影像圖一 ...60
圖4.24 平行出口平面影像圖二 ...60
圖4.25 風扇性能測試與模擬分析曲線 ...62
圖4.26 市售風扇實體圖 ...63
圖4.27 不同風扇性能測試曲線 ...64
符號索引
A ：面積（Area）
A4n ：第n 個噴嘴的喉部截面積 C ：絕對速度（Absolute velocity）
dn ：第n 個噴嘴的喉部直徑 k
j
i, , ：格點指標 P ：壓力
Pt ：全壓 Ps ：靜壓
r ：半徑
t ：時間 W ：相對速度
z ：沿 z 方向之距離
ε ,
k ：紊流模式係數
l ：座標參數
z
r,θ, ：圓柱座標 z
y
x, , ：直角座標
第一章 緒論
1.1 前言
最近幾年隨著科技的進步，筆記型電腦需求量與日俱增，我國在 此項產品之研發工作扮舉足輕重之地位。依據資策會[1]統計，前年 我國筆記型電腦出貨量達兩千五百多萬台，去年(民國 93)突破三千兩 百萬台，以全球筆記型電腦出貨量四千六百萬台估算，台灣筆記型電 腦的全球市占率超過 70%。預估今年（民國 94 年）全球筆記型電腦 出貨量約五千五百萬台，台灣筆記型電腦出貨量可望突破四千萬台，
全球市佔率達 73%，台灣筆記型電腦出貨量年成長率可維持在 25%
左右水準，為世界第一大筆記型電腦生產國。
筆記型電腦發展趨勢是輕薄短小，此外；隨著元件效能的不斷提 升，電腦CPU 發熱量節節上升，目前市售主流 Notebook[2]發熱功率 介於20W~35W，但在未來一、二年將會突破 50W，欲在此狹窄空間 中有效地將熱量帶走，以確保系統正常運作，不降低電腦運作效能，
唯有靠性能優良之散熱模組進行熱量交換，散熱模組中主要元件有均 熱片(Heat spreader)、熱管(Heat pipe)、鰭片(Heat sink)、及離心風扇 等。並在機殼的材料作一些改良，除目前常用鎂合金作外殼，更高等 級是以鈦合金當作外殼，使得更能快速且有效將熱傳遞出去，以及重
量輕量化。
筆記型電腦的冷卻系統，如果狀況不佳，會使處理器產生的高溫 留在機器裡，留在使用者手指的下方，開機時間過長，甚至會影響到 機器的效能。因此，在選擇筆記型電腦時，一定要考慮到筆記型電腦 所運用的散熱方法。一般筆記型電腦散熱方法不外乎「散熱片」和「離 心式風扇」，這兩種散熱方法最大的好處是成本低，故被大多數的廠 商所接受，且電腦 CPU 及其它電子組件的散熱量管理（Thermal management）成為設計時的研究重點。
然而，風扇屬於流體機械中的一種，其葉片經由馬達帶動而轉 動，能量便藉此傳遞，造成流體的流動，並利用壓力及速度上的變化 產生流動，將系統中多餘的熱量帶走，來達到散熱的效果。
依氣流對葉輪的方向，目前風扇的型式大致可分為軸流式（Axial Type）、離心式（Centrifugal Type）及螺旋槳式（Propeller Type）三種 基本型式[3]，其中軸流式引導氣流沿葉片中心軸平行吹出，特點為 靜壓小、風量大；離心式則是由被驅動的葉輪因旋轉產生動力，氣流 由圓環中心進入順葉片向外輻射吹出，與軸流相比此型靜壓較高。
1.2 文獻回顧
以往有部份學者利用數值方法進行離心式風扇之性能研究，例 如：黃家烈[4]利用實驗測試與模擬分析進行筆記型電腦冷卻風扇之 設計工作，並探討最大流量點之風扇性能，結果發現旋轉葉片之壓力 面(Pressure side)與吸力面(Suction side)之壓力對葉片之結構有所影 響，縮小舌端(Tongue)間隙其流量與靜壓皆可提升，改變入風口面積 與葉片數對風扇性能會有明顯的影響。游裕傑[5]針對輕薄型電腦的 散熱需求，利用數值方法探討小型雙吸入式離心風扇之流場現象，以 做為風扇設計改良之參考。與黃家烈之作法相同，兩者皆僅討論最大 流量點之風扇性能。李志良等人[6]利用數值方法模擬離心式風扇之 整條性能曲線，其分析模型中去除風扇外殼，並在入風口與出風口分 別接上半球型與長方型延伸管，經由暫態方法之模擬，結果與實驗值 差距為 0.5%。李延青等人[7]利用數值方法模擬離心風機整條性能曲 線，結果發現使用k-ε 模式與 k-ω 模式會有些微差異之結果，此外單 獨葉輪在低風量區之分析值與實驗值相差較多。
由於以往學者利用數值方法進行離心式風扇整段性能曲線之研 究工作相當缺乏，然而此種分析過程對風扇研發工作有實質助益，有 鑑於此，本文乃以數值方法探討離心式風扇在各種操作狀況下之性能
曲線，並作實驗彼此比較驗證。
而風扇噪音研究方面，Zeller 等人[8]實驗發現風扇噪音的聲準 ( Sound Level)和葉輪的轉速有關。Leidel[9]則增加葉輪與舌部間隙，
對於窄頻與寬頻的噪音之降低，有明顯的效果。黃家烈[10]針對筆記 型電腦散熱風扇的噪音與性能研究進行同步研究，本研究係並依文獻 所載之噪音量測規範進行噪音量測，結果發現不同的風扇幾何外型，
其噪音與性能也會有所不同。
1.3 研究動機及目的
這一、二年國內的許多系統及散熱模組製造廠，國外訂單基本都 會要求有電腦熱、流分析能力，有別於傳統研發方式，如早期風扇的 設計研發，幾乎都以風洞實驗量測為依據，浪費打樣的模型製造費及 昂貴設備費，所耗費的時間更為可觀。
近年來電腦運算能力增強，隨著數值分析方法與技巧不斷創新與 發展，各種套裝軟體油然而生。利用電腦計算流體力學模擬問題越來 越多，所以產品的研發，可以透過電腦預先模擬分析，經分析結果探 討流場現象，再經設計改良確認，最後實驗測試。將結果數據與分析 模擬比較，驗證模擬分析的準確性。
