揭秘笔记本散热：边界层耗能96%，这样设计更安静
时至初夏，气温明显高了许多，各位或许正在嘈杂的风扇噪音中损耗精神，小编的工作每天都要用到电脑，哗哗的风扇伴随着烫手的余热成为了日常；在下曾经用过各个品牌的电脑散热风扇，有的像拖拉机，有的很安静但是散热效果一般，仔细观察，除了电机转速不一样就是风扇叶片结构有区别，那么就可以用CFD仿真模拟找出在同样转速下最静音高效的叶片结构。我们就以笔记本的涡轮增压风扇为例来探讨这背后的物理，涡轮风扇主要由风扇和蜗壳构成，蜗壳有一个侧面开口叫蜗舌；当风扇转动时，风从蜗壳上下面开口处进入，蜗舌处喷出。我们想知道这个风扇怎么设计才好，可以从两个方面来考虑，第一就是直接测，实验也好，仿真也好，然后改结构（3D打印）看蜗口流量，看静压，测噪音等，还有一种就是仿真分析频谱来确定噪声源和流动损失，凭此优化设计。巴勒斯坦的一个团队就提出了一个仿生的风扇结构，以ThinkPad Carbon X1的风扇为基准，经过仿真测试这种结构，研究人员得出这种结构蜗舌处空气的体积流量显著增加了约20.1%，静压显著增加了20%，并且高速噪音大大降低，贴个图但这是不是最优解不知道，只是工程研究种一次成功的尝试，该设计目前已申请专利。为了进一步探究这个问题，还是要采取一些物理手段，我们知道声音的本质是震动，而影响震动的是频率，所以自然需要研究频谱，而蜗口分量的本质是动能，需要看能谱。华中科技的团队用ANSYS软件的rans和LES湍流模型模拟分析涡轮风扇转动的熵产过程，他们采用的简化模型如下(不可压)采用SST模型并且时均化上述方程获得rans方程，都是常规方法，此外就是一些离散化网格设置，边界层加密等耗时的操作。 实际模拟后他们发现叶片通过频率（BPF）及其二次谐波（2×BPF）的压力波动幅度在蜗壳壁（尤其是蜗舌区域）显著高于扇叶表面，高频成分（如BPF）的噪声主要源于蜗壳壁的压力波动，尤其是蜗舌区域与叶片周期性相互作用产生的周期性涡脱落；旋转频率（RF）及其低次谐波的压力波动在扇叶表面（尤其是吸力面叶尖区域）更显著，蜗壳区域的湍流时间尺度较大（低频），但这可能反映的是大尺度湍流结构的低频特性，而非直接的噪声频率。噪声的低频成分仍主要与扇叶表面的流动分离相关；通俗来说就是蜗壳主导高频噪音，扇叶主导低频噪音。上述团队的工作通过流场分析与熵产量化，明确了超薄离心风机的主要损失机制（边界层主导）和噪声源（蜗壳高频、叶片低频），可以指导我们改良笔记本电脑的涡轮风扇，其核心原则如下：（1）表面处理，降低摩擦（减小边界层效应）（2）几何优化和通流设计（抑制湍流）巴勒斯坦团队的仿生风扇其实遵循了第二点的设计，起到了抑制湍流的目的。近年来CFD技术已经从传统领域逐渐过渡到医疗、新能源、家电等新领域中，得益于计算机算力的发展，AI技术的发展，未来的生产生活的方方面面都会因CFD而降本增效。
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