【摘要】：壓電風(fēng)扇是一種由壓電陶瓷片和柔性膜片組成的固態(tài)設(shè)備,其工作原理是利用壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)迫使壓電陶瓷周期性地伸縮,并帶動(dòng)柔性膜片同頻振動(dòng),從而激勵(lì)周?chē)黧w形成自葉尖向下游平穩(wěn)輸出的準(zhǔn)射流。由于壓電風(fēng)扇具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低能耗、低噪聲、易于控制等諸多優(yōu)點(diǎn),在電子設(shè)備冷卻、能量收集、仿生機(jī)器推進(jìn)等多方面顯示出廣闊的應(yīng)用前景,成為流動(dòng)控制和傳熱強(qiáng)化的一個(gè)研究熱點(diǎn)。為深化認(rèn)識(shí)壓電風(fēng)扇激勵(lì)在通道流中的流動(dòng)換熱特征及其影響機(jī)制,本文針對(duì)壓電風(fēng)扇開(kāi)展了以下四個(gè)方面的研究:首先,運(yùn)用激光多普勒測(cè)振儀對(duì)單風(fēng)扇的振動(dòng)模態(tài)和在多種邊界條件下的振動(dòng)特性以及雙風(fēng)扇相干振動(dòng)特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,獲得了激勵(lì)電壓、通道流速度、雙風(fēng)扇間距和相位等因素對(duì)于振動(dòng)特性的影響,據(jù)此建立描述風(fēng)扇振動(dòng)位移規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。研究結(jié)果表明,在通道流中,單風(fēng)扇的氣動(dòng)阻尼主要受攻角和主流速度影響。攻角越大,主流速度越小則風(fēng)扇所受到的阻尼越小。對(duì)于雙風(fēng)扇系統(tǒng),風(fēng)扇所受氣動(dòng)阻尼和風(fēng)扇排布方式、無(wú)量綱間距以及振動(dòng)相位差密切相關(guān)。串列排布,當(dāng)無(wú)量綱風(fēng)扇間距PN1.2時(shí),同相振動(dòng)氣動(dòng)阻尼略有增加,反相振動(dòng)氣動(dòng)阻尼稍有減小。當(dāng)無(wú)量綱風(fēng)扇間距PN1.2時(shí),相位對(duì)氣動(dòng)阻尼的影響消失。并列排布,當(dāng)無(wú)量綱風(fēng)扇間距PN1時(shí),同相振動(dòng)氣動(dòng)阻尼稍有減小,反相振動(dòng)時(shí)氣動(dòng)阻尼則略有增加。當(dāng)無(wú)量綱風(fēng)扇間距PN1時(shí),相位對(duì)氣動(dòng)阻尼的影響消失。其次,針對(duì)單風(fēng)扇和雙風(fēng)扇在靜止環(huán)境中的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究,揭示了風(fēng)扇激勵(lì)射流的對(duì)流換熱特征、主要影響因素及其渦系演變機(jī)制。研究結(jié)果表明,對(duì)于單風(fēng)扇,在自由空間振動(dòng)時(shí)會(huì)在葉尖以及兩側(cè)緣靠近葉尖處周期性的形成馬蹄渦結(jié)構(gòu)并從葉尖脫落。而加熱表面的存在,會(huì)導(dǎo)致風(fēng)扇激勵(lì)的渦系結(jié)構(gòu)與其在自由空間振動(dòng)時(shí)誘導(dǎo)的流場(chǎng)存在一定的差異,脫落渦相比于自由空間時(shí)更易破碎。風(fēng)扇振動(dòng)誘導(dǎo)的渦沖擊加熱表面所形成的近壁流動(dòng)呈現(xiàn)出明顯的平行于風(fēng)扇的側(cè)向流動(dòng)、而在風(fēng)扇兩側(cè)邊則出現(xiàn)卷吸的特點(diǎn),葉尖包絡(luò)區(qū)對(duì)應(yīng)的壁面局部對(duì)流換熱有顯著的強(qiáng)化作用,表面對(duì)流換熱系數(shù)分布在包絡(luò)區(qū)外圍呈現(xiàn)啞鈴狀特征;對(duì)于串列雙風(fēng)扇,同相振動(dòng)時(shí)馬蹄渦在相鄰風(fēng)扇之間的聚合更為緊密,渦流沖擊和沿壁面流動(dòng)能力得到增強(qiáng),相對(duì)于單風(fēng)扇作用情形,串列雙風(fēng)扇同相振動(dòng)時(shí)的峰值對(duì)流換熱系數(shù)有微弱的提高,而串列雙風(fēng)扇反相振動(dòng)則有微弱的降低。