壓電風(fēng)扇散熱特性的數(shù)值實(shí)驗(yàn)研究

丁鵬　劉喆

摘? 要：壓電風(fēng)扇因其壽命長(zhǎng)、功耗低、占用體積小等優(yōu)勢(shì)，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(duì)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(guò)低可能會(huì)對(duì)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

中圖分類號(hào)：TK05? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）12（b）-0072-04

Abstract： Piezoelectric fans have broad development potential in the field of heat dissipation in microelectronics due to their advantages such as long life， low power consumption， and small footprint. Because the piezoelectric fan occupies a smaller area in the horizontal direction， this paper takes the piezoelectric fan arranged in the horizontal direction as the research object to conduct a numerical simulation study. Studies have shown that the horizontal convection heat transfer coefficient distribution of a single fan is fan-shaped， which is different from the vertically-scanned dumbbell-shaped distribution. Reducing the height of the fan within a certain range is conducive to the development of turbulent flow to the downstream area of the fan and improves the heat transfer performance of the downstream section. The heat transfer performance is best when the fan heighth/W=0.1. It can be seen that reducing the fan height to a certain extent can improve the heat transfer performance of the fan， but if the fan height is too low， it may have a certain negative effect on the heat transfer performance.

Key Words： Thermodynamics; Piezoelectric fan; Dynamic mesh; Enhanced heat transfer

近來(lái)，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(duì)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(zhǎng)、功耗低、占用體積小等優(yōu)點(diǎn)，相對(duì)于傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式風(fēng)扇具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

許多學(xué)者已經(jīng)就壓電風(fēng)扇問(wèn)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(chǎng)的發(fā)展過(guò)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(duì)壓電風(fēng)扇性能的影響;孔岳等[2]通過(guò)模擬壓電風(fēng)扇中振動(dòng)薄片的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，計(jì)算并測(cè)量流場(chǎng)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(zhǎng)度以及振動(dòng)薄片長(zhǎng)度與壓電風(fēng)扇長(zhǎng)度的比值對(duì)壓電風(fēng)扇出口風(fēng)速的影響規(guī)律;李鑫郡等[3]通過(guò)實(shí)驗(yàn)利用激光多普勒測(cè)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(duì)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(duì)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(guó)外的相關(guān)研究見[7-9]。在目前對(duì)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(chǎng)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(duì)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(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)建立了模型，對(duì)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(zhǎng)度Lp、寬度W和厚度tp分別為24、12和0.4mm，柔性膜片伸出長(zhǎng)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(duì)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(duì)流換熱系數(shù)的分布。對(duì)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(guò)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(duì)稱的，這表明由水平取向的壓電風(fēng)扇產(chǎn)生的流場(chǎng)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(duì)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(duì)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(chǎng)與射流的流場(chǎng)接近，而使下游流場(chǎng)得到發(fā)展，下游區(qū)域出現(xiàn)了最高的局部對(duì)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(méi)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(duì)于風(fēng)扇對(duì)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(wú)量綱高度為h/W=0.1時(shí)具有最好的散熱效果。

4? 結(jié)語(yǔ)

本文采用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)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(guò)低可能會(huì)對(duì)傳熱性能產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

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