本研究將分為數值模擬分析與實驗測試兩大部份，如圖1.1 及圖 1.2 離心式風扇（FD-03）所示，此小型離心式風扇具 13 片離心式葉 片，其設計點資料如表1.1 所式示，應用於超薄型之筆記型電腦作為 研究載具，而研究流程如圖1.3 所示。
（1） 數值方法：
將依據離心式風扇之尺寸，參考 AMCA[11]風扇性能測試台架 構，設計數值分析模型，並利用商用軟體 Gambit[12]及 Fluent[13]建 立網格進行三維計算流體力學(Computational Fluid Dynamics, CFD) 數值模擬分析，以探討風扇之性能曲線及各種操作狀況下之流場與壓 力分佈。在參考文獻[14]已有驗證，利用 Fluent 進行桌上型散熱器的 流場之分析，模擬結果與實驗值互相比對與驗證。
（2） 實驗測試部份：
1. 首先在風扇性能測試方法有許多規範可以遵循，例如 CNS 7778[15]風扇及送風機測試方法、AMCA 210 號風扇測試標準規範、
JIS B 8330[16]渦輪扇及送風機測試方法、與 BS 848 號[17]風扇性能 測試方法等等。其中 AMCA 210 最廣為風機業界所使用，也是本研 究所遵循之規範。
2. 噪音測試方式皆以 ISO 的規範做為量測的標準，但也有部份的國
產品量測是以 CNS 的規範做為標準，本研究噪音的量測方法則採用 ISO-9614-1[18]及 CNS-8753[19]的量測標準，配合無響室的環境進行 噪音量測與分析風扇噪音之特性。
3. 利用工研院機械所建立水洞雷射流場視覺化之實驗機台來觀測 風扇流場。
（a）風扇上蓋
（b）風扇渦殼
（c）風扇組立圖
圖 1.1 風扇實體圖(Forcecon FD-03)
（a）渦殼基本尺寸視圖
（b）風扇上蓋基本尺寸視圖 圖1.2 風扇尺寸視圖
表 1.1 風扇之基本參數
葉片數(片) 13
採用葉型 平板
葉輪外徑（mm） 55
輪轂外徑（mm） 30
輪轂高度（mm） 13.2
正入風口面積（mm2） 1/2π*21.52 出風口面積（mm2） 53.8*7.25
轉速（rpm） 4000
馬達輸入電壓（V） DC-5V
電流（A） 0.15
圖1.3 研究流程圖 風扇設計
風扇本體/原型製造
實驗測試 z 性能量測 z 噪音量測 z 水洞雷射實驗
數值分析 z 網格驗証
z 軟體驗証
z 前處理/Solver/後處理整合
結果比較 z 流場/性能分析
z 與市售品之性能比較
結論與建議
第二章 數值分析
本研究之數值模擬分析是採用 Patankar[20]所提出的 SIMPLE 計 算法則所發展出之商用軟體 Gambit 及 Fluent 建立網格及進行三維計 算流體力學數值模擬分析，其利用結構性及非結構性網格可完成任何 模型，再以有限體積（Finite-Volume Method）與基本k −ε 紊流模式 來解Navier-Stokes equations。
本章節之流場數值為離心式風扇流場分析，以下即針對Fluent 數值分析架構與程式之準確度驗證作一說明。計算流程請參考圖2.1。
圖2.1 Fluent 計算流程 Fluent 後處理
資料、圖表整理分析 設定步階及收斂條件
Fluent 計算
是否達到收斂 利用CAD軟體產生模型
Gambit 前置處理 匯入幾何外型
建立流場分析計算格點
設定邊界條件
檢查模型是否有錯誤訊息
有錯誤
是 否
2.1 統御方程式
統御方程式乃是利用 SIMPLE 計算法則來解三維流場統御方程 式，它可分為連續方程式、動量方程式及能量方程式，而在Fluent[13]
中計算一般不可壓縮及可壓縮流體其統御方程式可標示成下列通式
( ) ρϕ div ( ρ u ϕ
ϕϕ ) s
ϕt + − Γ ∇ =
∂
∂ r
(2.1)其中
ϕ
：代表任一獨立物理量( ui, e, k etc )Γϕ ：擴散係數
Sϕ ：源項
將(2.1)式改寫成積分形式，並將統御方程式離散化後可得
( u ) d S s dV
t
V∫
pdV + ∑ ∫
j Sj r− Γ ∇ ⋅ =
V∫
∂
∂
ϕ
ϕ
ϕ
ϕ ρ
ρϕ r r
(2.2)其中Sr
、urr、VP及Sj分別表示面向量、相對速度、以及計算元素之 體積與表面積。
表 2.1 獨立物理量
ϕ
之對照表[13]Eqnuation ψ
Continuity 1
X-momentum u
Y- momentum v
Z- momentum w
Energy i
2.2 紊流模式
本研究採用k −ε 紊流模式，來解動量方程式，進而模擬葉輪之 紊流流場問題。此方法可簡化分析，因此相對地省去許多數值運算時 間，有相當的經濟效益，故其適用範圍非常廣泛。
所運用之標準k −ε 方程式為：
（1）紊流動能（Turbulence Energy）方程式：
( )
∂
− ∂
∂ + ∂
∂
∂
j k eff j
j x
k k x u
k t g
g σ
ρ µ
ρ ~
1
( )
i i
i i t B
t x
k u x
P u
P ∂
∂
+
∂
− ∂
− +
=µ ρε µ ρ
3
2 （2.3）
其中：
x 為卡氏座標（i i=1 , 2 , 3），u 為流體在i x 方向的絶對速度 i
t
eff µ µ
µ = + （2.4）
j i ij x s u
P ∂
≡ 2 ∂ （2.5）
i t
h i
B x
P g
∂
− ∂
≡ ρ
ρ σ
1
,
（2.6）
t
σh, 為紊流普朗特數（Turbulence Prandtl Number），σk則為經驗 值
