基于电场定向驱动的离子风强化传热机理与系统性能研究

The tendency of microelectronic devices to high integration and high power density has put forward higher requirements on the thermal management technology. In view of research status of the existing electronic packaging cooling technology, the ionic wind heat transfer enhancement system has been taken as the study object. The main purpose of this project is to research the effect of ionic wind velocity distribution on the heat transfer performances based on the multi-discipline studies which include electric fluid dynamics, heat transfer, fluid mechanics, material science. The parameters, including the distance between electrodes, voltage and intersection angle, maybe have effects on the ionic wind velocity distribution and heat transfer performances. The numerical calculation method based on finite element analysis has been taken to study the effect of radiator structure on ionic wind generator. PIV particle image velocity experimental methods have been selected to analyze the voltage, current, power relations in different electrode structure ionic wind generator. The flow and heat transfer mechanisms of single ionic wind generating device have been investigated. Meanwhile, further researches on velocity distribution and heat transfer mechanism in ionic wind generating device with array composite structure will be carried in this project. The ionic wind heat transfer system has been optimized based on the influence mechanism of composite structure parameters on velocity and temperature distributions. The theory formation about velocity and temperature distribution of ionic wind heat transfer enhancement system will enrich theoretical system of ionic wind heat transfer technology and promote the development of thermal management technology.

微电子器件向高集成度和高功率密度发展的趋势对电子封装热管理技术提出了更高的要求。本项目针对现有电子冷却技术的研究现状，以等离子风强化传热系统为研究对象，以等离子风发生装置流速分布对散热性能影响作为切入点，基于电流体动力学、传热学、流体力学、材料学等多学科交叉，采用有限元分析的数值计算方法和PIV粒子图像测速等实验测量手段，研究不同电极结构的离子风发生装置的电压、电流、功率等关系，分析离子风形成机理。研究单一等离子风发生装置的流动与传热机理，分析散热器结构对等离子风发生装置流动与传热过程的影响规律，并进一步深入研究等离子风发生装置阵列与组合体结构的流速分布规律与传热机理。在组合体结构参数对系统温度场和流场性能影响研究的基础上，对等离子风传热系统进行优化研究，形成面向电子芯片散热的等离子风强化传热系统的流速分布和温度场分布理论，为等离子风传热技术应用提供理论依据和可靠的工程指导。

针对离子风散热技术的研究现状，对不同湿度下的离子风发生装置的性能进行分析研究，归纳电流-电压关系式和离子风传热的特征数方程，研究离子风发生装置电晕放电的过程，分析离子风发生装置结构参数对流速分布和传热性能的影响规律。采用数值仿真和实验相结合的方法对离子风散热系统进行性能分析与测试，重点讨论组合体离子风流动与传热数值计算模型、分析翅片、“针-板”结构对离子风发生装置的传热特性与放电特性方面的影响；考虑针-板和翅片之间空隙的空气流动传热问题，建立接近实际工况的数值模型，探究翅片间距、极板间距等参数对离子风发生装置性能的影响，并比较不同散热外场对离子风散热系统功率、工作效率的影响。本研究将对全面提升离子风散热系统的性能和应用将产生一定的影响。主要研究工作与成果包括以下几个方面：1. 通过实验研究与总结归纳，详细展示了离子风发生过程的参数与性能特性之间的关系。其中获得的电极电压与风速平方的关系可作为数值模拟结果的快速校验的依据。最大平均风速与最大平均效率的概念可在离子风设计参数优化时，提供最佳参数的一种选择依据。2.通过实验研究单级线-网式、单级多线-网式和多级线-网式离子风散热系统的电极间距、电极极性及环境相对湿度等关键参数对风速和温降的影响，得到这一种装置的离子风的风速和温降分布规律即系统的散热性能，为离子风冷却技术的应用提供可靠的实验依据。3.解决离子风发生装置传热传质特性与散热机理、离子风发生装置阵列传热传质规律等方面的热物理基础理论问题。通过实验研究阵列结构关键参数对阵列传热传质特性和散热性能的影响机制，并与传统强制风冷散热系统进行对比分析，为离子风冷却技术应用提供实验依据和可靠的工程指导。4.以电极翅化式离子风散热系统为研究对象，基于实验测量与有限元法数值模拟相结合的研究方案，探究其电学性能、流动机理及传热特性，归纳电极结构参数对离子风的流动与传热过程的影响规律，并进一步建立离子风仿真模型，形成离子风的电场分布、流速分布和温度场分布理论，在此基础上对离子风发生装置进行优化设计，为面向电子设备散热的离子风散热系统的开发及应用提供理论依据和可靠的工程指导。