超能课堂(297)：如何用风扇法则来推算风扇性能？
在之前的《超能课堂(295)：真正认识散热风扇的风量与风压 》文章中，我们和大家简单聊过风扇的风量与风压之间的关系，以及P-Q曲线在实际使用中的价值。然而有同学提到，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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
水冷排上的则是典型的并联风扇安装
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。
（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。
超能网公众号
随时查看最新天梯榜
