Negli ultimi anni, il risparmio e l’efficientamento energetico sono diventati punti cardine delle politiche dei Paesi europei. In linea con quanto stabilito dal Protocollo di Kyoto, l’Unione Europea ha emanato regolamenti sull’eco-design dei ventilatori, con l’obiettivo di ridurre il consumo elettrico e, di conseguenza, le emissioni di inquinanti equivalenti. Tali regolamenti definiscono standard minimi di efficienza necessari per poter commercializzare questi dispositivi. Di conseguenza, i produttori di ventilatori mostrano un interesse sempre maggiore nello sviluppo di strategie innovative volte al miglioramento dell’efficienza e delle prestazioni dei propri prodotti. Un ulteriore aspetto della transizione ecologica riguarda la progressiva sostituzione dei veicoli con motore a combustione interna con veicoli elettrici a batteria, nei quali la principale fonte di rumore è generalmente attribuita al sistema di raffreddamento, e in particolare al ventilatore. Pertanto, oltre al requisito di efficienza, per queste applicazioni è necessario considerare anche l’emissione acustica nella fase di progettazione, al fine di migliorare il comfort complessivo del veicolo. L’obiettivo principale di questo elaborato è lo sviluppo di strumenti e linee guida a supporto del progettista nella realizzazione di un ventilatore assiale ad alte prestazioni e bassa rumorosità. In particolare, lo studio si concentra sulla selezione dei profili alari e dei parametri della legge di impilamento più adeguati per ottimizzare le prestazioni complessive del ventilatore. Nella prima parte del lavoro vengono presentati due strumenti per la selezione e l’ottimizzazione dei profili aerodinamici. Il primo strumento consente di ottimizzare un profilo di base al fine di individuare la geometria caratterizzata dalla minore emissione sonora per una specifica condizione di flusso. Il secondo strumento, invece, permette di selezionare, a partire da un database di profili, quelli caratterizzati dalle migliori prestazioni aerodinamiche per una determinata applicazione. Nella seconda parte, invece, viene presentata un’analisi di sensibilità sui parametri della legge di impilamento di un ventilatore assiale di riferimento, progettato utilizzando un impilamento non radiale con effetto skew. L’obiettivo dell’analisi è valutare l’influenza dei diversi parametri sulle prestazioni e sulla morfologia del flusso all’interno della macchina. Nel corso dell’analisi, sono state considerate due diverse configurazioni di impilamento, denominate rispettivamente backward-forward e forward-backward. Complessivamente, sono state generate settantadue geometrie, successivamente simulate numericamente tramite un approccio CFD. Nell’ultima parte del lavoro, è stato adottato un approccio statistico per individuare i parametri della legge di impilamento che esercitano la maggiore influenza sulle prestazioni del ventilatore.
In recent years, energy consumption and savings have become focal points for all European countries. The European Union has introduced eco-design regulations for fans to reduce pollutant emissions, as established by the Kyoto Protocol. These regulations stipulate minimum efficiency standards for fans to be introduced to the market. Consequently, fan manufacturers are increasingly interested in developing innovative strategies to improve efficiency and performance. Another aspect of the green transition is the replacement of internal combustion engine vehicles with electric battery vehicles, BEVs. In the context of electric vehicles, the primary source of noise is commonly attributed to the cooling system, particularly the cooling fan. Therefore, in addition to the efficiency requirement, the noise emission of a cooling fan designed for BEV applications must be considered in order to enhance the vehicle’s overall comfort. The aim of this study is the development of tools and guidelines to support an axial-flow fan designer in the design of a high-performance machine in both fluid dynamic and acoustic terms. Specifically, this work places particular emphasis on the selection of the most appropriate airfoil shapes and stacking law parameters to enhance fan performance. In the first part of the study, two tools for the selection and optimization of the airfoil shape are presented. The first tool optimizes a baseline airfoil to identify the shape characterized by the lowest noise for a given application, whereas the second tool selects the airfoil shapes with the highest possible aerodynamic performance from an airfoil database. In the second part of this work, a sensitivity analysis on the stacking law parameters of a reference axial-flow fan is performed. The reference fan is designed using a blade-skew, non-radial stacking technique. The sensitivity analysis incorporates two distinct stacking law configurations: backward–forward and forward–backward. A total of seventy-two geometries are simulated by means of CFD to investigate the effects of the applied stacking law on both fan performance and internal flow morphology. Finally, a statistical approach is employed to determine which stacking law parameter exerts the most significant influence on fan performance.
Axial flow fans performance enhancement employing blade skew and airfoil shape optimization
PIOVAN, MATTIA
2026
Abstract
Negli ultimi anni, il risparmio e l’efficientamento energetico sono diventati punti cardine delle politiche dei Paesi europei. In linea con quanto stabilito dal Protocollo di Kyoto, l’Unione Europea ha emanato regolamenti sull’eco-design dei ventilatori, con l’obiettivo di ridurre il consumo elettrico e, di conseguenza, le emissioni di inquinanti equivalenti. Tali regolamenti definiscono standard minimi di efficienza necessari per poter commercializzare questi dispositivi. Di conseguenza, i produttori di ventilatori mostrano un interesse sempre maggiore nello sviluppo di strategie innovative volte al miglioramento dell’efficienza e delle prestazioni dei propri prodotti. Un ulteriore aspetto della transizione ecologica riguarda la progressiva sostituzione dei veicoli con motore a combustione interna con veicoli elettrici a batteria, nei quali la principale fonte di rumore è generalmente attribuita al sistema di raffreddamento, e in particolare al ventilatore. Pertanto, oltre al requisito di efficienza, per queste applicazioni è necessario considerare anche l’emissione acustica nella fase di progettazione, al fine di migliorare il comfort complessivo del veicolo. L’obiettivo principale di questo elaborato è lo sviluppo di strumenti e linee guida a supporto del progettista nella realizzazione di un ventilatore assiale ad alte prestazioni e bassa rumorosità. In particolare, lo studio si concentra sulla selezione dei profili alari e dei parametri della legge di impilamento più adeguati per ottimizzare le prestazioni complessive del ventilatore. Nella prima parte del lavoro vengono presentati due strumenti per la selezione e l’ottimizzazione dei profili aerodinamici. Il primo strumento consente di ottimizzare un profilo di base al fine di individuare la geometria caratterizzata dalla minore emissione sonora per una specifica condizione di flusso. Il secondo strumento, invece, permette di selezionare, a partire da un database di profili, quelli caratterizzati dalle migliori prestazioni aerodinamiche per una determinata applicazione. Nella seconda parte, invece, viene presentata un’analisi di sensibilità sui parametri della legge di impilamento di un ventilatore assiale di riferimento, progettato utilizzando un impilamento non radiale con effetto skew. L’obiettivo dell’analisi è valutare l’influenza dei diversi parametri sulle prestazioni e sulla morfologia del flusso all’interno della macchina. Nel corso dell’analisi, sono state considerate due diverse configurazioni di impilamento, denominate rispettivamente backward-forward e forward-backward. Complessivamente, sono state generate settantadue geometrie, successivamente simulate numericamente tramite un approccio CFD. Nell’ultima parte del lavoro, è stato adottato un approccio statistico per individuare i parametri della legge di impilamento che esercitano la maggiore influenza sulle prestazioni del ventilatore.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