（2）紊流能量散失率（Turbulence Dissipation Rate）方程式：
( )
∂
− ∂
∂ + ∂
∂
∂
j eff j
j u x
g x g t
ε σ ε µ ρ ρε
ε
1 ~
( )
∂
∂
+
∂
− ∂ +
=
i i
i i T B
t x
k u x
P u C k P
C ε µ µ ρ
ε
ε 3
2
3 1
i i
x C u
C k
∂
− ∂
− ε2ρε2 ε4ρε （2.7）
其中σε、Cε1、Cε2、Cε3與Cε4為經驗值，列表如下：
表2.2 Standard k −ε Turbulence Model Coefficients[13]
C µ σk σε C ε1 C ε2 C ε3 C ε4
0.09 1.0 1.22 1.44 1.92 1.44 -0.33
2.3 數值分析程序
2.3.1 建構幾何外形
首先以 CAD 軟體繪製三維實體模型，在藉由轉檔（IGS）匯入
Fluent，以利進行模型網格之建置。本研究中使用的風扇分析模型係
將離心風扇外殼略作簡化，以便於構建分析網格，外殼尺寸為：長度 89 mm、寬度 76 mm 、及厚度 13 mm，風扇內部之葉輪(Impeller)及 渦殼(Volute)則維持原狀，風扇上下兩面各有一個圓形入風口，側面 有一個長方形出風口。風扇葉片數目有 13個，外型為平板，如圖 2.2 所示。
圖2.2 風扇3D分析模型
為減少模擬誤差並符合實際測試狀況，在風扇模型之入口端及出 口端分別建立整流段，以模擬實際風洞測試平台，在雙入口處連接相 同尺寸之圓管，其直徑為50 mm、長度為30 mm，出口處沿著風扇中 心軸連接單一圓管，直徑為298 mm、長度為600 mm，如圖 2.3所示。
圖 2.3 連接風扇之風洞分析模型
Inlet-1(1atm)
Inlet-2(1atm) Fan: 4000rpm
Outlet
出口流道
葉輪(Impeller)
渦殼(Volute)
2.3.2 網格建立
網格建立是數值分析重要工作之一，網格多寡與優劣將影響分析 時間與模擬結果。本研究使用 Fluent 的前處理軟體 Gambit，先輸入 風扇及渦殼3D尺寸之IGS圖檔，並修飾轉檔所產生之幾何誤差，再 建立分析格點，網格種類包含結構或非結構六面體、四面體、角柱體、
和稜柱體，最後指定邊界區。
本研究將風洞分析模型分為四段來建立不同流體區，第一段為風 扇流體區（如圖 2.4 所示），此區網格最密，因為風扇轉動時流場相 當紊亂，應以較密之網格計算複雜之流場變化；第二段為渦殼流體 區，該區網格次密；第三段為雙吸入口整流段，一般而言，此圓柱形 整流段直徑不能小於風扇入口尺寸，以免影響分析結果；最後建立出 口處整流段，此段模擬風洞測試段尺寸來進行模擬分析，以期分析與 實驗較接近，此區域由風扇出口到大氣邊界，網格分佈由密到疏逐次 建立，形狀為非結構性網格。整個模型之網格佈置如圖 2.5 所示。
圖 2.4 風扇流體區網格
圖2.5 網格佈置
2.3.3 邊界條件
設定邊界條件時需考慮實體之運作情況，否則將影響計算結果之 真實性。在Gambit構建完成之網格檔讀入Fluent 軟體時，主要設定 之邊界條件有三：(1)風扇流體區轉數設定為 4000rpm、(2)風扇雙入 口壓力設定為一大氣壓（錶壓為0 Pa）、及(3)風扇出口壓力設定為特 定之靜壓值，此靜壓值將參考風扇P-Q性能曲線逐一選定。
2.3.4 收斂條件
在收斂條件的設定方面，本研究所設定的疊代次數為 4000 次，
收斂值是10-6，也就是在疊代的過程中，收斂值到達 10-6時，程式就 會停止，反之，在此區間如果發散程式將會自動停止。
2.3.5 計算與後處理
在經過相關設定以及檢查無誤後，就可讓電腦針對流場條件作數 值計算，這時需要注意殘餘改變率是否收斂或是發散。當結果為收斂 時，便可使用Fluent的後處理，將計算的結果，例如：各個格點的速 度、壓力值…等，顯示需要的截面速度向量或者壓力分佈圖…等，同
第三章 實驗量測
實驗部份分為三部份：第一部份為風扇性能量測，量測風扇P-Q 曲線，以及轉速變化。第二部份針對風扇噪音進行量測，現有示售風 扇搭配到筆記型電腦，要求達到 35dBA 以下。最後第三部份水洞雷 射流場視覺化，機台主要觀察散熱片流場變化，在此加裝渦殼支架 台，來觀測風扇渦殼流場。
3.1 風扇性能量測
3.1.1 實驗原理
根據NACA 210-85[11]，針對其性能量測之計算方法將於以下作 一說明，對於絶大多數的風扇，其靜壓值都低於250 mm-Aq，依此一 條件，可視空氣為不可壓縮流[21]。
3.1.1.1 風量計算
參考圖3.1，測量噴嘴出入口（PL3與PL4）之壓差，再配合各種 不同之噴嘴係數可推算出其斷面之流量。如欲計算待測風扇出口之流 量，就必須考慮密度變化之效應，其計算公式如下：
多噴嘴測試箱之風量計算公式為：
( )
∆
∑
=
n
n nA P C
Y
Q 4
3
3 265.7
ρ （3.1）
其中 Q 3 ：噴嘴組合所測得之風量，cmm
∆P ：噴嘴前後壓差，mm-Aq
ρ3 ：噴嘴上游之空氣密度，kg/m3 Y ：擴張係數（Expansion Factor）
C n ：第n個噴嘴的流量係數（Nozzle Discharge Coefficient）
A4n ：第n個噴嘴的喉部截面積，m2
圖 3.1 量測平面定義圖
又由於空氣中含有水氣，因此空氣的密度公式經修正，可得：
( )
( ) ( )
(
3)
00 0 3
63 . 13 15
.
