合成雙射流矢量控制特性及其強(qiáng)化換熱應(yīng)用研究.pdf

1、流動(dòng)“可變、可控”是流體力學(xué)的重要發(fā)展趨勢(shì)，也是實(shí)現(xiàn)主動(dòng)流動(dòng)控制的核心技術(shù)問(wèn)題。激勵(lì)器作為主動(dòng)流動(dòng)控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，拓展其可控性是增強(qiáng)系統(tǒng)控制能力和優(yōu)化控制律的關(guān)鍵。應(yīng)用層面，主動(dòng)流動(dòng)控制和強(qiáng)化換熱技術(shù)的結(jié)合一直是流體力學(xué)和工程熱物理交叉領(lǐng)域的重要研究方向，探索和開(kāi)發(fā)緊湊、高效的主動(dòng)流動(dòng)控制強(qiáng)化換熱技術(shù)具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。本文針對(duì)合成雙射流激勵(lì)器，從結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì)，到性能和能量轉(zhuǎn)換效率評(píng)估，再到閉環(huán)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)

2、研究，旨在突破合成雙射流技術(shù)在實(shí)際中的應(yīng)用。
　　開(kāi)展了合成雙射流激勵(lì)器設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析，研制出了矢量合成雙射流激勵(lì)器樣機(jī)和調(diào)流滑塊運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)比智能材料和微型步進(jìn)電機(jī)的調(diào)流滑塊驅(qū)動(dòng)方式，設(shè)計(jì)了基于微型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的模塊化、一體化矢量合成雙射流激勵(lì)器；提出了面向應(yīng)用的合成雙射流激勵(lì)器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方差分析法，對(duì)應(yīng)用于增強(qiáng)摻混和換熱的合成雙射流激勵(lì)器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析，獲得了優(yōu)化參數(shù)組合，使得性能評(píng)

3、價(jià)指標(biāo)值至少提高了11.4％。
　　研究了合成雙射流激勵(lì)器的振動(dòng)特性、流場(chǎng)特性和能量特性。分析了驅(qū)動(dòng)參數(shù)對(duì)振動(dòng)膜振幅、振型和腔內(nèi)壓力的影響，在振動(dòng)膜共振頻率和Helmholtz共振頻率處出口射流速度取得極大值；通過(guò)PIV（Particle image velocimetry）實(shí)驗(yàn)研究了出口結(jié)構(gòu)參數(shù)和流場(chǎng)參數(shù)對(duì)渦量強(qiáng)度及其分布的影響，并采用本征正交分解（Proper orthogonal decomposition,POD）與重構(gòu)方

4、法，分析了不同能量結(jié)構(gòu)的分解流場(chǎng)、重構(gòu)流場(chǎng)以及各特征模態(tài)的頻率特性；建立了激勵(lì)器能量轉(zhuǎn)換效率的計(jì)算模型，在共振頻率附近，激勵(lì)器的能量轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)極大值，合成雙射流激勵(lì)器的能量轉(zhuǎn)換效率約為常規(guī)合成射流激勵(lì)器的2倍，增加驅(qū)動(dòng)電壓，雖然增大了射流速度，但最大能量轉(zhuǎn)換效率卻降低了。
　　提出了基于射流核心區(qū)速度的矢量評(píng)價(jià)方法，該方法能有效降低流場(chǎng)波動(dòng)帶來(lái)的較大誤差；通過(guò)紋影和PIV實(shí)驗(yàn)研究了驅(qū)動(dòng)參數(shù)、滑塊位置和結(jié)構(gòu)對(duì)矢量偏轉(zhuǎn)角的影響，重點(diǎn)

5、分析了主流速度和矢量偏轉(zhuǎn)角隨滑塊位置的變化規(guī)律，揭示了矢量偏轉(zhuǎn)角的物理機(jī)制。結(jié)果表明，合成雙射流始終向出口面積較大的一側(cè)偏轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電壓和頻率均存在最佳值，使得合成雙射流矢量偏轉(zhuǎn)角較大；通過(guò)控制滑塊的位置可以實(shí)現(xiàn)合成雙射流的雙向偏轉(zhuǎn)，矢量偏轉(zhuǎn)角的變化曲線存在一定的線性區(qū)間，且隨著滑塊倒角的增加，矢量偏轉(zhuǎn)角的變化范圍和線性區(qū)間逐漸增大，有利于主動(dòng)流動(dòng)控制控制律的優(yōu)化。
　　開(kāi)展了大功率LED（Light-emitting diode）

6、陣列散熱實(shí)驗(yàn)研究，提出了基于合成雙射流與小型翅片的主-被動(dòng)組合散熱方式，并對(duì)比分析了被動(dòng)、主動(dòng)和主-被動(dòng)組合散熱方式的散熱特性和安裝空間；研究了射流沖擊間距、角度和激勵(lì)器出口對(duì)組合結(jié)構(gòu)散熱性能的影響。結(jié)果表明，相同散熱方式下，合成雙射流的散熱性能優(yōu)于合成射流；與商用翅片相比，組合散熱方式（垂直布置）能使芯片的穩(wěn)定溫度降低了15℃，同時(shí)安裝空間減小了72.3%，激勵(lì)器平行布置時(shí)安裝空間減小量達(dá)到81%，有利于受限空間大功率LED的封裝；隨

7、著射流沖擊間距的增加，芯片穩(wěn)定溫度出現(xiàn)兩個(gè)極小值；設(shè)計(jì)了基于合成雙射流的散熱閉環(huán)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)定工作溫度范圍內(nèi)激勵(lì)器的自主控制，建立了激勵(lì)器工作占空比的性能評(píng)價(jià)參數(shù)，隨著射流沖擊間距的增加，激勵(lì)器工作占空比先減小后增加，在最佳沖擊間距時(shí)，工作占空比最低29.1%，工作時(shí)長(zhǎng)和消耗的電能最少。
　　針對(duì)大面積電子器件散熱，提出了基于合成雙射流矢量“掃風(fēng)”功能的沖擊散熱方法，研究了矢量合成雙射流沖擊平板的流場(chǎng)特性和散熱特性。結(jié)果表明

8、，合成雙射流的矢量特性使得射流中心點(diǎn)和滯止區(qū)向靶板兩側(cè)移動(dòng)，能提高兩側(cè)的局部對(duì)流換熱系數(shù)，防止平板局部溫度過(guò)高；當(dāng)沖擊間距較小時(shí)，合成雙射流的“自給”現(xiàn)象使得其整體散熱性能比合成射流差，但隨著沖擊間距的增大，合成雙射流的散熱性能迅速提升并優(yōu)于合成射流，而且最佳沖擊間距比合成射流小，能有效降低安裝空間；滑塊位置的變化會(huì)影響矢量合成雙射流的沖擊強(qiáng)度和角度，使得靶板的平均努塞爾數(shù)(Nuavg)存在三個(gè)局部極大值；滑塊運(yùn)動(dòng)速度對(duì)Nuavg的影響