空气射流有效冷却的传热研究

当今世界，对尺寸紧凑、系统占用空间较小等电子设备的需求很大。这反过来又对电子设备的冷却提出了严峻挑战，因为热量的增加以及有限的散热表面积。从功耗几瓦的手持设备到功耗超过100W的高性能微处理器，各种功耗水平都存在热问题。工程师们提出了一些解决方案，如散热器、强制空气冷却（风扇）、热管等传统冷却方法。但它们仍有一些缺点，例如散热器需要有光滑平整的表面以更好地散热，这会增加制造成本；强制空气冷却（风扇）需要系统中有更多空间；热管是一种中空金属管，其中含有热液体，有可能损坏系统。为了克服这些缺点，合成射流可以潜在地用于冷却应用。

本文研究了合成空气射流冲击的局部传热特性。冲击式合成空气喷射器可用于在各种应用中传递热量，从制造过程的冷却到电子设备的热管理，尤其是微处理器、图形卡等。而这些急剧的冷却要求促使了合成空气喷射的研究和发展。众所周知，喷射产生声音，反之亦然：声音可以产生喷射。这种现象称为声流。

名义上的平面湍流射流是通过一系列反向旋转涡对的相互作用合成的，这些涡对是通过密封腔中柔性膜片的时间周期运动在孔口边缘形成的（[1]Smith和Glezer）。合成射流是由嵌入系统的周围流体直接合成的流动。当流体通过包围腔体的隔膜运动交替吸入和排出小腔时，通常会形成合成射流。射流还包括空腔内或空腔周围的一个机构，用于周期性地改变空腔内的体积，从而产生一系列流体旋涡，并从孔口向外投射到外部环境中。体积变化机制可以是任何合适的机制。优选地，通过使用柔性隔膜作为空腔壁来实现容积变化机构。

合成射流的结构：

合成射流是一种利用周围流体产生射流的新技术。合成喷气机的工作原理很简单；柔性膜形成部分封闭的腔室的一侧。膜的对面是一个开口，如孔口。电磁执行器隔膜使隔膜振动，并周期性地迫使空气进出开口。当射流击中喷孔尖锐的内外边缘时，射流就会被注意到，并形成涡流。这导致在孔口前面形成一个非零平均流向脉动射流，该射流可以指向受热表面以增强冷却。

方法

实验装置的主要元件是合成射流发生器、靶板和红外热像仪。图4.2显示了实验装置的示意图。该装置的其他组成部分包括直流电源、毫伏表、放大器、直流稳压电源和信号发生器。实验台上安装了一部分实验装置，包括合成射流组件、靶板和红外热像仪。合成喷嘴组件使用杆作为固定装置固定在工作台上。而靶板安装在基台上方的二维工作台上，这反过来有助于调节孔板喷嘴和加热表面之间的轴向距离。目标板为厚度为0.05mm的薄不锈钢箔，通过直流电源供电加热。可以通过多圈电压设置旋钮改变功率。

三位半数字电压表和电流表可提供准确和精确的测量。靶板的热量通过铜棒提供，铜棒向表面提供恒定的热流。使用经校准的K型热电偶丝测量插入合成射流发生器腔内的射流温度。必须足够小心，以使气缸内只突出热电偶接头，且流量不应受到太大干扰。另一根K型热电偶丝连接到受热表面，以测量表面温度。将目标板红外热像仪的一面（背面）相对安装，以获得作用区的完美视图，另一面（正面）则是用于喷射冲击的合成射流组件。在本实验中，电磁驱动膜被用作合成射流合成的振荡膜片。

通过直流电源向目标板供电，以加热目标板。通过调节直流电源中的输入旋钮，可以控制提供给靶板的热流，然后使系统达到稳定状态。通过交流稳压电源向合成射流发生器供电。使用交流稳压电源上的旋钮设置扬声器的输入电压，并保持恒定。通过设置信号发生器上的旋钮获得所需的励磁频率。放大器连接到信号发生器，将输入信号放大到扬声器。通过2D表格，可以改变靶板和合成空气射流之间的轴向长度。通过红外热像仪拍摄目标板图像，测量目标板上的温度分布。

目标板组件安装在2D工作台上，以获得所需的Z/d比。靶板尺寸为（80mm*120mm*0.06mm）不锈钢箔。箔被紧紧夹在两条铜母线之间并拉伸。由于箔片很薄，穿过靶板的横向传导可以忽略不计。使用直流电源加热靶板。将校准后的K型热电偶丝焊接在靶板上的两个位置，通过实验测量其温度。目标板的背面使用一层薄薄的“哑光”面漆涂成黑色，提供高辐射（0.97）表面。热红外相机拍摄加热靶板背面的图像。在目标板的顶部边缘上，在相距50mm的已知距离处做两个标记。这些标记有助于在图像分析过程中确定图像距离与靶板上实际距离的比率，即图像分析。

对不同频率下合成射流冲击平板表面的局部传热分布进行了实验，实验中考虑的射流-板间距（Z/d）为1～12。以下是本工作的结论。

 在驻点处，局部传热系数达到峰值，并沿径向单调衰减。

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