273 P P
Td s +
+
=ρ +
ρ （3.2）
其中ρ0：環境空氣密度，kg/m3
0
Td ：環境乾球溫度，℃
P 0 ：大氣壓力，mm-Hg
T 3 ：噴嘴入口平面的空氣溫度，℃
而風扇的測量，是透過數個不同大小的噴嘴組合來進行，現假設 有一組性能數據，是透過 m 個開啟的噴嘴來測量風量，那麼，如上 述之解法，就必須對每一個開啟中的噴嘴，來計算m 個Cn值，然後，
再將結果代入（3.1）式中，以計算風量Q3。最後待測風扇的風量要 再將之換算成標準空氣下的值：
=
20 . 1
3 3
Q ρ
Q （3.3）
3.1.1.2 風壓計算
一般壓力值皆可直接由儀器測得，計算公式為：
6 . 19
2 2 2V P
Pt = s + ρ
（3.4）
P s ：待測風扇的靜壓
P t ：待測風扇的全壓
ρ2 ：待測風扇的出口空氣密度，kg/m3
V 2 ：待測風扇的出口速度，m/s
3.1.1.3 功率及效率
經由扭力計測得風扇之扭力（τ ），再由光纖轉速計測得轉速
（ω），則風扇輸入功率（W）即可得知：
12 33000
2
= πτω×
W （hp） （3.5）
再加上風壓及風量便可求得風扇效率：
W Q Ps
s 4500
= ⋅
η （3.6）
W Q Pt
t 4500
= ⋅
η （3.7）
3.1.2 實驗設備
風扇的量測，首先要考慮的是選擇適當的量測方法來建立合適的 測試設備，以獲得穩定的量測結果，而本研究在性能測試方面，所採 用的是美國空氣移控協會（Air Movement and Control Association，
AMCA）210-85之規範，並配合其它各種輔助量測的軟硬體。以下將 針對本研究所採用之風機性能量測設備，做說明。
一般所提到的性能測試設備，其實只是流量和靜壓的量測裝置。
因為流量的量測方法很多，如：噴嘴、孔口板、文氏管等，而每種方 法對於流量和壓差的量測均有嚴格規定，於是各國依其所選用的性能 量測法，各自發展出不同的性能測試標準規範，而在本研究中，所採 用的是AMCA 210-85之規範，其實驗設備（見圖3.2）包括：
1. 本體（Main Chamber）
測試本體為透明壓克力製造，配合風量調整置，可作為測試面 上、下游之流動空間，適合流量在0.6 cfm-150cfm 範圍之內，精確度 為0.5cfm。
2. 整流板（Straightener）
於實驗中主要是用於穩定流體之流動，以增加量測時的可信度。
3. 孔口板（Orifice Flowmeter）
各個孔口的直徑皆不相同，於實驗中可藉由不同大小之孔口的開 關組合來量測不同風量之測試風扇。
4. 輔助風機（Auxiliary Fan）
利用送風機提供測試時所須之風壓及風量，並藉此克服空氣由風 扇出口到後箱間的壓力損失。使用此裝置可模擬測試風扇為自由空氣 出口之情形。
5. 風量調節裝置（Variable Supply）
用來調整輔助風機的風量，以適應各種不同的測試風量。
6. 其它相關之軟、硬體
其包括有：電子差壓計（Differential Pressure Transducer）、光纖 轉速計（Non-Contact Tachometer）、電源供應器、多功能數據擷取系 統和個人電腦等，藉由這些量測儀器、資料存取設備及其它輔助設 備，可得到在量測時的相關資料，再配合已編寫好之程式，可計算出 風扇之流量、壓力、轉速、輸入功率及效率，進而得到風扇之性能曲 線圖。
1. 輔助風機 7. 差壓計
2. 變頻器 8. 溫度計
3. 整流板 9. 轉速計
4. 壁面靜壓 10. 乾濕球濕度計 5. 測試風扇 11. 大氣壓力計 6. 孔口板
圖3.2 實驗設備總圖
3.1.3 實驗規畫 3.1.3.1 實驗方法
針對本研究之風扇，對其轉速做改變，藉此獲得在不同轉速下的 性能曲線，加以分析與討論，同時也可做為往後一些相關研究的重要 參考資料；第二部分則是與一市售之風扇進行性能比對。
3.1.3.2 準備工作
由於風扇本身並不是一個穩定系統，且影響量測的因素相當多，
如：大氣環境的改變、風扇運轉時的狀態及量測設備的完善等，因此 在量測風扇之性能前，需先確認以下工作：
1. 運轉前先將所有儀器裝置好，再將風扇裝置於本體上並盡可能的 保持良好的密封狀態。
2. 由於多數之測量儀器是利用電子儀器，來求得欲測量之物理量
（如：壓力、溫度等），因此在使用前需做校正，以確保測量儀器的 可信度。
3. 打開輔助風機及待測風扇電源，使其運轉情況達穩定後，再將控 制風閘由全開到全閉，檢視開關是否正常，並查看資料顯示狀況。由 最大風量點調整到風量最小點，注意其間之壓力差值，再將此壓力差
3.1.3.3 測量步驟
為量測風扇性能曲線上的各點狀態，需不斷的調整風扇的操作狀 態，而為了使量測之數據正確，將依照下列步驟進行性能量測：
1. 由最大風量點（即風扇之靜壓為零之點）開始量測，量測時需注 意孔口前後壓差，並於需要時調整孔口之開關來因應流量之變化。
2. 待最大風量點之數據擷取完畢後，可利用輔助風機控制風門及變 頻器來調整壓力到適當值。
3. 依序調升壓力，每一次變化需調整孔口開關、輔助風機控制風門 及變頻器，使系統達穩定後，才可開始資料的擷取。
4. 將電腦擷取之數筆資料存於不同檔案中，再利用電腦程式計算出 風量（Q）、壓力（P）及效率（η）值。
將計算結果輸入繪圖軟體－Tecplot，即可得到風扇之性能曲線圖。
3.2 噪音量測 3.2.1 量測原理
聲音的形成是由於物體表面的振動，引起空氣的壓力變化，壓力 波會向外擴散傳播，當它引起人們耳朵內的耳膜相對應振動，就會有
通常用聲功率位準或聲壓位準來表示，不過這是兩種完全不同的物理 量。聲功率表達的是風扇產生噪音之能力，而聲壓則是人耳感受到的 噪音強弱。聲壓會隨周圍環境如溫度、介質以及量測距離和方向而改 變，所以聲音位準值皆與位置有關，若不是和聲源相隔某個距離，就 是在一個特定的空間裡。而聲功率則否，其因是聲壓好比溫度，會因 地而異，而聲功率好比熱量，是聲源及熱源的物理特性，不會因環境 因素而改變。如此，聲壓之量測較為簡單，通常只要一支麥克風即可；
