合成雙射流矢量控制特性及其強化換熱應(yīng)用研究.pdf

1、流動“可變、可控”是流體力學(xué)的重要發(fā)展趨勢，也是實現(xiàn)主動流動控制的核心技術(shù)問題。激勵器作為主動流動控制系統(tǒng)的執(zhí)行器，拓展其可控性是增強系統(tǒng)控制能力和優(yōu)化控制律的關(guān)鍵。應(yīng)用層面，主動流動控制和強化換熱技術(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，探索和開發(fā)緊湊、高效的主動流動控制強化換熱技術(shù)具有重要的工程應(yīng)用價值。本文針對合成雙射流激勵器，從結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計，到性能和能量轉(zhuǎn)換效率評估，再到閉環(huán)控制系統(tǒng)開發(fā)，進行了理論分析和實驗

2、研究，旨在突破合成雙射流技術(shù)在實際中的應(yīng)用。
　　開展了合成雙射流激勵器設(shè)計與優(yōu)化分析，研制出了矢量合成雙射流激勵器樣機和調(diào)流滑塊運動控制系統(tǒng)。通過對比智能材料和微型步進電機的調(diào)流滑塊驅(qū)動方式，設(shè)計了基于微型步進電機驅(qū)動的模塊化、一體化矢量合成雙射流激勵器；提出了面向應(yīng)用的合成雙射流激勵器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，結(jié)合正交試驗設(shè)計和方差分析法，對應(yīng)用于增強摻混和換熱的合成雙射流激勵器的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化分析，獲得了優(yōu)化參數(shù)組合，使得性能評

3、價指標值至少提高了11.4％。
　　研究了合成雙射流激勵器的振動特性、流場特性和能量特性。分析了驅(qū)動參數(shù)對振動膜振幅、振型和腔內(nèi)壓力的影響，在振動膜共振頻率和Helmholtz共振頻率處出口射流速度取得極大值；通過PIV（Particle image velocimetry）實驗研究了出口結(jié)構(gòu)參數(shù)和流場參數(shù)對渦量強度及其分布的影響，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、重構(gòu)流場以及各特征模態(tài)的頻率特性；建立了激勵器能量轉(zhuǎn)換效率的計算模型，在共振頻率附近，激勵器的能量轉(zhuǎn)換效率出現(xiàn)極大值，合成雙射流激勵器的能量轉(zhuǎn)換效率約為常規(guī)合成射流激勵器的2倍，增加驅(qū)動電壓，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)速度的矢量評價方法，該方法能有效降低流場波動帶來的較大誤差；通過紋影和PIV實驗研究了驅(qū)動參數(shù)、滑塊位置和結(jié)構(gòu)對矢量偏轉(zhuǎn)角的影響，重點

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；通過控制滑塊的位置可以實現(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，有利于主動流動控制控制律的優(yōu)化。
　　開展了大功率LED（Light-emitting diode）

6、陣列散熱實驗研究，提出了基于合成雙射流與小型翅片的主-被動組合散熱方式，并對比分析了被動、主動和主-被動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、角度和激勵器出口對組合結(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℃，同時安裝空間減小了72.3%，激勵器平行布置時安裝空間減小量達到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)兩個極小值；設(shè)計了基于合成雙射流的散熱閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了設(shè)定工作溫度范圍內(nèi)激勵器的自主控制，建立了激勵器工作占空比的性能評價參數(shù)，隨著射流沖擊間距的增加，激勵器工作占空比先減小后增加，在最佳沖擊間距時，工作占空比最低29.1%，工作時長和消耗的電能最少。
　　針對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和滯止區(qū)向靶板兩側(cè)移動，能提高兩側(cè)的局部對流換熱系數(shù)，防止平板局部溫度過高；當(dāng)沖擊間距較小時，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；滑塊位置的變化會影響矢量合成雙射流的沖擊強度和角度，使得靶板的平均努塞爾數(shù)(Nuavg)存在三個局部極大值；滑塊運動速度對Nuavg的影響