本文之目的主要是為了提高軸流風扇的氣動性能，而加入側翼之數值與實驗整合研究。側翼是一種設置於葉尖的小型垂直平板，此設計不僅能引導不良之軸向氣流避免其流動，且還能防止氣流洩漏並增加出口壓力。而在本研究中，首先利用計算流體力學分析軟體Fluent，針對側翼6015(60x60x15mm3）之風扇進行模擬分析，並選擇合適的側翼幾何外型以獲得最佳之性能表現。由模擬結果可發現，位於失速區操作點(P=20mm-Aq)之流量增幅為39.2%，而在最大靜壓部份則提升5.2%，至於最大流量則略減少了1.7%。為了確保加入側翼之創新設計是否適用於各種不同尺寸以及轉速之軸流風扇，接續對6038、8025與2510之軸流風扇作更進一步的分析研究。最後從一系列的數值模擬分析結果中，得到相似的性能增幅趨勢，其中小尺寸之風扇在性能的增幅效果令人印象深刻。
此外，為了驗證側翼之氣動特性，因此利用CNC工具機分別製作直徑65mm與80mm之軸流風扇進行風洞實驗量測。且為了確保實驗之可信度，分別以AMCA210-85規範進行風扇性能測試，並依照ISO-3745及ISO-9614-1標準規範，在半無響室進行聲壓與噪音量測。量測結果顯示，數值模擬與實驗之 P/Q曲線趨勢一致，而在聲壓與噪音測試中，加入側翼設計之風扇其噪音較原型風扇略微降低。但側翼設計之失速區會有明顯地性能減少，而造成此現象之發生，可能是由於加入扇框與支撐馬達所需之肋條在數值計算時不予考慮所造成。而根據參考文獻之風扇設計結果，一個精心設計的扇框與肋條將可大幅地增加風扇之性能，而本研究之側翼設計，其性能增幅是在無外框與肋條之條件下所模擬分析的結果，因此在加入外框與肋條之模擬結果後，可發現風扇性能之消長較不明顯。總結來說，本研究藉由實驗量測與數值模擬分析結果之相互驗證，可發現在軸流風扇之創新側翼設計中，除了能有較低的聲學表現外，其特性亦能穩定以及改善失速區內的空氣動力特性，相信對於日後相關研究人員在探討風扇側翼之情況，將會有可信賴的設計工具與參考應用依據。

The purpose of this research is to improve the aerodynamic performance of an axial-flow fan by adding the wingtip on its rotor blades. The proposed wingtip is a small flat plate vertically attached to the blade tip near the frame. This new attachment not only guides the undesirable transverse flow to the axial direction instead of seeping via the tip clearance, but also prevents the pressure leakage generated from the pressure surface to suction surface for increasing the pressure gain of outflow. In this study, CFD code Fluent is initially utilized to calculate the fan performance and simulate the flow field around a 6015 (60x60x15 mm3) fan equipped with wingtip on its rotor blade. Besides, a parametric study on the wingtip geometry is carried out to identify the proper design setting of wingtip for obtaining the best performance enhancement. As a result of CFD outcomes, a significant airflow increase (39.2%) is found around the stall region (near P=20mm-Aq) on the performance curve. Also, the maximum pressure gain enlarges by 5.2% while the maximum flow rate is slightly reduced by 1.7%. Later, this innovative addition is applied to various rotating speeds and fan sizes such as 6038, 8025, and 2510. Subsequently, the similar performance enhancement is observed from outcomes of a series of numerical investigation. Also, the performance increase becomes more impressive for a small size fan.
