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用风扇法则来推算风扇性能

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阅读次数 117      发表日期 2021-12-25 23:36
厂商给出的P-Q曲线是风扇在最大转速下测定而出的,而且在实际使用中,风扇的转速往往是动态的,大部分时候都不是满转速运行,因此满转速的P-Q曲线参考价值其实很低。
那么风扇在满转速下的P-Q特征曲线是否真的意义不大呢?其实在风扇行业内是有一个名为“风扇法则”的规律,通过这个规律的灵活运用,再结合已有的P-Q特征曲线,我们是可以快速判断风扇在不同转速下的工作状况,以及它是否可以满足我们使用需求。
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风扇法则是什么?
风扇法则描述的是风扇尺寸、风量、风压、转速、功率、噪音以及空气密度等多种参数之间的关系,但由于并不是每一个参数都与其它参数有关联,例如同一个风扇在不同密度的空气中,风量都是不会改变的,因此风扇法则包含的并不仅有一个公式,而是多个公式的组合。通过这些公式,我们就可以在大体上了解一款风扇在工作性能,并对我们在PC DIY领域中的部分关于风扇选择的问题作出快速解答。
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风扇中的主要参数都与风扇法则有关
风扇法则中涉及的参数包括有D(风扇直径)、N(风扇转速)、P(风压,一般指静压)、Q(风量)、W(风功率)、LW(声功率)以及ρ(空气密度), 而在谈及风扇法则的时候,基本都默认风扇的扇叶设计例如角度和叶片数量都是相同的,毕竟就算是同尺寸、同转速的风扇,改变扇叶设计同样可以带来风量和风压上的不同,如果要涉及到这个领域,那么风扇参数之间的关系就更复杂了。
风扇法则应用最广的是与风量、风压以及风功率相关的三个公式,以及与噪音相关的声功率公式,这次我们就针对这几个公式进行简单的讲解。
风量公式:转速与风量呈正比
首先我们看看风扇的风量与直径、转速之间的关系,计算公式如下所示。
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从这个公式我们可以看出,风扇的风量与转速呈正比,与直径则呈立方关系。举例说明,对于同一把风扇来说,在转速为800RPM时,其风量是1600RPM下的1/2;倘若有两把扇叶设计相同的12cm风扇与14cm风扇,如果两者要提供相同的风量,那么12cm风扇的转速理论上要达到14cm风扇的(140/120)3≈1.6倍,也就是说12cm风扇在1600RPM下提供的风量,对于同款扇叶设计的14cm风扇来说只需要1000RPM就可以做到了。
风压公式:转速提升至2倍,则风压提升至4倍
而风扇的静压不仅与直径以及转速有关,空气密度的变化也会影响到风扇静压,具体的公式如下所示。从这个公式我们可以看出,风压与风扇直径呈平方关系,与转速也呈平方关系,与空气密度则呈正比。不过以PC DIY常见的使用环境来说,空气密度基本上不会发生太大的变化,因此这部分在实际使用时其可以忽略不计。
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对于同一把风扇来说,当其实际运行转速只有满转速的1/2时,那么其提供的风压就只有满转速下的1/4,换句话说,改变风扇的转速,风压的变化幅度往往会比风量更大。
而通过这个公式我们也可以看出,如果两款风扇的扇叶设计与叶片数量相同,仅仅只是尺寸和转速上有所不同,同时又满足D1*N1=D2*N2(直径与转速的乘积相同),相当于扇叶末端的线速度相同,那么两把风扇提供的静压是基本相等的。而结合风量公式则可以看出,在同样的条件下,由于风量与两者的直径则呈立方关系,换算之后可以得出,大尺寸风扇的风量依然会更高,倍数是两者直径比值的平方。
风功率:转速提升至2倍,风功率增加至8倍
风扇法则的第三条公式则与风功率有关,计算公式如下所示,可以看到对于同一把风扇来说,风功率与风扇的转速呈立方关系,而对于不同尺寸但转速相同的风扇来说,风功率则与扇叶直径则呈5次方关系。