同相振動(dòng)時(shí)的對(duì)流換熱強(qiáng)化能力優(yōu)于反相振動(dòng)情形;對(duì)于并列雙風(fēng)扇,反相振動(dòng)時(shí)在相鄰風(fēng)扇之間區(qū)域的流動(dòng)更加強(qiáng)烈。相對(duì)于單風(fēng)扇作用的情形,并列雙風(fēng)扇同相和反相振動(dòng)時(shí)峰值對(duì)流換熱系數(shù)均有微弱的提升。在兩風(fēng)扇之間的區(qū)域,反相振動(dòng)時(shí)對(duì)流換熱強(qiáng)化能力優(yōu)于同相振動(dòng)情形。第三,針對(duì)單風(fēng)扇和雙風(fēng)扇系統(tǒng)在通道流中的流動(dòng)換熱特性進(jìn)行研究,分析了風(fēng)扇射流與通道流的耦合流動(dòng)的對(duì)流換熱特性,揭示了壓電風(fēng)扇激勵(lì)在通道流中的流動(dòng)換熱特征及其影響機(jī)制。研究結(jié)果表明,對(duì)于單風(fēng)扇,通道流對(duì)風(fēng)扇邊緣馬蹄渦的生成具有明顯抑制作用,而風(fēng)扇激勵(lì)射流和通道流之間相互作用主要取決于二者速度比。在小速度比時(shí),由風(fēng)扇振動(dòng)而引起的射流沖擊對(duì)強(qiáng)化換熱起到支配作用,同時(shí)橫流經(jīng)過(guò)振動(dòng)包絡(luò)區(qū)時(shí)也能獲得有效的擾動(dòng),因此與單純風(fēng)扇作用相比耦合流動(dòng)在包絡(luò)區(qū)附近的換熱能力更強(qiáng),尤其是當(dāng)葉間距較小時(shí)。而當(dāng)葉間距較大時(shí),峰值換熱系數(shù)會(huì)向下游稍微遷移。在大速度比時(shí),由風(fēng)扇激勵(lì)的射流被橫流嚴(yán)重削弱。此時(shí)與單純風(fēng)扇作用相比耦合流動(dòng)在包絡(luò)區(qū)附近的換熱能力有所降低。但另一方面,風(fēng)扇擾動(dòng)時(shí)的耦合流動(dòng)換熱能力又高于單純橫流作用的情況,尤其是在振動(dòng)包絡(luò)區(qū)的下游;對(duì)于串列雙風(fēng)扇,上游風(fēng)扇誘導(dǎo)的射流在橫流作用下向下游遷移,與下游風(fēng)扇的激勵(lì)作用形成耦合。反相振動(dòng)時(shí)相鄰兩風(fēng)扇之間局部區(qū)域的對(duì)流換熱顯著低于同相振動(dòng)的情形;對(duì)于并列雙風(fēng)扇,反相振動(dòng)時(shí)有利于相鄰風(fēng)扇脫落渦之間的融合和發(fā)展,雙風(fēng)扇振動(dòng)包絡(luò)區(qū)下游的換熱能力優(yōu)于同相振動(dòng)情形。最后,針對(duì)單個(gè)風(fēng)扇分別與兩類(lèi)典型熱沉(陣列擾流柱熱沉和翅片熱沉)在通道流中的換熱特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,獲得了風(fēng)扇-熱沉換熱特性隨相關(guān)影響因素的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明,風(fēng)扇-陣列擾流柱熱沉具有高效的增強(qiáng)換熱能力。尤其是當(dāng)風(fēng)扇振動(dòng)特征雷諾數(shù)較大且葉間距較小時(shí),風(fēng)扇對(duì)陣列擾流柱熱沉強(qiáng)化換熱能力的提升作用顯著。陣列擾流柱熱沉的換熱系數(shù)和綜合換熱因子均與總雷諾數(shù)呈線性關(guān)系,而且風(fēng)扇在綜合換熱能力中的權(quán)重因子小于純換熱特性時(shí)的權(quán)重因子;風(fēng)扇-翅片熱沉的換熱性能與通道流速度以及風(fēng)扇的安裝方式緊密相關(guān)。尤其是當(dāng)風(fēng)扇非常靠近翅片熱沉且通道流速度較低時(shí),風(fēng)扇對(duì)于翅片熱沉換熱能力的提升作用最明顯。其中,風(fēng)扇水平安裝或垂直安裝時(shí)對(duì)于熱沉換熱能力的影響作用截然相反。
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TM925.11;TK124
【圖文】：

