微米放电结构离子风微观输运过程和宏观流动传热特性研究及其性能优化

基本信息
批准号:51576155
项目类别:面上项目
资助金额:64.00
负责人:张剑飞
学科分类:
依托单位:西安交通大学
批准年份:2015
结题年份:2019
起止时间:2016-01-01 - 2019-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:陈磊,王金萍,李洪岩,殷英,靳蒲航,马斌斌
关键词:
强化传热流动与传热离子风
结项摘要

Based on the microfabrication technology, the ionic wind devices with discharge structures at micrometer scale have shown promising potentials on developing high efficient, low energy cost, low noise and integratable air side heat dissipation technologies for electronic devices cooling, however breakthrough on the structure design is needed to achieve better flow and heat transfer performance. The existing theoretical model and numerical method cannot predict the full physical process from microscopic transport to macroscopic flow and heat transfer of ionic wind. The microscopic physical process and macroscopic flow and heat transfer characteristic of ionic wind generated by micrometer scale discharge structures have not been fully revealed. In present project, the integratable ionic wind devices with discharge structures at micrometer scale will be designed by using microfabrication technology, and the theoretical model and numerical method for microscopic physical process and macroscopic flow and heat transfer of ionic wind will be developed. For the needs of practical application, investigation on macroscopic fluid flow and heat transfer of ionic wind devices with micrometer scale discharge structures and degradation of electrodes will be performed. Aiming to construct ionic wind devices with low operation voltage, high wind speed, high heat transfer performance and high energy conversion efficiency, proper optimization theory will be applied on the optimal design of ionic wind devices. Through upwards research, theoretical basis for revealing the physical mechanism and internal discipline of the microscopic physical mechanism, the macroscopic flow and heat transfer characteristic, and the optimal designing of ionic wind devices will be established.

基于微加工技术,微米放电结构离子风装置在发展高效、低功耗、低噪音、可集成化的电子元件空气侧散热技术方面极具发展潜力,但在结构设计上还需有所突破以达到更佳的流动传热性能,现有的理论模型和数值方法无法揭示从微观输运到宏观流动传热的完整物理过程,微米放电结构离子风的微观物理过程和宏观流动传热特性未得到全面揭示。本项目将结合微加工技术设计可集成化的微米放电结构离子风装置;建立离子风微观物理过程和宏观流动传热物理过程的理论模型和数值方法;面向实际应用,针对微米放电结构离子风装置的宏观流动传热特性和电极损耗开展实验研究;以低工作电压、高风速、高传热性能和高转换效率为目标结合优化理论进行离子风装置的性能优化。通过相关研究,为阐明微米放电结构离子风的微观物理机制和宏观流动传热特性以及设计性能优化的离子风装置提供理论基础。

项目摘要

离子风发生器具有噪声低、无旋转部件和可集成化设计等优点,在强化传热和作为空气驱动泵等方面有着巨大的应用前景。本项目对离子风电场-流场-热场多物理场耦合输运过程进行了研究,阐明了电场对流动与传热过程的主要控制机制;针对不同应用场景设计了多种结构的离子风发生器,通过数值模拟实验研究获得了结构参数对离子风流动传热特性的影响程度;开发并优化了大截面离子风泵,实现了高风速、大流量的设计要求;面向工程应用,系统地研究了温湿度对离子风发生器工作特性影响的作用机制;对微尺度下的放电规律进行了实验研究,发现微尺度放电规律与宏观汤森定律的偏离;开展了离子风技术在高新技术领域(包括LED和5G通讯)热管理中的应用研究,开发的样机可使LED芯片表面温度可从自然散热时的88.6℃降低至53.0℃,降幅达40%;为5G通讯设备散热开发的离子风样机出口平均风速最高达3.6m/s,已被中兴采用进行工程化测试。本项目的研究成果对认识离子风的多物理输运机理和推动离子风的实际应用具有重要的学术价值。在项目支持下发表与项目研究内容密切相关的国内外期刊和国际会议论文共计15篇,其中SCI检索论文6篇,中文核心期刊论文1篇,国际会议论文4篇,国内会议论文4篇。授权中国发明专利1项。3名硕士生获硕士学位。指导2名本科生完成毕业设计。

项目成果
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数据更新时间:2023-05-31

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