发热的鞋子DOI：10.16660/jki.1674-098X.2009-5640-4482
丁鹏 刘喆
(中国石油大学(华东) 新能源学院能源与动力工程系 山东青岛 266500)
摘 要：压电风扇因其寿命长、功耗低、占用体积小等优势，在微型电子设备散热领域具有广阔的发展潜力。由于压电风扇在水平方向占用面积更小，因此本文以水平方向布置的压电风扇为研究对象，进行数值模拟研究。
研究表明单扇水平扫掠的区域对流换热系数分布呈扇形，与垂直扫掠的哑铃形分布不同。在一定范围内降低风扇高度有利于湍流向风扇下游区域发展，提升下游段的换热性能。风扇高度h/W=0.1时的传热性能最好。可见在一定程度上降低风扇高度可以提高风机的传热性能，但风扇高度过低可能会对传热性能产生一定的负面影响。
关键词：热力学 压电风扇 动网格 强化传热
中图分类号：TK05 文献标识码：A 文章编号：1674-098X(2020)12(b)-0072-04 Numerical Experimental Study on the Horizontal Cooling
Characteristics of Piezoelectric Fan
DING Peng LIU Zhe
(Department of Energy and Power Engineering College of New Energy, China University of Petroleum,
Qingdao, Shandong Province, 266500 China)
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 f low 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 tr
ansfer 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
近来，各类电子设备的能耗和发热量大幅度提高，使芯片的热流密度迅速升高，对于其产生的热量进行疏散和冷却逐渐成为研究热点和难点。传统的散热装置多为旋转式风扇。其散热能力在很大程度上取决于扇叶面积和转速。然而随着扇叶面积的增大，风扇体积会相应增加；而提高转速则会大大提高风扇的噪声水平。作为可能的替代方案，压电风扇利用压电材料的压电特性，将压电材料制成作动器激励薄片振动进而带动周围空气流动，可作为电子设备的散热装置。压电风扇具有寿命长、功耗低、占用体积小等优点，相对于传统旋转式风扇具有明显的优势。
许多学者已经就压电风扇问题进行了一系列研究。孔岳等[1]使用计算流体方法，模拟压电风扇流场的发展过程，研究了压电风扇振动薄片高阶固有振型的影响和两种压电风扇振动薄片的排布形式对压电风扇性能的影响；孔岳等[2]通过模拟压电风扇中振动薄片的运动过程，计算并测量流场中的各种参数分布，探究了振动薄片的振动频率、压电风扇长度以及振动
薄片长度与压电风扇长度的比值对压电风扇出口风速的影响规律；李鑫郡等[3]通过实验利用激光多普勒测振仪研究了特定压电风扇的振动特性，获得其位移规律，并对压电风扇激励流动的涡结构特性以
及换热特性进行了数值研究； Hung-Yi Li等[4]采用实验方法研究了压电风扇配置和位置以及散热器尺寸对热阻的影响；Jin-Cherng Shyu等[5]研究了由四个柔性矩形叶片组成的振动压电风扇冷却的n型阵列的传热；Cheng-Hung Huang等[6]利用CFD-ACE+构建了三维压电风扇
的计算模型，应用LMM方法估计压电风扇的最佳位置，其他国外的相关研究见[7-9]。在目前对压电风扇流动和传热数值模拟中，由于压电风扇垂直方向产生的流场类似于射流，散热效果较强，因此大部分数值研究集中于风扇的垂直散热。但压电风扇主要应用于芯片散热器等微型器件中，通常受到垂直方向的空间限制，因此对压电风扇水平方向的散热特性研究是很有必要的。本文通过对比实验建立了模型，
对不同高度
的压电风扇冷却恒热流面的效果进行了研究。
图1 压电风扇结构示意图
图2 不同高度风扇产生的流场
图3 壁面局部对流换热系数的时均分布
S u r f a c e h e a t transfer coefficient (W .m -2.K-1)
1 物理模型
在数值模拟中使用商业上可获得的压电风扇，压电风扇结构如图1所示，压电陶瓷片采用单侧黏附，陶瓷片长度Lp、宽度Ｗ和厚度t p 分别为24、12和0.4mm，柔性膜片伸出长度L b 为23mm，厚度t b 为0.1mm。压电风扇固定端由安装座刚性连接在壁面上。风扇叶尖的前后向极限位置时的最大位移为App，该位移是叶尖振幅Ap的2倍。
2 数学模型
Fluent中描述瞬态流体流动的控制方程为连续性方程：
()
0=∂∂
i i u x ρ
（1）
动量方程（非加速参考系）：
()()i
真空注型机i j i j
j j i j i F g x x P u ñu x ñu ++∂∂+∂∂−=∂∂+∂∂ρτt （2）其中ρ为流体密度，P 为流体中的压力，τij 为粘性应力张量，而g i 为i 方向上的重力加速度。
能量方程：
()()22j
p i j p x T k T u c ñu x T ñc t ∂∂=∂∂+∂∂
（3）
