压电风扇激励非定常流动和换热特性数值研究

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaJun．252013V01．34No．61277．1284ISSN1000—6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．educnhkxb@buaaedu．CR压电风扇激励非定常流动和换热特性数值研究谭蕾1’*，谭晓茗2，张靖周21．南京航空航天大学航天学院，江苏南京2100162．南京航空航天大学能源与动力学院，南京210016摘要：利用动网格技术对压电谐振风扇产生的非定常流场进行了数值模拟，以期进一步揭示压电风扇的流场特征和换热特性。研究表明：压电风扇上下两个区域均出现涡流，

2、涡向相反(压电风扇上方为逆时针，下方为顺时针)，涡对的尺度、位置和扰动范围随时问呈周期性变化规律；时均速度并非随着与压电风扇自由端距离的增大呈现单调衰减的趋势，而是在距离压电风扇自由端距离为一倍振幅的截面上出现峰值速度最大的速度分布型，该位置正是涡环达到最大型面的瞬间涡核所处位置。涡串发展、运动过程中与周围流体发生干涉融合形成的射流起到了强化换热的效果，换热效果最好的地方不是出现在平衡位置，而是涡对破碎、流体紊流度最强的地方。关键词：压电风扇；非定常流场；动网格；流动特性；换热特性；数值模拟中图分类号：V231．11；0354文献标识码：A文章编号：10006893(201

3、3)06一i277—08微电子技术的发展与进步之一体现在器件的特征尺寸不断缩小从而集成度不断提高。如今微电子器件的高集成化发展日益受到散热问题的困扰，温度变动的影响会导致微电子器件性能变坏甚至完全失效，如何有效地传输和散发微电子器件所产生的热量成为研究热点。压电风扇是一种利用压电片的谐振作用带动弹性膜片发生弯曲从而产生风力的装置。由于压电陶瓷的逆压电效应，压电片产生周期性的收缩和膨胀，驱动弹性膜片发生弯曲谐振，在膜片周围产生一系列的涡串。这些涡串在发展、运动的过程中与周围流体发生干涉融合，从而聚合成一股自膜片尾端向下游输运的连续射流。虽然压电风扇的扇面很小，但因其振动频率高

4、、风力集中而不扩散、噪声小和耗能低等优点，同时，弹性膜片诱导的流动伴随涡流的特征，可以起到强化对流换热的作用，因此作为低能耗高效率散热器，压电风扇有望取代传统风扇，在微电子元件有效散热方面具有广泛的应用前景。压电风扇诱导的气流流动具有非定常的流动特征，国内外研究人员针对压电风扇的流动特征和压电风扇的对流换热特性已经开展了一系列初步的研究工作，Toda[11针对压电风扇诱导的气流流动进行了理论和实验研究，提出了简化的压电风扇振动模型预测影响压电风扇性能的膜片结构，研究表明风扇振动诱导的体积流量正比于膜片的宽度，而长度的影响相对较小。Ihara和Wa—tanabe[21对双压电

5、膜片的激励流场进行了显示实验，研究表明膜片间距对于反向振动的膜片下游流动具有显著的影响，但对于同向振动的双膜片激励流场则影响甚微。Acikalin等[31对压电风扇二维流场进行了数值研究，Kim等[43利用三维粒子图像测速仪(PIV)对压电风扇产生的流场进行收稿El期：2012—07—10：退修5t期：2012—12—13：录用日期：2013-01—22；网络出版时间：2013-01—2508：39网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／deta¨／11．1929V20130125．0839001．html基金项目：国家自然科学基金(51106073)；航空科学基金

6、(2011ZB52020)*通讯作者．Tel：025．84892805E-mail：tanlei@nuaa．educn戤用格武；TanL，TanXM．ZhangJZ．NumericalinvestigationonunsteadyflowandheattransfercharacteristicsofpiezoelectricfanActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(6)：1277—1284i谭蕾，谭晓茗．张靖周压电风扇激励非定常流动和换热特性数值研究．航空学报，2013，34(6)：1277-1284．航空学报Jun．2

7、52013VoI．34No．6了测量，Wait等[51研究了高阶谐振频率下的压电风扇激励流场，Kimber等[63实验研究了压电风扇的压力和流动特性。上述针对压电风扇流场的研究揭示出其具有的复杂流动特征，特别是压电风扇的激励方式对于流动特性的影响。在利用压电风扇强化传热研究方面，国外众多研究人员对压电风扇的冷却或传热特性进行了数值和实验研究[712

8、，揭示了其强化传热的机理和效果。压电风扇诱导的流场中涡系发展、速度分布及换热特性十分复杂，目前对其内在物理特征的认识还需要开展不断深入地研究。本文运用数值计算的方法，基