摘 要：壓電風扇因其壽命長、功耗低、占用體積小等優勢，在微型電子設備散熱領域具有廣闊的發展潛力。由于壓電風扇在水平方向占用面積更小，因此本文以水平方向布置的壓電風扇為研究對象，進行數值模擬研究。研究表明單扇水平掃掠的區域對流換熱系數分布呈扇形，與垂直掃掠的啞鈴形分布不同。在一定范圍內降低風扇高度有利于湍流向風扇下游區域發展，提升下游段的換熱性能。風扇高度h/W=0.1時的傳熱性能最好。可見在一定程度上降低風扇高度可以提高風機的傳熱性能，但風扇高度過低可能會對傳熱性能產生一定的負面影響。

　　關鍵詞：熱力學 壓電風扇 動網格 強化傳熱

　　近來，各類電子設備的能耗和發熱量大幅度提高，使芯片的熱流密度迅速升高，對于其產生的熱量進行疏散和冷卻逐漸成為研究熱點和難點。傳統的散熱裝置多為旋轉式風扇。其散熱能力在很大程度上取決于扇葉面積和轉速。然而隨著扇葉面積的增大，風扇體積會相應增加;而提高轉速則會大大提高風扇的噪聲水平。作為可能的替代方案，壓電風扇利用壓電材料的壓電特性，將壓電材料制成作動器激勵薄片振動進而帶動周圍空氣流動，可作為電子設備的散熱裝置。壓電風扇具有壽命長、功耗低、占用體積小等優點，相對于傳統旋轉式風扇具有明顯的優勢。

　　許多學者已經就壓電風扇問題進行了一系列研究。孔岳等[1]使用計算流體方法，模擬壓電風扇流場的發展過程，研究了壓電風扇振動薄片高階固有振型的影響和兩種壓電風扇振動薄片的排布形式對壓電風扇性能的影響;孔岳等[2]通過模擬壓電風扇中振動薄片的運動過程，計算并測量流場中的各種參數分布，探究了振動薄片的振動頻率、壓電風扇長度以及振動薄片長度與壓電風扇長度的比值對壓電風扇出口風速的影響規律;李鑫郡等[3]通過實驗利用激光多普勒測振儀研究了特定壓電風扇的振動特性，獲得其位移規律，并對壓電風扇激勵流動的渦結構特性以及換熱特性進行了數值研究; Hung-Yi Li等[4]采用實驗方法研究了壓電風扇配置和位置以及散熱器尺寸對熱阻的影響;Jin-Cherng Shyu等[5]研究了由四個柔性矩形葉片組成的振動壓電風扇冷卻的n型陣列的傳熱;Cheng-Hung Huang等[6]利用CFD-ACE+構建了三維壓電風扇的計算模型，應用LMM方法估計壓電風扇的最佳位置，其他國外的相關研究見[7-9]。在目前對壓電風扇流動和傳熱數值模擬中，由于壓電風扇垂直方向產生的流場類似于射流，散熱效果較強，因此大部分數值研究集中于風扇的垂直散熱。但壓電風扇主要應用于芯片散熱器等微型器件中，通常受到垂直方向的空間限制，因此對壓電風扇水平方向的散熱特性研究是很有必要的。本文通過對比實驗建立了模型，對不同高度的壓電風扇冷卻恒熱流面的效果進行了研究。

　　1 物理模型

　　在數值模擬中使用商業上可獲得的壓電風扇，壓電風扇結構如圖1所示，壓電陶瓷片采用單側黏附，陶瓷片長度Lp、寬度W和厚度tp分別為24、12和0.4mm，柔性膜片伸出長度Lb為23mm，厚度tb為0.1mm。壓電風扇固定端由安裝座剛性連接在壁面上。風扇葉尖的前后向極限位置時的最大位移為App，該位移是葉尖振幅Ap的2倍。

　　2 數學模型

　　3 結果與分析

　　圖2顯示了在z=-2.9mm，δ=0.5的計算平面上的速度等值線和流速分布情況。

　　這表明在一定范圍內降低風扇高度對于壁面附近的空氣流動具有正向作用，而高度的增加則可以加強風扇兩側區域的空氣流動。

　　圖3顯示了一段時間內不同壓電風扇高度的熱流表面的平均局部對流換熱系數的分布。對于單個風扇的不同高度，如圖3所示，葉尖掃掠區域的傳熱系數呈現扇形分布，注意到風扇的作用主要體現在下游區域。此外，通過觀察風扇下游的中心區域，發現這些區域在X和Z方向上是不對稱的，這表明由水平取向的壓電風扇產生的流場分布是不均勻的。

　　當h/W=0.1、0.2和0.4時，最高的局部對流換熱系數都出現在風扇葉尖正下方，當h/W>0.4時，最高的局部對流換熱系數不再出現在葉尖，而是逐漸移向下游。其原因是隨著風扇葉尖附近的流速達到峰值，風扇高度越低，加熱壁面越接近掃描包絡區的中心。當風扇遠離壁面時，葉尖附近的高速包絡區不再直接影響壁面，由于壓電風扇在垂直方向產生的流場與射流的流場接近，而使下游流場得到發展，下游區域出現了最高的局部對流換熱系數值。但隨著風扇高度的增加，葉頂附近和下游區域的散熱效果明顯減弱。因此，當風扇在一定程度上靠近熱流壁面時，葉頂和風機下游區域的傳熱性能顯著提高。

　　而當h/W=0.05時，具有最強傳熱能力的區域也沒有出現在葉片尖端附近，而是出現在葉片下方和風扇下游，且換熱能力相比于h/W=0.1時顯著減弱。

　　范圍內風扇高度的降低對于風扇對點熱源的換熱能力同樣具有正向影響。在本文研究中，風扇無量綱高度為h/W=0.1時具有最好的散熱效果。

　　4 結語

　　本文采用動態網格技術，對不同高度水平冷卻加熱壁面的壓電風扇的非定常流動和傳熱特性進行了數值模擬。結果表明：

　　(1)單扇水平掃掠的區域對流換熱系數分布呈扇形，與垂直掃掠的啞鈴形分布不同。

　　(2)在一定范圍內降低風扇高度有利于湍流向風扇下游區域發展，提升下游段的換熱性能。

　　(3)風扇高度h/W=0.1時的傳熱性能最好。由此可見，在一定程度上降低風扇高度可以提高風機的傳熱性能，但風扇高度過低可能會對傳熱性能產生一定的負面影響。

　　參考文獻

　　[1] 孔岳，李敏，辛慶利.壓電風扇結構設計與參數影響研究[J].北京航空航天大學學報，2016(9)：1-6.

　　[2] 孔岳，李敏，吳蒙蒙.壓電風扇非定常流場速度分布的數值研究[J].工程力學，2016(1)：1-4.

　　[3] 李鑫郡，張靖周，譚曉茗.單個壓電風扇傳熱特性[J].航空學報，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.

　　推薦閱讀：《大科技》雜志是經國家新聞出版總署批準、由海南省科學技術廳主管，海南省科學技術信息研究所主辦，面向國內外公開發行的科技類期刊。