压电谐振风扇激励非定常涡环流动与换热特性研究

攻克电子器件"热障"问题的热控制和强化传热技术研究已成为工程热物理学科和微电子学科关注的热点领域之一，基于微机电功能器件流动主动控制的强化传热是其中一个重要的研究课题。本申请项目针对压电驱动谐振风扇强化散热技术的多学科优化目标，重点围绕压电风扇谐振膜式-涡环结构演变-对流换热强化之间的内在物理机制，开展大振幅-低阻尼压电谐振风扇的气动和动力学特性耦合、拍动涡环的结构演变及其与壁面对流换热强化的协同、阵列谐振膜片驱动相位和柱鳍热沉合理布局等三个方面内容的研究。其研究的意义不仅在于探究压电谐振风扇激励非定常涡环传热强化的热物理科学问题，更重要的是探索在微电子器件散热中实现"低耗能-高效率"强化传热的技术创新。

本项目针对压电驱动谐振风扇强化散热技术的多学科优化目标，重点围绕压电风扇谐振膜式-涡环结构演变-对流换热强化之间的内在物理机制，开展大振幅-低阻尼压电谐振风扇的气动和动力学特性耦合、拍动涡环的结构演变及其与壁面对流换热强化的协同等三个方面内容的研究。. 通过数值计算，揭示出单个压电风扇在不同谐振频率驱动下呈现出的流动特征，分析了多个压电振子的相干性，获得了涡系之间相互干涉的流场信息。多个压电风扇耦合作用时其涡环形成及发展受到风扇间距、相位差等因素的影响；流场掺混效果与压电风扇间距成正比，有相位差时流场掺混效果明显优于无相位差的情况。. 开展了压电风扇在强化换热方面的数值模拟和实验研究。在不同谐振频率驱动下，温度最低的位置均并不是出现在平衡位置，而是在沿展向向外扩散一定距离的地方，随着恒热流壁面与压电风扇自由端距离的不断增大，涡串的强化换热效果均逐渐减弱；最佳换热效果出现在三阶谐振频率驱动下临近压电风扇自由端的位置，但是沿流向很快衰减了。利用红外热像仪获得了冲击靶板表面的直观全面的温度分布。与常规射流冲击冷却相比，自耦合射流冲击作用下的靶面对流换热系数同样具有随冲击距增大而先逐渐增大、后逐渐衰减的变化趋势。随着输入电压的增大，压电风扇末端产生的射流速度增大，对靶板的冲击冷却效果越好。