摘 要：壓電風(fēng)扇因其壽命長、功耗低、占用體積小等優(yōu)勢，在微型電子設(shè)備散熱領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展?jié)摿ΑＳ捎趬弘婏L(fēng)扇在水平方向占用面積更小，因此本文以水平方向布置的壓電風(fēng)扇為研究對象，進(jìn)行數(shù)值模擬研究。研究表明單扇水平掃掠的區(qū)域?qū)α鲹Q熱系數(shù)分布呈扇形，與垂直掃掠的啞鈴形分布不同。在一定范圍內(nèi)降低風(fēng)扇高度有利于湍流向風(fēng)扇下游區(qū)域發(fā)展，提升下游段的換熱性能。風(fēng)扇高度h/W=0.1時(shí)的傳熱性能最好。可見在一定程度上降低風(fēng)扇高度可以提高風(fēng)機(jī)的傳熱性能，但風(fēng)扇高度過低可能會(huì)對傳熱性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

　　關(guān)鍵詞：熱力學(xué) 壓電風(fēng)扇 動(dòng)網(wǎng)格 強(qiáng)化傳熱

　　近來，各類電子設(shè)備的能耗和發(fā)熱量大幅度提高，使芯片的熱流密度迅速升高，對于其產(chǎn)生的熱量進(jìn)行疏散和冷卻逐漸成為研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。傳統(tǒng)的散熱裝置多為旋轉(zhuǎn)式風(fēng)扇。其散熱能力在很大程度上取決于扇葉面積和轉(zhuǎn)速。然而隨著扇葉面積的增大，風(fēng)扇體積會(huì)相應(yīng)增加;而提高轉(zhuǎn)速則會(huì)大大提高風(fēng)扇的噪聲水平。作為可能的替代方案，壓電風(fēng)扇利用壓電材料的壓電特性，將壓電材料制成作動(dòng)器激勵(lì)薄片振動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)周圍空氣流動(dòng)，可作為電子設(shè)備的散熱裝置。壓電風(fēng)扇具有壽命長、功耗低、占用體積小等優(yōu)點(diǎn)，相對于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)扇具有明顯的優(yōu)勢。

　　許多學(xué)者已經(jīng)就壓電風(fēng)扇問題進(jìn)行了一系列研究。孔岳等[1]使用計(jì)算流體方法，模擬壓電風(fēng)扇流場的發(fā)展過程，研究了壓電風(fēng)扇振動(dòng)薄片高階固有振型的影響和兩種壓電風(fēng)扇振動(dòng)薄片的排布形式對壓電風(fēng)扇性能的影響;孔岳等[2]通過模擬壓電風(fēng)扇中振動(dòng)薄片的運(yùn)動(dòng)過程，計(jì)算并測量流場中的各種參數(shù)分布，探究了振動(dòng)薄片的振動(dòng)頻率、壓電風(fēng)扇長度以及振動(dòng)薄片長度與壓電風(fēng)扇長度的比值對壓電風(fēng)扇出口風(fēng)速的影響規(guī)律;李鑫郡等[3]通過實(shí)驗(yàn)利用激光多普勒測振儀研究了特定壓電風(fēng)扇的振動(dòng)特性，獲得其位移規(guī)律，并對壓電風(fēng)扇激勵(lì)流動(dòng)的渦結(jié)構(gòu)特性以及換熱特性進(jìn)行了數(shù)值研究; Hung-Yi Li等[4]采用實(shí)驗(yàn)方法研究了壓電風(fēng)扇配置和位置以及散熱器尺寸對熱阻的影響;Jin-Cherng Shyu等[5]研究了由四個(gè)柔性矩形葉片組成的振動(dòng)壓電風(fēng)扇冷卻的n型陣列的傳熱;Cheng-Hung Huang等[6]利用CFD-ACE+構(gòu)建了三維壓電風(fēng)扇的計(jì)算模型，應(yīng)用LMM方法估計(jì)壓電風(fēng)扇的最佳位置，其他國外的相關(guān)研究見[7-9]。在目前對壓電風(fēng)扇流動(dòng)和傳熱數(shù)值模擬中，由于壓電風(fēng)扇垂直方向產(chǎn)生的流場類似于射流，散熱效果較強(qiáng)，因此大部分?jǐn)?shù)值研究集中于風(fēng)扇的垂直散熱。但壓電風(fēng)扇主要應(yīng)用于芯片散熱器等微型器件中，通常受到垂直方向的空間限制，因此對壓電風(fēng)扇水平方向的散熱特性研究是很有必要的。本文通過對比實(shí)驗(yàn)建立了模型，對不同高度的壓電風(fēng)扇冷卻恒熱流面的效果進(jìn)行了研究。

