摘要
为提高临近空间飞行器电子设备系统散热能力，解决集成化、微型化电子设备芯片高热流密度的问题，针对合成双射流激励器、微米颗粒两相流及二者的结合开展换热性能的研究。对合成双射流激励器增强换热能力机理进行分析，并对合成双射流激励器与铜-水微米流体管内流动过程进行建模，运用单欧拉模型模拟分析五种颗粒体积分数对流体强化换热能力的影响，还对铜-水、氧化铜-水、氧化铝-水微米流体进行了数值模拟。结果显示：合成双射流激励器能增强流体换热能力，换热能力随微米颗粒体积分数的增加而提高；不同金属颗粒种类的两相流换热能力不同，随金属颗粒导热性能变化。当微米颗粒流体为颗粒体积分数为8%的铜颗粒时，开启合成双射流激励器后芯片温度由328.225 K降低至303.816 K。
Abstract
In order to improve the heat dissipation capacity of the electronic equipment system of the near space vehicle and solve the problem of high heat flux of integrated and miniaturized electronic devices, the heat transfer performance of the dual synthetic jets actuator, micron particle two-phase flow and their combination was studied. The mechanism of enhancing heat transfer capacity with dual synthetic jet actuator was studied and analyzed. The flow process of the dual synthetic jets actuator and Cu-water micron particle fluid in the tube was modeled, and the influence of five particle concentrations on the enhanced heat transfer capacity of the fluid was simulated by the single Euler model. Meanwhile, Cu-water, CuO-water and Al2O3-water micron particle fluids were simulated. The results show that the heat transfer capacity of fluid can be enhanced by the dual synthetic jets. The heat transfer capacity in-creases with the increase of micron particle concentration. The two-phase flow heat transfer capacity of different metal particles varies with the thermal conductivity of metal particles. When the micron particle fluid is a copper particle with a particle concentration of 8%, the chip temperature is reduced from 328.225 K to 303.816 K after the synthetic double-jet actuator is turned on.
随着各国对临近空间飞行器技术的研究，各类电子设备逐渐被广泛应用于飞行器。然而，一方面，临近空间环境特殊，空间外热流直接影响飞行器电子设备的工作性能，另一方面，随着电子设备朝向微型化、集成化的方向发展，电子芯片热流密度也越来越高。因此，急需一种高效的散热方式满足电子元器件的散热需求。目前研究最广泛的微通道冷却技术是一种高效的散热技术。在其基础上结合微米颗粒流体，一方面能提高微通道内的强化换热能力，另一方面，其相较于纳米颗粒流体更环保。合成射流（synthetic jets，SJ）是一种基于旋涡运动的零质量射流[1]。其利用合成射流激励器产生能量、动量、尺度和频率可控的涡旋，作用于环境气流，使环境气流流动结构得以被控制[2]。罗振兵等[3-4]发展了合成双射流（dual synthetic jets，DSJ）及其流动控制技术，并且该技术具有环境适应性强、不需要提供额外质量流[5-6]等特点，因此被广泛应用于热管理领域。综上，可通过将微通道、微米颗粒流体和合成双射流激励器三者结合进行强化换热研究。
20 世纪90年代，美国Argonne 国家实验室的Choi等[7]首次提出了崭新的概念——纳米流体，即将1~100 nm的金属或者非金属颗粒悬浮在基液中形成的稳定悬浮液[8]。此后，研究人员展开了运用纳米流体进行强化换热的理论分析与实验研究。Hashimoto等[9]发现相较于基液，加入二氧化硅的纳米流体能显著增大换热能力，在相同流速下比乙二醇水溶液的传热效率高10%。Go等[10]证明了纳米颗粒形成的层保持在热充分发展的区域，并且诱导了纳米流体传热能力的增强。王翠华等[11]研究发现随着纳米流体浓度的增加，流体的传热系数增大，换热效果增强；相同浓度下随着雷诺数的增加，也有相似的变化趋势。随着研究机理的揭示，研究人员聚焦于将颗粒两相流体与其他主被动控制方式结合研究。王凯等[12]采用铜-水纳米流体射流强化其内部流体换热，发现纳米流体体积分数越大，扰动效果越强；与纯水射流相比，加入纳米流体射流后夹套换热壁面平均传热系数显著提高。孙斌等[13]研究发现对于添加了纳米流体的冲击射流冷却系统，换热效率得到显著提高。陆威等[14]使用波节换热管结合纳米两相流，换热能力提升1.4~2.2倍。