其中cp为空气的比热，T为温度，k为热导率。
湍流动能方程：
()
塑料表面电晕处理机∂∂+∂∂+−=∂∂+∂∂j T
k j *k j j x k íóíx kùâP x k U t k （4）
比耗散率：
()()i
i ùj T ùj j j x ù
x k ùóF x ùíóíx â
ùá
S x ù
U t ù∂∂∂∂−+
∂∂+∂∂+−=∂∂+∂∂1122
12
2
（5）
3 结果与分析
图2显示了在z=-2.9mm，δ=0.5的计算平面上的速度等值线和流速分布情况。
这表明在一定范围内降低风扇高度对于壁面附近的空气流动具有正向作用，而高度的增加则可以加强风扇两侧区域的空气流动。
图3显示了一段时间内不同压电风扇高度的热流表面的平均局部对流换热系数的分布。对于单个风扇的不同高度，如图3所示，叶尖扫掠区域的传热系数呈现扇形分布，注意到风扇的作用主要体现在下游区域。此外，通过观察风扇下游的中心区域，发现这些区域在X和Z方向上是不对称的，这表明由水平取向的压电风扇产生的流场分布是不均匀的。
当h /W =0.1、
0.2和0.4时，最高的局部对流换热系数都出现在风扇叶尖正下方，当h /W >0.4时，最高的局部对流换热系数不再出现在叶尖，而是逐渐移向下游。其原因是随着风扇叶尖附近的流速达到峰值，风扇高度越低，加热壁面越接近扫描包络区的中心。当风扇远离壁面时，叶尖附近的高速包络区不再直接影响壁面，由于压电风扇在垂直方向产生的流场与射流的流场接近，而使下游流场得到发展，下游区域出现了最高的局部对流换热系数值。但随着风扇高度的增加，叶顶附近和下游区域的散热效果明显减弱。因此，当风扇在一定程度上靠近热流壁面时，叶顶和风机下游区域的传热性能显著提高。
而当h /W =0.05时，具有最强传热能力的区域也没
有出现在叶片尖端附近，而是出现在叶片下方和风扇下游，且换热能力相比于h /W =0.1时显著减弱。
范围内风扇高度的降低对于风扇对点热源的换热能力同样具有正向影响。在本文研究中，风扇无量纲高度为h/W =0.1时具有最好的散热效果。
4 结语
本文采用动态网格技术，对不同高度水平冷却加热壁面的压电风扇的非定常流动和传热特性进行了数
值模拟。结果表明：
（1）单扇水平扫掠的区域对流换热系数分布呈扇形，与垂直扫掠的哑铃形分布不同。
（2）在一定范围内降低风扇高度有利于湍流向风
扇下游区域发展，提升下游段的换热性能。
（3）风扇高度h /W =0.1时的传热性能最好。由此可见，在一定程度上降低风扇高度可以提高风机的传热性能，但风扇高度过低可能会对传热性能产生一定的
负面影响。
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(上接59页)
40mm以下末煤。40～200mm进入3#振动分级筛，筛分后的物料分别进入对应40～80 mm、80～200mm的进料斗，进料斗下分别安装了两台智能振动给料机匀速给料至GDRT煤矸智能分选系统;。根据新维煤业的产量数据，最终确定设备选型为：GDRT煤矸智能分选系统40～80mm（4通道）、80～200 mm（2通道）各一套。 3.2 检测指标
入选总量：进入煤矸智能分选系统的总入料量; 原含矸率：（选后矸石堆中矸石总量+选后煤堆中矸石总量）/入选总量；选后含矸率：选后煤中矸石总量/选后煤堆总量；选后矸石中含煤率：选后矸石中煤总量/ 矸石堆总量；选净率：选后矸石堆中矸石总量/（分选后矸石中矸石总量+分选后煤中矸石总量）；选后煤中含矸率不高于10%；选后矸中含煤率不高于3%。
3.3 检测结果
（1）40～80mm物料分选结果（见表1）。
（2）80～200mm物料分选结果（见表2）。
表1，2数据表明，GDRT煤矸智能分选系统的分选结果完全达到了既定的性能指标。
4 GDRT智能分选系统的优势特点及增效
4.1 社会效益
（1）减少了在恶劣环境下工作的人数，降低了职业病的发生率。（2）降低了安全事故的发生率。（3）减少人工误捡煤率，节约了煤炭资源。（4）绿环保，不消耗水资源和其他介质；（5）自动化程度高，操作简单，维护方便；（6）分选效率高，矸石选净率大于95％，选后矸中带煤小于1%；（7）可分选的煤种广，对各煤种排矸均能适应；（8）环境适应性强，适用所有地区使用，在寒冷或缺水地区优势更为明显。
4.2 直接增效
屋面檩条
（1）通过表3-6采样效益测算表，根据新维煤业公司年产60WT计算，年直接增效2000万余元。
5 结语
GDRT 煤矸智能分选系统，作为基于γ 射线传感器的干法块煤自动化分选技术，填补了国内该领域的技术空白，在国内许多选煤厂得到了成功应用。国外厂商目前还没有在中国应用的案例，而国内尚无同类产品的厂商。通过研究和论证，GDRT 系统可以直接在原有手选皮带上进行改造，不用新增厂房建设，同时该设备施工方便快捷、工期短，可结合煤矿休息和检修的时间开展安装，对生产几乎不造成影响，投资回收周期预短，运营成本低。该系统还有进一步在集团公司其他矿井实施的前景。该技术根据其特点，还有更广的应用创新价值，比如研究矿井下煤矸分选等，值得集团公司持续关注，响应国家的政策与号召。
参考文献ctcs2
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