通道流中压电风扇激励的对流换热特性研究

发布时间：2020-06-14 22:15

【摘要】：压电风扇是一种由压电陶瓷片和柔性膜片组成的固态设备,其工作原理是利用压电陶瓷的逆压电效应迫使压电陶瓷周期性地伸缩,并带动柔性膜片同频振动,从而激励周围流体形成自叶尖向下游平稳输出的准射流。由于压电风扇具有结构简单、低能耗、低噪声、易于控制等诸多优点,在电子设备冷却、能量收集、仿生机器推进等多方面显示出广阔的应用前景,成为流动控制和传热强化的一个研究热点。为深化认识压电风扇激励在通道流中的流动换热特征及其影响机制,本文针对压电风扇开展了以下四个方面的研究:首先,运用激光多普勒测振仪对单风扇的振动模态和在多种边界条件下的振动特性以及双风扇相干振动特性进行了实验研究,获得了激励电压、通道流速度、双风扇间距和相位等因素对于振动特性的影响,据此建立描述风扇振动位移规律的经验关联式。研究结果表明,在通道流中,单风扇的气动阻尼主要受攻角和主流速度影响。攻角越大,主流速度越小则风扇所受到的阻尼越小。对于双风扇系统,风扇所受气动阻尼和风扇排布方式、无量纲间距以及振动相位差密切相关。串列排布,当无量纲风扇间距PN1.2时,同相振动气动阻尼略有增加,反相振动气动阻尼稍有减小。当无量纲风扇间距PN1.2时,相位对气动阻尼的影响消失。并列排布,当无量纲风扇间距PN1时,同相振动气动阻尼稍有减小,反相振动时气动阻尼则略有增加。当无量纲风扇间距PN1时,相位对气动阻尼的影响消失。其次,针对单风扇和双风扇在静止环境中的流动换热特性进行实验和数值研究,揭示了风扇激励射流的对流换热特征、主要影响因素及其涡系演变机制。研究结果表明,对于单风扇,在自由空间振动时会在叶尖以及两侧缘靠近叶尖处周期性的形成马蹄涡结构并从叶尖脱落。而加热表面的存在,会导致风扇激励的涡系结构与其在自由空间振动时诱导的流场存在一定的差异,脱落涡相比于自由空间时更易破碎。风扇振动诱导的涡冲击加热表面所形成的近壁流动呈现出明显的平行于风扇的侧向流动、而在风扇两侧边则出现卷吸的特点,叶尖包络区对应的壁面局部对流换热有显著的强化作用,表面对流换热系数分布在包络区外围呈现哑铃状特征;对于串列双风扇,同相振动时马蹄涡在相邻风扇之间的聚合更为紧密,涡流冲击和沿壁面流动能力得到增强,相对于单风扇作用情形,串列双风扇同相振动时的峰值对流换热系数有微弱的提高,而串列双风扇反相振动则有微弱的降低。同相振动时的对流换热强化能力优于反相振动情形;对于并列双风扇,反相振动时在相邻风扇之间区域的流动更加强烈。相对于单风扇作用的情形,并列双风扇同相和反相振动时峰值对流换热系数均有微弱的提升。在两风扇之间的区域,反相振动时对流换热强化能力优于同相振动情形。第三,针对单风扇和双风扇系统在通道流中的流动换热特性进行研究,分析了风扇射流与通道流的耦合流动的对流换热特性,揭示了压电风扇激励在通道流中的流动换热特征及其影响机制。研究结果表明,对于单风扇,通道流对风扇边缘马蹄涡的生成具有明显抑制作用,而风扇激励射流和通道流之间相互作用主要取决于二者速度比。在小速度比时,由风扇振动而引起的射流冲击对强化换热起到支配作用,同时横流经过振动包络区时也能获得有效的扰动,因此与单纯风扇作用相比耦合流动在包络区附近的换热能力更强,尤其是当叶间距较小时。而当叶间距较大时,峰值换热系数会向下游稍微迁移。在大速度比时,由风扇激励的射流被横流严重削弱。此时与单纯风扇作用相比耦合流动在包络区附近的换热能力有所降低。但另一方面,风扇扰动时的耦合流动换热能力又高于单纯横流作用的情况,尤其是在振动包络区的下游;对于串列双风扇,上游风扇诱导的射流在横流作用下向下游迁移,与下游风扇的激励作用形成耦合。反相振动时相邻两风扇之间局部区域的对流换热显著低于同相振动的情形;对于并列双风扇,反相振动时有利于相邻风扇脱落涡之间的融合和发展,双风扇振动包络区下游的换热能力优于同相振动情形。最后,针对单个风扇分别与两类典型热沉(阵列扰流柱热沉和翅片热沉)在通道流中的换热特性进行实验研究,获得了风扇-热沉换热特性随相关影响因素的变化规律。研究结果表明,风扇-阵列扰流柱热沉具有高效的增强换热能力。尤其是当风扇振动特征雷诺数较大且叶间距较小时,风扇对阵列扰流柱热沉强化换热能力的提升作用显著。阵列扰流柱热沉的换热系数和综合换热因子均与总雷诺数呈线性关系,而且风扇在综合换热能力中的权重因子小于纯换热特性时的权重因子;风扇-翅片热沉的换热性能与通道流速度以及风扇的安装方式紧密相关。尤其是当风扇非常靠近翅片热沉且通道流速度较低时,风扇对于翅片热沉换热能力的提升作用最明显。其中,风扇水平安装或垂直安装时对于热沉换热能力的影响作用截然相反。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM925.11;TK124
【图文】：

逆压电效应,压电材料

流体功能器件[11]。逆压电效应原理如图1.1所示，对于具有特殊结构的晶体（称为具有压电特性的晶体），由于其自身结构的电学性能对称性很低，当在压电材料表面施加电场时，会因电荷中心的位移导致电偶极矩的拉长或缩短，压电材料为抵抗变化，会沿电场方向伸长或压缩。这种

示意图,压电风扇,柔性膜片

称为压电效应。简而言之，即压电材料具有在机械能与电能之间互逆转换的功能。图 1.1 逆压电效应图1.2为压电风扇结构和工作原理示意图，压电风扇由压电振子（压电陶瓷片）和柔性膜片（固体柔性材料）组成，其工作原理为压电振子在驱动电路交变电场的作用下发生尺度变形，迫使压电层产生周期性的收缩和伸长，驱动柔性膜片在其固有频率下产生谐振，谐振膜片的高频拍动扰动附近的流体使其形成周期性振荡，诱导一系列非定常的拍动涡环，由于压电振子的振动频率较高，在柔性膜片附近的空气扰动所产生的非定常涡环不断地聚合，形成风力相对集中的类射流流动。同时，由于其具有强烈的脉动特征，比常规射流具有更强的夹带能力，因此大部分研究者将压电风扇作为射流驱动器件，利用压电风扇诱导的周期性涡环耦合而成的非定常射流机制

【参考文献】