　　1 物理模型

　　在數(shù)值模擬中使用商業(yè)上可獲得的壓電風(fēng)扇，壓電風(fēng)扇結(jié)構(gòu)如圖1所示，壓電陶瓷片采用單側(cè)黏附，陶瓷片長度Lp、寬度W和厚度tp分別為24、12和0.4mm，柔性膜片伸出長度Lb為23mm，厚度tb為0.1mm。壓電風(fēng)扇固定端由安裝座剛性連接在壁面上。風(fēng)扇葉尖的前后向極限位置時(shí)的最大位移為App，該位移是葉尖振幅Ap的2倍。

　　2 數(shù)學(xué)模型

　　3 結(jié)果與分析

　　圖2顯示了在z=-2.9mm，δ=0.5的計(jì)算平面上的速度等值線和流速分布情況。

　　這表明在一定范圍內(nèi)降低風(fēng)扇高度對于壁面附近的空氣流動(dòng)具有正向作用，而高度的增加則可以加強(qiáng)風(fēng)扇兩側(cè)區(qū)域的空氣流動(dòng)。

　　圖3顯示了一段時(shí)間內(nèi)不同壓電風(fēng)扇高度的熱流表面的平均局部對流換熱系數(shù)的分布。對于單個(gè)風(fēng)扇的不同高度，如圖3所示，葉尖掃掠區(qū)域的傳熱系數(shù)呈現(xiàn)扇形分布，注意到風(fēng)扇的作用主要體現(xiàn)在下游區(qū)域。此外，通過觀察風(fēng)扇下游的中心區(qū)域，發(fā)現(xiàn)這些區(qū)域在X和Z方向上是不對稱的，這表明由水平取向的壓電風(fēng)扇產(chǎn)生的流場分布是不均勻的。

　　當(dāng)h/W=0.1、0.2和0.4時(shí)，最高的局部對流換熱系數(shù)都出現(xiàn)在風(fēng)扇葉尖正下方，當(dāng)h/W>0.4時(shí)，最高的局部對流換熱系數(shù)不再出現(xiàn)在葉尖，而是逐漸移向下游。其原因是隨著風(fēng)扇葉尖附近的流速達(dá)到峰值，風(fēng)扇高度越低，加熱壁面越接近掃描包絡(luò)區(qū)的中心。當(dāng)風(fēng)扇遠(yuǎn)離壁面時(shí)，葉尖附近的高速包絡(luò)區(qū)不再直接影響壁面，由于壓電風(fēng)扇在垂直方向產(chǎn)生的流場與射流的流場接近，而使下游流場得到發(fā)展，下游區(qū)域出現(xiàn)了最高的局部對流換熱系數(shù)值。但隨著風(fēng)扇高度的增加，葉頂附近和下游區(qū)域的散熱效果明顯減弱。因此，當(dāng)風(fēng)扇在一定程度上靠近熱流壁面時(shí)，葉頂和風(fēng)機(jī)下游區(qū)域的傳熱性能顯著提高。

　　而當(dāng)h/W=0.05時(shí)，具有最強(qiáng)傳熱能力的區(qū)域也沒有出現(xiàn)在葉片尖端附近，而是出現(xiàn)在葉片下方和風(fēng)扇下游，且換熱能力相比于h/W=0.1時(shí)顯著減弱。

　　范圍內(nèi)風(fēng)扇高度的降低對于風(fēng)扇對點(diǎn)熱源的換熱能力同樣具有正向影響。在本文研究中，風(fēng)扇無量綱高度為h/W=0.1時(shí)具有最好的散熱效果。

　　4 結(jié)語

　　本文采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)，對不同高度水平冷卻加熱壁面的壓電風(fēng)扇的非定常流動(dòng)和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：

　　(1)單扇水平掃掠的區(qū)域?qū)α鲹Q熱系數(shù)分布呈扇形，與垂直掃掠的啞鈴形分布不同。

　　(2)在一定范圍內(nèi)降低風(fēng)扇高度有利于湍流向風(fēng)扇下游區(qū)域發(fā)展，提升下游段的換熱性能。

　　(3)風(fēng)扇高度h/W=0.1時(shí)的傳熱性能最好。由此可見，在一定程度上降低風(fēng)扇高度可以提高風(fēng)機(jī)的傳熱性能，但風(fēng)扇高度過低可能會(huì)對傳熱性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

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