而聲功率則需要特殊的量測儀器與技巧才能測得[22]。而風扇噪音測 試目的及內容如下：
(一) 風扇噪音測試目的
1.評定風扇噪音的噪音位準，檢視其是否合乎相關的規範要求。
2.客觀比較同類產品的性能。
3.檢查風扇對有關場所或機器的影響。
4.找出風扇之主要音源，作為風扇改善設計或噪音防治之依據。
(二) 風扇噪音測試內容
本文是測量所指定測量位置的A 加權之聲壓位準( dBA)：
人類的耳朵大致上可以聽到20~20000 Hz頻率範圍的聲音，基本 上，同樣強度的聲音在經過人耳的接收後，對2000~4000Hz頻率的聲 音會產生特別強度的感覺，因此此頻率範圍的聲音所造成的不舒適性 就特別的明顯。A－Weighting的測量單位，就是強調此頻率範圍對人 耳所造成的影響。一般規格化的噪音量測器，皆是使用此種方式，故 普遍應用在一般之工業噪音量測。此種單位在量測上非常方便，因為 大部份的噪音量測儀器已將此種加權方式內建在儀器中，因此所量測 之數據立即可見，而不須要再度運算，因此用於現場的噪音量測有其 方便性[23]。
×
=
Pref
SPL 20 log P （3.8）
Pa
Pref =20µ
Pref 為人耳所感受到的最微弱的聲音擾動 2.噪音頻譜分析
為更詳細地了解噪音的成分及性質，尤其窄頻帶噪音頻譜
分析，特別是用在音源分析和診斷上。
3.2.2 噪音實驗設備
噪音量測系統大致可以分為兩大部份，分別為聲壓噪音計及雙頻 道 FFT分析儀，可獲得窄頻與寬頻的噪音頻譜，而取得噪音特性。
（1） 多功能精密噪音計
用於噪音量測，並和頻譜分析儀連結，以測風扇出口噪音，獲得風扇 噪音的頻譜特性。機型為 RION NL-14，其音壓之測定範圍為30 dB 至130 dB，頻率量測的範圍為31.5 Hz 至8000 Hz，指示計的動特性可 分為快速(Fast)54動特性、慢速(Slow)動特性及計時計算等。
（2） 雙頻道 FFT 分析儀
此儀器可針對各噪音源進行聲壓測試，也可配合聲強軟體作噪音源與 音場分析。機型為AD-3524 機型，它是示波器、數位記憶與頻譜分 析儀之綜合體；其功能為應用傅立葉級數之高速運算，配合 A/D(類 比/數位)線路之儲存及轉換，分析各種時域及頻域範圍下之信號變化 量。在聲音分析應用範圍上，具有倍頻分析(Octave)、噪音位準、信 號雜音比(SNR)、頻率響應分析(FRA)等功能。聲壓位準範圍為 31.5
~8000 Hz、30 ~ 146 dB、A 及C 加權。而動態響應範圍為80 dB， TimeDomain 區隔範圍有64 ~ 8192 點、 Spectrum Domain 25 ~ 3200 lines。
3.2.3 量測步驟
本文所提之噪音測試系統架設於實驗室中央，並在距離測試風扇 出入口均為1m、而入口為與風扇垂直呈90°以及在出口為與風扇呈45°
處架設噪音計，於此半自由聲場下量測聲壓。此外，風扇噪音之聲壓 位準也遠高於量測環境之背景噪音，以確保風扇噪音源分析不受外界 干擾。而噪音計的架設位置、待測風扇的相對位置及半無響室，如圖 3.3所示，而在半無迴響室中的所有內壁上，皆會安裝上由吸音材所 製成的楔型（wedge）吸音楔。
圖3.3 量測風扇架設
3.3 水洞雷射流場視覺化之實驗設備
水洞雷射是近年發展的流場可視化法。此技術是一種非干擾性的 光學量測法，具有全場、定量及高時間解析度等特性。它是一種非侵 入的、間接的、整個流場剖面的量測技術，具有高的空間解析度和線 上及時處理影像的能力。它能應用於多數的內外流場，且除了流場觀 測外，更能從其影像計算出流場速度。故已廣泛地被使用於流場量測 上。
3.3.1 實驗原理
為方便光學量測起見未來實驗將採用水洞模型，模型依據流力相 似性原理設計，在流體力學上要製造出一個與實體相似的模型,則必 須具備(1)幾何相似(2)運動相似(3)動力相似。在幾何相似中由於選擇 與空氣中所以符合幾何相似定理。在運動相似中由於是模擬翼形的流 場的運動狀態所以符合運動相似定理。在動力相似上則須考慮密度
( )ρ 、轉數( )Ν 、直徑( )D 、水壓頭(∆HD)、流力( )Q 、重力( )g 、功率( )p … 等參數,所以便使用巴金漢無因次分析法Π
(BackinghamΠ-method)找出下列的無因次參數 v ND2
、 3 ND
Q 、
D HD
∆ 、 2
ND
g 、 5 3 N pD
P 其中又以第一項雷諾數(Reynold’s munber)影響
propeller。
由於空氣中的 Vwater=1.2×10-6 s m
與水中 Vair=1.5
s
5 m 10−
× 兩者的比
值 0.08
10 5 . 1
10 2 . 1
5 6
=
×
= ×
=
−
−
s m
s m Vair
V N
N water
air
water 所以在實驗為了要符合動力相似
所以在轉速上比需要乘上 0.08 做調整。在空氣中的 4000rpm 轉成水 中的320rpm，這轉數為實驗中的測試速度。
3.3.2 實驗設備
此實驗機台，如圖3.4 所示，為工研院機械所用於觀測桌上型散 熱器葉片間流場觀測。
（1） 水槽固定平台
實驗平台的結構是由角鐵所組成，在角鐵間放置水槽，水槽的外徑 83cm×80cm×1.3cm 鋁板，鋁板功用在固定鋁板上方的旋轉機構及下 方的風扇固定平台。風扇固定平台的大小為30cm×30cm×0.5cm的鋁 板，它的作用在於固定風扇。
（2） 相機及雷射
的Axial Plane和Diametral Plane，所以雷射光頁會依所需觀測的不同 而切在與風扇出口方向垂直(Axial Plane)或平行(Diametral Plane)的截 面，所以相機會因此而放置在水槽的前方及下方兩個不同位置。
（3） 雷射固定平台