流體功能器件[11]。逆壓電效應(yīng)原理如圖1.1所示，對(duì)于具有特殊結(jié)構(gòu)的晶體（稱為具有壓電特性的晶體），由于其自身結(jié)構(gòu)的電學(xué)性能對(duì)稱性很低，當(dāng)在壓電材料表面施加電場(chǎng)時(shí)，會(huì)因電荷中心的位移導(dǎo)致電偶極矩的拉長(zhǎng)或縮短，壓電材料為抵抗變化，會(huì)沿電場(chǎng)方向伸長(zhǎng)或壓縮。這種

稱為壓電效應(yīng)。簡(jiǎn)而言之，即壓電材料具有在機(jī)械能與電能之間互逆轉(zhuǎn)換的功能。圖 1.1 逆壓電效應(yīng)圖1.2為壓電風(fēng)扇結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖，壓電風(fēng)扇由壓電振子（壓電陶瓷片）和柔性膜片（固體柔性材料）組成，其工作原理為壓電振子在驅(qū)動(dòng)電路交變電場(chǎng)的作用下發(fā)生尺度變形，迫使壓電層產(chǎn)生周期性的收縮和伸長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)柔性膜片在其固有頻率下產(chǎn)生諧振，諧振膜片的高頻拍動(dòng)擾動(dòng)附近的流體使其形成周期性振蕩，誘導(dǎo)一系列非定常的拍動(dòng)渦環(huán)，由于壓電振子的振動(dòng)頻率較高，在柔性膜片附近的空氣擾動(dòng)所產(chǎn)生的非定常渦環(huán)不斷地聚合，形成風(fēng)力相對(duì)集中的類(lèi)射流流動(dòng)。同時(shí)，由于其具有強(qiáng)烈的脈動(dòng)特征，比常規(guī)射流具有更強(qiáng)的夾帶能力，因此大部分研究者將壓電風(fēng)扇作為射流驅(qū)動(dòng)器件，利用壓電風(fēng)扇誘導(dǎo)的周期性渦環(huán)耦合而成的非定常射流機(jī)制

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 譚蕾;譚曉茗;張靖周;;壓電風(fēng)扇激勵(lì)非定常流動(dòng)和換熱特性數(shù)值研究[J];航空學(xué)報(bào);2013年06期

2 李鋼;楊凌元;聶超群;朱俊強(qiáng);徐燕驥;;利用等離子體非定常射流實(shí)現(xiàn)單轉(zhuǎn)子軸流壓氣機(jī)擴(kuò)穩(wěn)[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2013年01期

本文編號(hào)：2713433