压电合成射流散热器的传热特性研究

摘要

现今，高性能芯片在微型化和集成化的前进道路上，耗能和散热是其发展的严重阻碍，高效制冷系统和高要求热控制技术的研究已是当务之急。合成射流技术是有低能耗、无转动部件、无需额外气源和高散热效率等优点的一种新型射流技术，在电子器件的强化传热和冷却方面展现出了良好的应用潜力及广阔的应用前景，是研究的热点。而合成射流与散热器两者相结合的冷却技术具有显著而有效的流动特性和散热性能，但目前分析研究较少，没有形成系统性的成果和结论。因此本文基于理论、数值模拟和实验的方法，对合成射流散热器进行深入探索。主要研究内容如下： （1）基于压电振子和合成射流的相关理论，建立了压电合成射流激励器机电热耦合系统分析和设计的方法。通过ANSYS软件对选定材料的压电振子模型的仿真计算，得到了压电振子在正弦电信号下的振动位移函数。利用FLUENT的动网格技术对合成射流的动边界模型实施了网格无关性及出口中心流线速度理论公式的验证。分析了影响合成射流速度场的激励器结构参数，确定了优选结构尺寸，并依此制作了压电合成射流激励器实物。 （2）通过三种合成射流模拟方法的对比分析，提出了加快计算速度的修正型出口速度模型，构建了合成射流散热仿真模型，系统开展了合成射流直接散热和散热器组合散热的传热特性研究。模拟分析了激励器不同出口孔数和孔间距的出口条件对合成射流直接散热的影响效果，并通过搭建的实验测试系统对比验证了不同条件下合成射流的散热效果。设计了圆柱L型和阶梯型等五种不同结构的散热器，对比分析了在不同出口条件下的传热特性，确定了优选合成射流散热器方案。 （3）以散热热阻和散热器重量为双目标，结合评价综合性能的权重评分方法，开展了合成射流散热器结构参数的正交试验优化设计，得到了性能优越的圆柱O型和矩形开缝型合成射流散热器结构。在此基础上，通过实验与仿真的对比分析，验证了两种优化结构的散热性能。

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