在水槽的兩端放置了鋁板，目的用來放置雷射極光頁產生器。
（4） 支架台
固定待測風扇，將風扇置於水槽中，支架高度為 30 ㎝，使用厚 度5㎜壓克力板製作，如圖3.5 所示。
1 馬達支撐架 8 渦殼支撐架
2 馬達 9 雷射光分光頁
3 轉速計 10 雷射
4 三角夾頭 11 攝影機
5 風扇 12 不銹鋼架
6 待測渦殼 13 電腦
7 水箱 14 影像處理
圖 3.4 流場觀測架構圖
圖3.5 支架實體圖
3.3.3 實驗步驟
在可視化部份,主要硬體為雷射光源,雷射光源係使用工業用小型 雷射光頭,為半導體雷射激發之固態雷射,特性為輕薄短小,光源內使 用柱鏡使其產生光頁,在水中須植入質點提供反光,作為影像顯示使用, 水中質點為特殊ABS塑膠粉末。藉此可實驗離心式風扇渦殼（圖 3.6 所示）流場現象。
（a）渦殼
（b）上蓋
圖 3.6 風扇渦殼實體圖
第四章 結果與分析討論
4.1 數值結果與分析 4.1.1 網格數驗證
在進行數值分析之前先作網格數驗證工作，方法是同時對風扇流 體區、渦殼流體區、風扇入口整流段、及風扇出口整流段等四個區域 作粗細網格之設定。驗證的網格數目包含159,427、272,254、429,860、 689,404、及825,132等五種，結果如表4.1所示，當網格數大於 429,860 後，流量已趨於定值，且前後兩種網格數之流量值差距小於 1%，因 此選定689,404 網格數配置進行模擬分析。
表4.1 不同網格數之風扇流量
網格數 流量Q(CFM)
159427 6.010 272254 5.999 429860 5.988 689404 5.985 825132 5.976
表 4.2 網格數
Parts Dimensional (mm) Mesh numbers
Fan 1.2 79025
Housing 1 179978
inlet 3 82608
outlet(一) 4 261579
outlet(二) 10 68331
outlet(三) 20 13011
outlet(四) 30
Tetrahedral/
Hybrid
5872
Total 689404
4.1.2 疊代次數選擇
旋轉風扇所產生之流場相當複雜，由初始假設(Initial guess)之簡 單流場開始計算，必須經過足夠之疊代次數才會到達收歛，雖然較多 的疊代次數會得到較佳之結果，但花費的時間也相對增加。為找出合 理的疊代次數，乃根據前節選定的 689,404 網格數配置，每格 1000 次疊代數監測風扇出口流量，共計監測 8 次（表 4.3 所示），結果如 圖 4.1 所示。由該圖可看出，當疊代數超過 4000 次以後，流量值已
趨近定值，因此本研究以4000 次疊代數作為模擬分析之疊代上限。
表 4.3 不同疊代次數之風扇流量
Iteration Q（CFM）
1000 5.9732
2000 5.9864 3000 5.9856 4000 5.9854 5000 5.9853 6000 5.9851 7000 5.9849 8000 5.9851
流量Q(CFM)
4.1.3 風扇性能曲線
風扇之基本特性有壓力P、流量Q、轉速N、及效率η等等，本 研究主要是分析壓力與流量特性曲線，因為流動空氣所產生之壓力包 含全壓、動壓、及靜壓等三種，所以風扇性能曲線常以全壓曲線（Pt-Q） 和靜壓曲線（Ps-Q）來表示之。
全壓＝靜壓＋動壓
2
2 1 V P
P P
Pt = s+ v = s + ρ
(5.1)
通常冷卻系統選用搭配之風扇時，最重要是看風扇靜壓性能曲線 與系統阻抗曲線，並加以匹配，一般風扇之操作點是介於系統阻抗曲 線30°∼60°之間。參考實驗數據，分別訂定六個靜壓值，以便進行模 擬分析，其中包括兩點較小的靜壓值、兩點中等大小的靜壓值、及兩 點較大的靜壓值；其系統阻抗曲線分別介於 0°∼30°、30°∼60°、60°
以上等三個區域，如圖4.2 所示。
模擬分析方式為，改變出口壓力值，進行模擬分析，當程式收斂 時，計算風扇出口之流量，即可求出風扇之 P-Q關係，如表4.4所示。
圖4.3 顯示風扇之P-Q曲線所走之趨勢。
圖4.2 系統阻抗操作決定
表4.4 風量性能分析值(Fluent數值分析)
分析點 壓力 Ps（mm-Aq） 流量Q（CFM）
1 0 5.985
2 2 5.104
3 4.08 3.951
4 5 3.303
5 6.23 2.431
最大流量點 操作點
關斷點 6 7.4 1.405
0~30o 30o~60o 60o~90o
0~30o
圖 4.3 風量性能分析曲線圖
4.1.4 流速與壓力之分析結果
當風扇轉動時吸入空氣，因為離心力導致氣體靜壓增加，葉片兩 側將形成壓力面壓力為 2.73pascal 與吸力面壓力為-33.9pascal，可以 判斷本研究數值的模式、方向無誤，如圖4.4 紅圈葉片之靜壓力所示。
此種葉片兩面形成之不同壓力分佈，在未來葉片幾何及強度設計將有 助益。
流量Q(CFM)
以下將依最大流量點(分析點1)、操作點(分析點3)、及關斷點附 近(分析點6)等三種狀況之分析結果進行討論。
圖4.4 風扇葉片表面之壓力分佈圖 4.1.4.1 最大流量點之分析
圖4.5與圖4.6為最大流量點時風扇中心位置平行剖面(X-Z剖面) 之速度分佈與壓力分佈圖，由圖 4.5可看出，在葉片流道中，壓力面 之空氣流速為5.43m/s比吸力面之空氣流速為 9.96m/s來的低，此外 葉輪轂徑附近之空氣流速為4.53m/s 比葉尖區域流速為10.9m/s來的 低。由圖4.6 可看出，葉片壓力面之空氣壓力27.2pascal比吸力面之 空氣壓力介於21.7pascal 來的高，葉輪轂徑附近之空氣壓力為
壓力面 吸力面
2.73pascal比葉尖區域壓力為 51.6pascal來的低。上述現象在臨近出 口區域之流道中更加明顯。此外，在渦殼流道中，空氣自舌端往出口 流動，壓力逐漸增加由-9.72pascal至27.2pascal，在圖4.7 風扇中心位 置垂直剖面(Y-Z剖面)之壓力分佈圖中也可看出相同現象。
