【摘要】：壓電風(fēng)扇是一種由壓電陶瓷片和柔性膜片組成的固態(tài)設(shè)備,其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)迫使壓電陶瓷周期性地伸縮,并帶動柔性膜片同頻振動,從而激勵周圍流體形成自葉尖向下游平穩(wěn)輸出的準射流。由于壓電風(fēng)扇具有結(jié)構(gòu)簡單、低能耗、低噪聲、易于控制等諸多優(yōu)點,在電子設(shè)備冷卻、能量收集、仿生機器推進等多方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景,成為流動控制和傳熱強化的一個研究熱點。為深化認識壓電風(fēng)扇激勵在通道流中的流動換熱特征及其影響機制,本文針對壓電風(fēng)扇開展了以下四個方面的研究:首先,運用激光多普勒測振儀對單風(fēng)扇的振動模態(tài)和在多種邊界條件下的振動特性以及雙風(fēng)扇相干振動特性進行了實驗研究,獲得了激勵電壓、通道流速度、雙風(fēng)扇間距和相位等因素對于振動特性的影響,據(jù)此建立描述風(fēng)扇振動位移規(guī)律的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。研究結(jié)果表明,在通道流中,單風(fēng)扇的氣動阻尼主要受攻角和主流速度影響。攻角越大,主流速度越小則風(fēng)扇所受到的阻尼越小。對于雙風(fēng)扇系統(tǒng),風(fēng)扇所受氣動阻尼和風(fēng)扇排布方式、無量綱間距以及振動相位差密切相關(guān)。串列排布,當(dāng)無量綱風(fēng)扇間距PN1.2時,同相振動氣動阻尼略有增加,反相振動氣動阻尼稍有減小。當(dāng)無量綱風(fēng)扇間距PN1.2時,相位對氣動阻尼的影響消失。并列排布,當(dāng)無量綱風(fēng)扇間距PN1時,同相振動氣動阻尼稍有減小,反相振動時氣動阻尼則略有增加。當(dāng)無量綱風(fēng)扇間距PN1時,相位對氣動阻尼的影響消失。其次,針對單風(fēng)扇和雙風(fēng)扇在靜止環(huán)境中的流動換熱特性進行實驗和數(shù)值研究,揭示了風(fēng)扇激勵射流的對流換熱特征、主要影響因素及其渦系演變機制。研究結(jié)果表明,對于單風(fēng)扇,在自由空間振動時會在葉尖以及兩側(cè)緣靠近葉尖處周期性的形成馬蹄渦結(jié)構(gòu)并從葉尖脫落。而加熱表面的存在,會導(dǎo)致風(fēng)扇激勵的渦系結(jié)構(gòu)與其在自由空間振動時誘導(dǎo)的流場存在一定的差異,脫落渦相比于自由空間時更易破碎。風(fēng)扇振動誘導(dǎo)的渦沖擊加熱表面所形成的近壁流動呈現(xiàn)出明顯的平行于風(fēng)扇的側(cè)向流動、而在風(fēng)扇兩側(cè)邊則出現(xiàn)卷吸的特點,葉尖包絡(luò)區(qū)對應(yīng)的壁面局部對流換熱有顯著的強化作用,表面對流換熱系數(shù)分布在包絡(luò)區(qū)外圍呈現(xiàn)啞鈴狀特征;對于串列雙風(fēng)扇,同相振動時馬蹄渦在相鄰風(fēng)扇之間的聚合更為緊密,渦流沖擊和沿壁面流動能力得到增強,相對于單風(fēng)扇作用情形,串列雙風(fēng)扇同相振動時的峰值對流換熱系數(shù)有微弱的提高,而串列雙風(fēng)扇反相振動則有微弱的降低。同相振動時的對流換熱強化能力優(yōu)于反相振動情形;對于并列雙風(fēng)扇,反相振動時在相鄰風(fēng)扇之間區(qū)域的流動更加強烈。相對于單風(fēng)扇作用的情形,并列雙風(fēng)扇同相和反相振動時峰值對流換熱系數(shù)均有微弱的提升。在兩風(fēng)扇之間的區(qū)域,反相振動時對流換熱強化能力優(yōu)于同相振動情形。第三,針對單風(fēng)扇和雙風(fēng)扇系統(tǒng)在通道流中的流動換熱特性進行研究,分析了風(fēng)扇射流與通道流的耦合流動的對流換熱特性,揭示了壓電風(fēng)扇激勵在通道流中的流動換熱特征及其影響機制。研究結(jié)果表明,對于單風(fēng)扇,通道流對風(fēng)扇邊緣馬蹄渦的生成具有明顯抑制作用,而風(fēng)扇激勵射流和通道流之間相互作用主要取決于二者速度比。在小速度比時,由風(fēng)扇振動而引起的射流沖擊對強化換熱起到支配作用,同時橫流經(jīng)過振動包絡(luò)區(qū)時也能獲得有效的擾動,因此與單純風(fēng)扇作用相比耦合流動在包絡(luò)區(qū)附近的換熱能力更強,尤其是當(dāng)葉間距較小時。而當(dāng)葉間距較大時,峰值換熱系數(shù)會向下游稍微遷移。在大速度比時,由風(fēng)扇激勵的射流被橫流嚴重削弱。此時與單純風(fēng)扇作用相比耦合流動在包絡(luò)區(qū)附近的換熱能力有所降低。但另一方面,風(fēng)扇擾動時的耦合流動換熱能力又高于單純橫流作用的情況,尤其是在振動包絡(luò)區(qū)的下游;對于串列雙風(fēng)扇,上游風(fēng)扇誘導(dǎo)的射流在橫流作用下向下游遷移,與下游風(fēng)扇的激勵作用形成耦合。反相振動時相鄰兩風(fēng)扇之間局部區(qū)域的對流換熱顯著低于同相振動的情形;對于并列雙風(fēng)扇,反相振動時有利于相鄰風(fēng)扇脫落渦之間的融合和發(fā)展,雙風(fēng)扇振動包絡(luò)區(qū)下游的換熱能力優(yōu)于同相振動情形。最后,針對單個風(fēng)扇分別與兩類典型熱沉(陣列擾流柱熱沉和翅片熱沉)在通道流中的換熱特性進行實驗研究,獲得了風(fēng)扇-熱沉換熱特性隨相關(guān)影響因素的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,風(fēng)扇-陣列擾流柱熱沉具有高效的增強換熱能力。尤其是當(dāng)風(fēng)扇振動特征雷諾數(shù)較大且葉間距較小時,風(fēng)扇對陣列擾流柱熱沉強化換熱能力的提升作用顯著。陣列擾流柱熱沉的換熱系數(shù)和綜合換熱因子均與總雷諾數(shù)呈線性關(guān)系,而且風(fēng)扇在綜合換熱能力中的權(quán)重因子小于純換熱特性時的權(quán)重因子;風(fēng)扇-翅片熱沉的換熱性能與通道流速度以及風(fēng)扇的安裝方式緊密相關(guān)。尤其是當(dāng)風(fēng)扇非�？拷崞瑹岢燎彝ǖ懒魉俣容^低時,風(fēng)扇對于翅片熱沉換熱能力的提升作用最明顯。其中,風(fēng)扇水平安裝或垂直安裝時對于熱沉換熱能力的影響作用截然相反。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM925.11;TK124
【圖文】：

