【摘要】：壓電風扇是一種由壓電陶瓷片和柔性膜片組成的固態(tài)設備,其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應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。由于壓電風扇具有結構簡單、低能耗、低噪聲、易于控制等諸多優(yōu)點,在電子設備冷卻、能量收集、仿生機器推進等多方面顯示出廣闊的應用前景,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)此建立描述風扇振動位移規(guī)律的經驗關聯(lián)式。研究結果表明,在通道流中,單風扇的氣動阻尼主要受攻角和主流速度影響。攻角越大,主流速度越小則風扇所受到的阻尼越小。對于雙風扇系統(tǒng),風扇所受氣動阻尼和風扇排布方式、無量綱間距以及振動相位差密切相關。串列排布,當無量綱風扇間距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。當無量綱風扇間距PN1.2時,相位對氣動阻尼的影響消失。并列排布,當無量綱風扇間距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。當無量綱風扇間距PN1時,相位對氣動阻尼的影響消失。其次,針對單風扇和雙風扇在靜止環(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。研究結果表明,對于單風扇,在自由空間振動時會在葉尖以及兩側緣靠近葉尖處周期性的形成馬蹄渦結構并從葉尖脫落。而加熱表面的存在,會導致風扇激勵的渦系結構與其在自由空間振動時誘導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。風扇振動誘導的渦沖擊加熱表面所形成的近壁流動呈現(xiàn)出明顯的平行于風扇的側向流動、而在風扇兩側邊則出現(xiàn)卷吸的特點,葉尖包絡區(qū)對應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)分布在包絡區(qū)外圍呈現(xiàn)啞鈴狀特征;對于串列雙風扇,同相振動時馬蹄渦在相鄰風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,相對于單風扇作用情形,串列雙風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;對于并列雙風扇,反相振動時在相鄰風扇之間區(qū)域的流動更加強烈。相對于單風扇作用的情形,并列雙風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,針對單風扇和雙風扇系統(tǒng)在通道流中的流動換熱特性進行研究,分析了風扇射流與通道流的耦合流動的對流換熱特性,揭示了壓電風扇激勵在通道流中的流動換熱特征及其影響機制。研究結果表明,對于單風扇,通道流對風扇邊緣馬蹄渦的生成具有明顯抑制作用,而風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,同時橫流經過振動包絡區(qū)時也能獲得有效的擾動,因此與單純風扇作用相比耦合流動在包絡區(qū)附近的換熱能力更強,尤其是當葉間距較小時。而當葉間距較大時,峰值換熱系數(shù)會向下游稍微遷移。在大速度比時,由風扇激勵的射流被橫流嚴重削弱。此時與單純風扇作用相比耦合流動在包絡區(qū)附近的換熱能力有所降低。但另一方面,風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,尤其是在振動包絡區(qū)的下游;對于串列雙風扇,上游風扇誘導的射流在橫流作用下向下游遷移,與下游風扇的激勵作用形成耦合。反相振動時相鄰兩風扇之間局部區(qū)域的對流換熱顯著低于同相振動的情形;對于并列雙風扇,反相振動時有利于相鄰風扇脫落渦之間的融合和發(fā)展,雙風扇振動包絡區(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,獲得了風扇-熱沉換熱特性隨相關影響因素的變化規(guī)律。研究結果表明,風扇-陣列擾流柱熱沉具有高效的增強換熱能力。尤其是當風扇振動特征雷諾數(shù)較大且葉間距較小時,風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)呈線性關系,而且風扇在綜合換熱能力中的權重因子小于純換熱特性時的權重因子;風扇-翅片熱沉的換熱性能與通道流速度以及風扇的安裝方式緊密相關。尤其是當風扇非常靠近翅片熱沉且通道流速度較低時,風扇對于翅片熱沉換熱能力的提升作用最明顯。其中,風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。
【學位授予單位】：南京航空航天大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM925.11;TK124
【圖文】：

流體功能器件[11]。逆壓電效應原理如圖1.1所示，對于具有特殊結構的晶體（稱為具有壓電特性的晶體），由于其自身結構的電學性能對稱性很低，當在壓電材料表面施加電場時，會因電荷中心的位移導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。簡而言之，即壓電材料具有在機械能與電能之間互逆轉換的功能。圖 1.1 逆壓電效應圖1.2為壓電風扇結構和工作原理示意圖，壓電風扇由壓電振子（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動電路交變電場的作用下發(fā)生尺度變形，迫使壓電層產生周期性的收縮和伸長，驅動柔性膜片在其固有頻率下產生諧振，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生的非定常渦環(huán)不斷地聚合，形成風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扇作為射流驅動器件，利用壓電風扇誘導的周期性渦環(huán)耦合而成的非定常射流機制

【參考文獻】

相關期刊論文 前2條

1 譚蕾;譚曉茗;張靖周;;壓電風扇激勵非定常流動和換熱特性數(shù)值研究[J];航空學報;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)單轉子軸流壓氣機擴穩(wěn)[J];工程熱物理學報;2013年01期

本文編號：2713433