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大家仔细观察的话其实会发现,风功率的计算公式实际上就是风量公式与风压公式的结合,因为风功率就是风量与风压的乘积,所以业内常常说的“高风压低风量、低风压高风量”其实是有前提的,就是在风功率相同甚至是同一把风扇的情况下才会有这样关系。
风功率不仅仅代表着风扇的散热效能,同时它还影响着风扇驱动电机的选择。理论上说,要提供多大的风功率,那么驱动电机的输出功率就得有多大。但实际中是存在能量转换效率的,因此一般来说电机的运行功率会比风扇可以提供的风功率更高,不过这点就不需要我们担心了,这是厂商需要解决的事情。
此外通过这个公式我们也可以看到,其实风扇转速的提升对于风功率有极大的影响,转速提升至2倍,风功率则提升至8倍,对于电机功率的需求也水涨船高。
声功率:转速越高,声功率越高
风扇的风量与风压代表着它的散热效能,但是对于我们来说,风扇的使用体验并不只有散热效能,其运转噪音的大小也会直接影响我们的感受。风扇运转时发出的声音的大小可以用声功率来表示,只是声功率不能直接测量,只能通过测量声压或者声强的方式来进行计算,这部分的内容我们会另觅时间给大家讲解。
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对于风扇来说,声功率的变化与风扇的直径、转速以及空气密度有关,而空气密度在实际使用中变化几乎可以忽略不计,因此直径越大、转速越高的风扇,其声功率往往会越高,也就我们说的运转噪声往往也会越大。
风扇的并联与串联:并联风量叠加,串联风压叠加
风扇的并联与串联严格意义上不属于风扇法则的范畴,但是在我们实际应用中是很常见的,因此在这里也稍微讲一讲。所谓风扇的并联与串联,其实是指在一个密闭的散热体系中,两把风扇并排安装或者是重叠安装,其中并排安装就是风扇并联,在PC DIY中是最常见的,例如机箱的前置风扇安装,冷排上的风扇安装等等;而风扇重叠安装的方式则是串联,在PC DIY中相对少见,比较类似的是双塔式散热器的前后两把风扇,或者是冷排两侧都安装风扇的方式。
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双塔风冷散热器的风扇就类似于串联式安装
风扇的并联或串联影响的主要是整个系统的风量或风压,一般来说风扇并联安装,风压不变但风量叠加,而串联安装的风扇则相反,风压叠加但风量不变。因此对于有大风量需求的应用环境,例如机箱散热,都是采用多个风扇并联安装的方式;而对于有大风压要求的环境,例如通风管道内部,就会使用多个风扇串联的方式来增强管道内的风压。
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水冷排上的则是典型的并联风扇安装
风扇法则的实际应用:推算风扇在不同转速下的性能
那么风扇法则在我们选择风扇时可以起到怎样的作用呢?我们举例可以说明,扇叶设计相同但直径不同的两把风扇,一把为12cm,另一把为14cm,当两者提供相同风量的时候,经计算可以得出12cm风扇的转速接近于14cm风扇的1.6倍,在风压上12cm风扇将是14cm风扇的1.85倍,但声功率则是14cm风扇更低。因此对于扇叶设计相同的两把风扇来说,相同风量时小直径风扇的转速会更高,风压更大,噪音也会更高。
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(图中1500RPM的P-Q曲线为实际测定值)
不过要说到风扇法则最有用的地方,那还是用来快速判断风扇在不同转速下的表现。风扇的最高风量与最高风压其实都是在特定环境中测试得出的,两者并不能同时存在,因此风扇会有P-Q特性曲线。而P-Q特性曲线一般是在风扇最高转速下测定的,因此在已经给出风扇最大转速以及相应P-Q曲线时,我们就可以推算出其在不同转速下的大致性能。
以上图为例,当我们拥有一款风扇在满转速2000RPM下的P-Q曲线以及相应的参数,那么我们就可以根据这些参数推算出其在1500RPM下的P-Q曲线,然后套入到参考系中,就可以知道这款风扇是否合适我们的应用环境了。从图上的数据可以看到,这款风扇在1500RPM转速时,在冷排上工作点仍然是失速区,并不合适,但在塔式风冷以及机箱散热上则处于正常状态,因此这款风扇比较适合用在塔式风冷以及机箱散热上。
来源:超能网


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