基于场协同理论的矢量合成双射流自适应强化换热控制机理研究

The rapid development of electronic device tending to high power, miniaturization and integration makes the heat-dissipation problem increasingly prominent, and thus it is a key for the exploitation and manufacture of electronic devices to effectively solve the heat-dissipation problem. Synthetic jet cooling technology, with characteristics of requiring no flow supply and moving mechanical devices, high reliability and heat-dissipation efficiency, simple operation and flexible configuration, is considered as an important opportunity to solve the heat-dissipation problem. However, there are some drawbacks of the existing synthetic jet cooling technologies, such as unadjustable jet direction, restricted heat-dissipation area and low energy utilization efficiency. Therefore, an adaptive enhancement heat-dissipation technology is proposed based on a dual-synthetic-jet actuator as well as the field synergy principle of heat transfer enhancement. The dual-synthetic-jet velocity field is adjusted according to the variate of temperature gradient field to optimized their synergistic degree, and then realize the adaptive control of heat transfer enhancement. The heat-dissipation computational model of dual synthetic jet is established based on the field synergy principle. The mechanism and the control law of heat transfer enhancement are revealed using numerical simulation. Correspondingly, the heat-dissipation efficiency and the control law are experimentally investigated so as to provide an efficient and adaptive technology for the heat-dissipation control of electronic devices.

电子器件高功率、小型化和集成化的发展趋势，使得其热问题越来越突出，有效解决电子器件的散热问题已成为其开发研制的关键。合成射流冷却技术具有无管路和机械转动部件、高可靠性、高散热效率、易控制以及灵活的外形特征，被认为是解决电子器件散热问题的重大机遇。现有合成射流散热技术存在射流方向不可调、散热面积有限、能量利用效率偏低等问题。本项目基于具有矢量特性和能量倍增特性的合成双射流激励器，结合强化传热场协同理论，提出了具有自适应控制功能的矢量合成双射流强化换热技术。根据变化的温度梯度场，控制合成双射流的速度矢量场，优化两者的协同程度，实现自适应强化换热控制。建立基于场协同理论的合成双射流散热计算模型，通过数值模拟，揭示矢量合成双射流强化换热机理及控制规律；研制矢量合成双射流换热装置，开展自适应强化换热控制的实验研究，分析其散热效率和控制规律，为电子器件散热控制提供一种高效、自适应的技术途径。

本项目着眼于电子器件朝高功率、小型化和集成化趋势发展的热管理需求。基于具有矢量特性和能量倍增特性的合成双射流激励器，结合强化传热场协同理论，提出了具有自适应控制功能的矢量合成双射流强化换热技术。从合成双射流矢量控制特性理论研究、合成双射流数值模拟研究、矢量合成双射流试验研究、基于场协同理论的矢量合成双射流散热控制理论分析、基于场协同理论的矢量合成双射流散热数值模拟研究、基于场协同理论的矢量合成双射流散热试验研究六个方面开展了深入研究。.基于涡动力学和湍流控制理论分析了合成双射流涡对的形成、发展和演化规律，揭示了其偏转特性和机制。通过集总参数法建立了矢量合成双射流激励器传递模型和计算模型，分析了其频响特性，建立了合成双射流矢量特性评价准则。基于合成射流全流场三维计算模型，开展了矢量合成双射流激励器三维计算，研究了合成双射流三维流动结构、涡对间相互作用及发展演变规律；开展了合成双射流激励器矢量流场显示试验研究，对不同控制参数下，矢量合成双射流的流场进行了流动显示及流场测试研究，并与数值模拟结果进行对比验证，分析验证了合成双射流矢量控制规律的正确性和控制模型的有效性。应用场协同理论，建立了基于矢量合成双射流的场系统评价准则和换热特性影响模型，揭示了矢量合成双射流强化换热控制规律。设计并研制了基于矢量合成双射流激励器的散热装置；开展了矢量合成双射流激励器换热特性试验研究。开展了矢量合成双射流散热数值模拟，分析了矢量合成双射流物性参数对其换热效果的影响，运用建立的场协同评价准则分析了其速度场与温度梯度场的协同程度。.在该项目资助下，共发表学术论文20余篇，申请发明专利13项，获省部级科技奖2项，已培养博士毕业生1名、硕士毕业生7名。相关技术被北京临近空间飞行器系统工程研究所、中国科学院工程热物理研究、国防科技大学、西安航天动力研究所等单位应用20余次。.