圖 4.5 最大流量時X-Z 剖面速度分佈圖
圖 4.6 最大流量時X-Z 剖面壓力分佈圖
圖 4.7 最大流量時 Y-Z剖面壓力分佈圖
4.1.4.2 操作點及關斷點附近之分析結果
圖4.8與圖4.9為操作點附近(即分析點3)風扇中心位置平行剖面 (X-Z剖面)之速度分佈與壓力分佈圖，圖4.10與圖 4.11為關斷點
（Cut-off）附近(即分析點6)風扇中心位置平行剖面(X-Z剖面)之速度 分佈與壓力分佈圖。觀察圖4.9與圖 4.11，當風扇出口壓力越高，內 部各區域之壓力也相對提高，風扇之等壓線分佈越均勻，尤其是在葉 片間流道通路之壓力分佈之高低層次更可明顯看出。此外，由圖4.8 與圖4.10可看出，當風扇出口壓力昇高，即風壓高以便克服系統阻 抗時，風扇出口之流速降低，當接近關斷點時，渦殼出口處之流場變 得相當混亂，出口上導板之後方及下導板之下方都出現迴流區，此迴 流現象將阻塞出口通路，降低空氣流量，此狀況勢必影響風扇之效率。
圖 4.9 操作點附近X-Z 剖面壓力分佈圖
圖4.10 關斷點附近 X-Z剖面速度分佈圖
圖 4.11 關斷點附近X-Z剖面壓力分佈圖
由以上諸圖可看出，風扇葉輪利用馬達帶動，電能經由機械能轉 換為空氣動能，使得低壓之空氣由入口進入，當空氣到達出口端時，
壓力提升至足夠之額度，以便克服散熱模組之系統阻抗，進行冷卻作 用，此狀況符合實際運轉之物理現象。
4.2 實驗結果與分析 4.2.1 風扇性能量測結果
將離心風扇組裝於測試台，如圖4.12所示，並維持固定的輸入 電壓5V，分別改變輔助風機之運轉頻率，由最大風量之全開點到最 小風量之關斷(Cut-off)點，分別選取十種狀況進行性能測試，結果如 表4.4 所示。由圖4.13風扇之流量-靜壓關係圖可知曲線走勢，並同 時由圖4.14流量與轉速得知流量最大時轉速為3800 rpm，隨著流量 減小，壓力升高，轉速提高至4414 rpm。
圖4. 12 離心風扇組裝測試圖
表 4.5 風扇性能測試值（AMCA 實驗量測）
靜壓Ps（mm-Aq） 流量Q（CFM） 轉速 RPM
9.52 0.00 4414
8.54 1.20 4326
7.41 2.08 4284
6.47 2.61 4237
5.33 3.37 4155
4.92 3.62 4130
3.83 4.19 4054
2.74 4.67 3966
1.69 5.12 3888
0 5.86 3800
圖4.13 風扇性能曲線圖
流量Q (CFM)
圖4.14 風量與轉速關係圖
4.2.2 噪音量測結果
將風扇固定於半無響室中央離地1.2 公尺，麥克風位於量測點為 1公尺（如圖4.15所示），每一量測點最大噪音值發生在頻率 36Hz， 平均為32.65dBA，而量測點 3為出風口，產生較小噪音為 30.62dBA， 但量測點1是馬達固定板，入風口較小，產生較大噪音為33.55dBA。 數據彙整於表4.6。
風扇的扇葉通過頻率（Blade Passing Frequency）等於葉片數目乘
流量Q (CFM)
上轉速約為867 Hz，這風扇的噪音通常在這頻帶附近有高噪音出線，
如圖4.16、4.17、4.18、及4.19紅色圈所示。
) ( 60 867
4000 13
60N Hz
BPF Z
=•
= ×
= ×
Z = 風扇之葉片數目、N = 風扇轉速（rpm）
圖4.15 噪音量測組裝圖（紅色圈中為量測風扇）
表4.6 各量測點噪音值表
數據 量測點1 量測點2 量測點 3 量測點4
總噪音值 37.05 36.41 34.34 39.24
最大噪音值 33.55 33.07 30.62 33.35
Point 1
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Frequency(Hz)
SPL(dbA)
圖4.16 風扇背板入風口量測點 1
Point 2
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Frequency(Hz)
SPL(dbA)
圖4.17 風扇出風口量測點 2
33.6dBA
33.1dBA
Point 3
-5 0 5 10 15 20 25 30 35
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Frequency(Hz)
SBL(dbA)
圖4.18 風扇出風口量測點 3
Point 4
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Frequency(Hz)
SPL(dbA)
圖 4.19 風扇正入風口量測點4
30.6dBA
33.3dBA
4.2.3 水洞雷射流場視覺化之實驗結果
將風扇渦殼架設於水槽中，如圖 4.20所示，並將轉速計調於320 rpm，模擬於空氣中4000 rpm，結果錄製影像，並截取圖檔。
圖4.21、4.22所示，垂直風扇出口平面影像圖，可以很清楚看到 風扇出口區水中質點，能很順流出，而在渦殼流道的舌端聚集較多質 點。出口區兩片導流板，能有效把質點導出，不在渦殼出口區產生渦 流現象。
圖4.23、4.24所示，平行風扇出口平面影像圖，在風扇正入口於 圖下方，水中質點進入渦殼中而沒有產生迴流現象，圖下方是方扇背 板有小面積入口，有少許質點流入。
圖4.21 垂直出口平面影像圖一
圖4.22 垂直出口平面影像圖二
圖4.23 平行出口平面影像圖一
圖4.24 平行出口平面影像圖二
4.3 數值分析與實驗量測結果比較
將表4.4 與表4.5 之風量性能測試值與分析值加以整理，並作差 異估算，結果如表4.7與圖 4.25所示，由此數據可發現，模擬分析之 P-Q曲線分佈與實驗量測之P-Q曲線分佈有相同之趨勢，但在相同之 壓力值下，模擬分析之流量小於實驗量測之流量，兩者之平均誤差約 為10%，然而介於4cfm~6cfm平均誤差約為2.4%。
