压电风扇散热特性的数值实验研究

丁鹏　刘喆

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

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 flow 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 transfer 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

近來，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。

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tp分别为24、12和0.4mm，柔性膜片伸出长度Lb为23mm，厚度tb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

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，但風扇高度过低可能会对传热性能产生一定的负面影响。

参考文献

[1] 孔岳，李敏，辛庆利.压电风扇结构设计与参数影响研究[J].北京航空航天大学学报，2016（9）：1-6.

[2] 孔岳，李敏，吴蒙蒙.压电风扇非定常流场速度分布的数值研究[J].工程力学，2016（1）：1-4.

[3] 李鑫郡，张靖周，谭晓茗.单个压电风扇传热特性[J].航空学报，2017（7）：10-14.

[4] Hung-Yi Li，Yu-Xian Wu.Heat transfer characteristics of pin-fin heat sinks cooled by dual piezoelectric fans[J].International Journal of Thermal Sciences，2016（110）：26-35.

[5] Jin-Cheng Shyu， Shu-Kai Hheng.l Cooling performance and characteristics of metal piezoelectric fans in a heat sink-equipped handheld projector[J]. Microelectronics reliability， 2018（84）：75-87.

[6] Cheng Hung Huang，Guang Yi Fan.Determination of relative positions and phase angle of dual piezoelectric fans for maximum heat dissipation of fin surface [J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2016（92）：523-538.

[7] Soo Hyun Park，Myong Hun Oh，etc.Effects of freestream on piezoelectric fan performance [J].Journal of Fluids and Structure，2019（87）：302-318.

[8] S.F.Sufian，M.Z. Abdullah.Heat transfer enhancement of LEDs with a combination of piezoelectric fans and a heat sink[J].Microelectronics Reliability，2017（68）：39–50.

[9] Chien Nan Lin，Jiin Yuh Jang，Jin Sheng Leu.A Study of an Effective Heat-Dissipating Piezoelectric Fan for High Heat Density Devices[J].Energies，2016（96）：10-14.