In addition, for verification and demonstration purposes, the 65mm and 80mm-diameter axial-flow fans are chosen to fabricate via CNC for experimentally testing their performances. In an effort to ensure the reliability of this research, fan performance tests are executed in the AMCA test chamber while the acoustic measurements are carried out in a semi-anechoic chamber according to the standards of ISO-3745 and ISO-9614-1, respectively. The result indicates that trends of experimental P-Q curve agree to these of numerical simulations, and the noise tests show a decreased acoustic output for this new designed fan compared to the original one without wingtip. Nevertheless, the performance enlargement inside the stall region is diminished noticeably. This performance difference may be resulting from the additions of fan frame and supporting ribs, which are not considered in the numerical calculation. It is known that a well-designed fan frame and supporting ribs can serve as a performance booster, which is similar to this new add-on. Therefore, part of the performance increase is lessened in the mockup test. However, the stable, improved aerodynamic characteristics inside the stall region and the lower acoustic features of this innovative addition on axial-flow fans are clearly verified via this integrated CFD and experimental investigation.

[1]張瑞釗、許福忠、施良璘、張起領，“渦輪葉片參數設計法”，中山科學研究院第一研究所研究報告，1986年。
[2]許文英、陳世雄，“軸流式渦輪葉片參數設計”，中國航空太空學會第三十七界學術研討會論文集，1995年。
[3]蘇聖斌、陳世雄，“軸流泵葉輪與導葉之設計分析”，中國機械工程學會第十三屆全國學術研討會論文集，298-306頁，1996年。
[4]林至遠，“軸流風扇的性能提升與測試”，國立成功大學航空太空研究所碩士論文，1997年。
[5]林育洲，“軸流風扇之數值與實驗分析”，國立台灣科技大學機械工程系研究所碩士論文，1998年。
[6]簡宏斌，“PC風扇之三維數值模擬分析”，國立台灣科技大學機械工程系研究所碩士論文，1999年。
[7]林顯群、陳文亮，”小型冷卻風扇之性能與噪音改善研究”，國立台灣科技大學機械工程技術研究所碩士論文，1998年。
[8]Longhouse, R. E., “Vortex Shedding Noise of Low Tip Speed, Axial Flow Fans”, Journal of Sound and Vibration, Vol. 53, No.1, pp. 25-46, 1997.
[9]陳正鋼，“風扇葉片的結構改良 ”，中華民國發明專利 M259470， 2004年。
[10]洪雅惠、謝明凱、林麗真、陳怡玲，“風扇及其扇框 ”，中華民國發明專利I319051，2006年。
[11]林政宏、呂昭文，“風扇及其扇框 ”，中華民國發明專利 I342482， 2007年。
[12]王福蔭，“扇框及肋條對軸流扇性能之數值與實驗研究”，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，2007年。
[13]謝新茂、楊尚智，“風扇葉片導流結構 ”，中華民國發明專利 I323764，2006年。
[14]Li, Y. C., Wang, J. J., and Hua, J. ”Experimental Investigations on the Effects of Divergent Trailing Edge and Gurney Flaps on a Supercritical Airfoil,” Science Direct, Vol. 11 , pp. 93-95, 2006.
[15]鄭育政，“具襟翼之翼形應用於風扇設計的可行性研究”，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，2011年。
[16]Eck, B., “Fans: Design and Operation of Centrifugal, Axial-Flow, and Cross-Flow Fans”, Pergamon Press, New York, 1973.
[17]周建安，”小型冷卻風扇在不同流阻下之性能研究”，國立台灣科技大學機械工程技術研究所博士論文，2004年。
[18]洪國泰，“小型軸流風扇設計以及模擬與實驗之整合研究“，國立台灣科技大學機械工程系碩士論文，2007年。
[19]蔡明倫，“風扇性能評估與設計方法之整合研究“，國立台灣科技大學機械工程系博士論文，2010年。
[20]Fluent 6.2 Documentation, FLUENT INC.
[21]Launder, B. E. and Spalding, D. B., “The Numerical Computation ofTurbulent Flows”, Computer Methods in Applied Mechanics andEngineering, Vol. 3, pp. 269-289, 1974.
[22]ISO-3745, “Acoustics – Determination of Sound Power Levels of Noise Sources Using Sound Pressure – Precision Methods for Anechoic and Hemi-Anechoic Rooms”, 2003.
[23]ANSI/AMCA Standard 210-99 (ANSI/ASHRAE 51-1999), “Laboratory Method of Testing Fans for Aerodynamic Performance Rating”, Air Movement and Control Association, Inc., 1999.