表4.7 分析與實驗誤差百分比
量測點 壓力Ps
Fluent數值 分析Q
AMCA量測 實驗Q
誤差(%)
第一點 0 5.985 5.86 2.13
第二點 2 5.104 4.987 2.34
第三點 4.08 3.951 4.062 2.74
第四點 5 3.303 3.57 7.48
第五點 6.23 2.431 2.788 12.81
第六點 7.4 1.405 2.08 32.46
圖 4.25 風扇性能測試與模擬分析曲線
4.4 市售與本研究風扇之性能比較
為了驗證此風扇確實能應用於現今產業界，因此選擇著名風扇廠 之5511 風扇（如圖4.26所示）作為比較機種（在此簡稱為Sample） [23]。由於市售風扇之最大轉速約在3800 RPM，與本研究之風扇轉 速一致，兩者進行比較。
圖4-27為本研究之風扇與一市售之風扇經由實驗量測得到之流 量對靜壓關係圖，不論於流量方面或是靜壓方面，都優於比較機種，
只在最大流量時略小於比較機種，同時表4.6 得知本研究風扇最大流
流量Q(AMCA 量測) 流量Q(Fluent 數值分析)
量約為5.86 cfm，相對於市售之最大流量5.90 cfm，約減少0.67﹪，
而於靜壓方面增加了約28.6﹪，所以與系統搭配時，更能克服系統阻 抗。
而在噪音方面，比較機種噪音值為 31.5dBA，約優於本研究風 扇之32.6dBA，約增加3.5﹪，不影響使用者舒適感，所以本研究扇 風扇，整體性能展現優良。
圖4.26 市售風扇實體圖
表4.8 不同風扇之性能比較表
實驗項目 市售風扇 本研究之風扇
最大流量（cfm） 5.9 5.86
百分比 N/A -0.67
最大靜壓（mm-Aq） 7.4 9.52
百分比 N/A 28.6
最大風量轉速（RPM） 3800 3800
噪音（dB） 31.5 32.6
百分比 N/A 3.5
本研究風扇 市售風扇
第五章 結論與建議
經由以上之數值模擬分析與實驗驗證，我們可得到下列幾項結 論：
（1） 模擬分析與實驗量測之風扇 P-Q 性能分佈趨勢相同，但模擬 之流量較實驗之流量小約 10%。造成此種誤差之可能原因有以下幾 點：
1. 模擬分析之風扇模型幾何尺寸與風扇實體尺寸略有差異。
2. 模擬分析模型中風扇入口與出口延伸之整流管尺寸可能不太 恰當，以致延伸管壓力設定與實際物理現象不太吻合。
3. Standard k-ε紊流模式不一定適用於此種離心風扇性能曲線上 各點之模擬分析。根據李延青等人[7]研究發現k-ε 紊流模式在風量高 區域與實驗值接近，k-ω 紊流模式在風量低區域與實驗值接近。
4. 實驗測試系採定電壓方式，由觀察得知， P-Q 曲線上每點之 風扇轉速會有不同，反觀模擬分析時風扇都採用定轉速之設定，此不 同設定值對分析結果將有影響。
5. 除穩態分析之外，可考慮使用暫態(Transient)分析。
（2） 最大流量點處，風扇壓力面之空氣流速比吸力面低，轂徑之 空氣流速比葉尖低；風扇壓力面之空氣壓力比吸力面高，轂徑之空氣
壓力比葉尖低。渦殼中自舌端至出口，空氣壓力逐漸增加。
（3） 當風扇出口壓力昇高，內部各區域之壓力也相對提高，且流 速降低。接近關斷點時，渦殼出口處之流場變得相當混亂，出口導板 附近出現迴流區。
（4） 在噪音方面，風扇噪音介於30~33dBA，會發生原因可能為：
1. 馬達轉動聲響，產生較大噪音值，
2. 背板吸入口小，產生氣動噪音。
（5） 水洞雷射流場視覺化之實驗，可以觀測渦殼內流場，改變雷 射光頁方向能平行出口平面觀察入口區、及垂直出口平面觀察出口 區。
（6） 本研究之風扇與市售之風扇，得知本研究風扇最大流量約為 約減少0.67﹪，而於靜壓方面增加了約 28.6﹪。而在噪音方面約增加 3.5﹪，不影響使用者舒適感，所以本研究扇風扇，整體性能展現優 良。
未來建議將朝下列方式繼續進行
（1） 數值模擬分析：
1. 改變風扇進出口延伸管之幾何尺寸。
3. 選擇其他紊流模式。
4. 改變風扇出口導流板形狀以期改善迴流現象。
5. 暫態分析。
（2） 水洞雷射流場視覺化之實驗：
將來增加高速攝影機及後處理部份，利用記錄下來的散射光點，
分析兩次曝光的位移，再除以已知間隔時間，即得粒子所在位置的流 速，藉此觀測風扇渦殼流場現象。
希望經由進一步之探討能建立較準確之 CFD 分析能力，以開發 性能優良效率較高之離心風扇。
參考文獻
[1] 資策會，http://www.iii.org.tw/。
[2] Intel公司，http://www.intel.com/。
[3] 向永中，”關於風扇的一些基本常識-特性曲線、振動與噪音”，技 術與訓練11 卷6期，pp.12~23，中華民國 75年6月。
[4] 黃家烈，“筆記型電腦散熱風扇之研究”，博士論文，國立台灣科 技大學，2001。
[5] 游裕傑，“離心式電腦風扇的設計與分析”，碩士論文，國力成功 大學，2002。
[6] 李志良、吳邦彥、陳榮舜，”離心式風扇性能測試之CFDesign 數 值模擬”，第十一屆全國計算流體力學學術研討會，台東，2004。
[7] 李延青、鄭名山、陳來富、李隆正，”無塵室用 FFU 之內流場數 值模擬”，第九屆全國全國計算流體力學學術研討會，2002。
[8] Zeller, W. and Stang, H., “Predetermination of the Axial-Flow Fans”, Heizung Luftung Haustchnik, Vol.9, No.12, 1957.
[9] Leidel, W., “EInfluss von Zungenabstand und Zungenradius auf Kennlinie und Gerausch eines Radialventilators”, DLR-FB69-16, 1969.