流體功能器件[11]。逆壓電效應(yīng)原理如圖1.1所示，對于具有特殊結(jié)構(gòu)的晶體（稱為具有壓電特性的晶體），由于其自身結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能對稱性很低，當(dāng)在壓電材料表面施加電場時，會因電荷中心的位移導(dǎo)致電偶極矩的拉長或縮短，壓電材料為抵抗變化，會沿電場方向伸長或壓縮。這種

稱為壓電效應(yīng)。簡而言之，即壓電材料具有在機械能與電能之間互逆轉(zhuǎn)換的功能。圖 1.1 逆壓電效應(yīng)圖1.2為壓電風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖，壓電風(fēng)扇由壓電振子（壓電陶瓷片）和柔性膜片（固體柔性材料）組成，其工作原理為壓電振子在驅(qū)動電路交變電場的作用下發(fā)生尺度變形，迫使壓電層產(chǎn)生周期性的收縮和伸長，驅(qū)動柔性膜片在其固有頻率下產(chǎn)生諧振，諧振膜片的高頻拍動擾動附近的流體使其形成周期性振蕩，誘導(dǎo)一系列非定常的拍動渦環(huán)，由于壓電振子的振動頻率較高，在柔性膜片附近的空氣擾動所產(chǎn)生的非定常渦環(huán)不斷地聚合，形成風(fēng)力相對集中的類射流流動。同時，由于其具有強烈的脈動特征，比常規(guī)射流具有更強的夾帶能力，因此大部分研究者將壓電風(fēng)扇作為射流驅(qū)動器件，利用壓電風(fēng)扇誘導(dǎo)的周期性渦環(huán)耦合而成的非定常射流機制

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 譚蕾;譚曉茗;張靖周;;壓電風(fēng)扇激勵非定常流動和換熱特性數(shù)值研究[J];航空學(xué)報;2013年06期

2 李鋼;楊凌元;聶超群;朱俊強;徐燕驥;;利用等離子體非定常射流實現(xiàn)單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機擴穩(wěn)[J];工程熱物理學(xué)報;2013年01期

本文編號：2713433