纳米流体因其颗粒直径较小而被广泛关注，Hashimoto等[15]研究发现，随着颗粒数密度的增加，颗粒直径减小，较小的颗粒比较大的颗粒对强化传热的贡献更大。颗粒粒径偏小时，容易发生团聚效应。Turkyilmazoglu[16]研究发现，速度场会受到纳米颗粒体积分数φ的影响。综上，纳米颗粒体积分数的增加，在带来更好换热性能的同时，也会带来更严重的团聚效应，因此，微米流体的加入能否平衡这类问题成为研究方向之一。
第1期于新莹，等：合成双射流结合不同金属-水的微米流体的强化换热研究合成射流作为一种主动射流控制方式深受国内外学者关注，其在热方面的应用也备受国内外学者关注。Gil等[17]观察到合成射流冷却自由对流和强制对流的分界线，并观察到驻点传热系数在共振频率处的局部最大值。Talapati等[18]获得了最大局部努塞特数与雷诺数的关联式，并发现局部努塞特数在激励频率达到200 Hz时增加，超过200 Hz后减小，并在射流到平板距离为射流孔径2倍时达到最大值。Kumari等[19]通过模拟找出使传热速率最大的湍流壁面射流最佳振幅和频率，发现对于每个频率，平均努塞特数与振幅呈现二次关系。振幅和频率的进一步增加增大了回流区，从而降低了传热速率。吕晨等[20]研究了合成双射流激励器对电脑显卡的散热特性；郑穆等[21]对合成双射流与小型复合结构翅片进行组合散热以研究其参数影响；董昭锋等[22]基于合成双射流对三氧化二铝纳米流体进行数值研究，分析其强化机理。
综上，将合成双射流技术和微通道技术结合传统液冷散热技术能够取得更为优越的传热性能。在其基础上增加微米颗粒流技术，既可以通过微米颗粒流加强流体的对流换热和导热能力，又不显著增加通道的压降，还可以通过合成双射流与来流相互作用，减少微米颗粒的沉积，增强流体掺混，提高流体的对流换热能力。最终达到提高整个换热装置的综合性能，从而节能减排的目的。因此，本文在合成双射流微通道液冷散热技术的基础上增加不同金属-水的微米流体，并改变微米流体的颗粒种类、颗粒体积分数以通过数值模拟的方法研究其散热特性。
1 模型介绍及验证
1.1 合成双射流激励器模型建立与验证
为降低复杂程度，初步对合成双射流降温效果进行研究，本文忽略展向换热影响，对具有对称结构的物理模型进行二维简化，进行流场换热机理研究。建立二维合成双射流激励器、直径为2 mm 的微通道和芯片相结合的计算域模型。其中，激励器腔体尺寸为43 mm×6 mm，设置4 mm×2 mm的双射流出口，间距为4.25 mm。芯片布置于微通道之上的中间位置，忽略芯片厚度影响，根据侧视图将其简化为一条长度为10 mm 的线段。进而生成结构网格并在模型需要加密的地方进行调整，设置第一层网格厚度为0.01 mm。最后生成总数为121 020的网格。模型尺寸如图1所示，生成的网格如图2所示。
应用仿真软件进行数值模拟计算。流体视为连续介质、不可压缩、无内热源流体，环境为二维对流传热，湍流模型选用剪切应力输运（shear stress transport，SST） k-ω模型，开启能量方程。为简化计算，激励器腔体内压电振子处边界条件等效设置为左右两个速度入口。速度呈正弦周期性波动，相位差为180°。合成双射流激励器为30 Hz。通过用户自定义函数设置速度入口分别为：
图1合成双射流激励器与微米两相流结合模型
Fig.1Model of DSJ and micron two-phases flow
图2合成双射流激励器与微米两相流结合网格
Fig.2Grid of DSJ and micron two-phase flow
(1)
其中：v1，v2均为入口速度；Am为激励器等效振幅；f为激励器频率。
微通道流体域入口设置为速度入口，速度为0.02 m·s-1，流体域出口设置为压力出口，其余均设置为壁面，壁面材料为铜。内部设置为流体域，流体为含不同体积分数/粒径的微米颗粒流体，固体材料为铜。初始温度为300 K，芯片散热量为100 000 W·m-2。设置流体域与管壁固体域系统自动耦合。激励器计算200个周期。设置完毕后进行计算。
对于不同体积分数/粒径大小的微米颗粒流体，在单欧拉模型的基础上，将颗粒与溶液视为一个整体，针对其物性参数进行计算。其密度、比热和黏度的公式参考文献[11]计算。
颗粒流体密度：
(2)
颗粒流体比热：
(3)
颗粒流体黏度：
(4)
其中， m、f、p分别代表流体、溶液、微米颗粒，ρ为密度，φ为微米颗粒体积分数，μ为黏度，Cs为流体/固体比热。
颗粒流体导热系数参考文献[23]计算。
(5)
式中：β为随颗粒运动的液体体积的分数，取0.01；k为玻耳兹曼常数，取1.380 7×10-23 J/K。函数f（T，φ）[17]计算公式为：
(6)
式中：T为流体温度；T0为参考温度，取273 K。
计算其密度、比热容、导热系数与黏度等参数后，在数值仿真软件中创建新流体并在流体域中进行相应选择设置，而后进行计算。
初步选用铜颗粒[24]作为微米颗粒，并将其与水配备为微米流体。铜颗粒密度为8 940 kg·m-3，比热为386 J·kg-1·K-1，颗粒导热系数为398 W·m-1·K-1。
不同颗粒种类、体积分数微米流体热物理参数如表1、表2所示。
1.2 网格无关性验证
为保证数据准确性，消除网格对于数据的影响，在网格生成之后，对网格无关性进行了验证。选取网格密度为稀疏、适中、较密三种情况对微米两相流状态下的芯片温度进行稳态模拟。网格无关性验证结果如表3所示。
表2不同体积分数铜颗粒微米流体热物理参数
Tab.2Micro particle fluid physical parameters of copper particles with different concentrations
表3网格无关性验证结果
Tab.3Grid independence verification results
由表3可得，随着网格数量的增加，芯片温度基本无变化。为保证计算精度，选择较密网格进行后续模拟。
1.3 模型验证
为保证模拟可靠性，将算例中的数学模型验证与贾芳芳等[28]的实验进行对比。选取水和氧化铝纳米流体进行模拟。比较不同雷诺数下圆管的内壁温度，对比结果如图3所示，最大误差为20.49%。最大误差出现在雷诺数为2 300时的氧化铝工况。其余误差均在20%以下。这是因为模拟时模型设计为二维模型，且实验设计、纳米流体的配置均存在误差。整体温度降低趋势与实验吻合较好，验证了本方法的可行性。
图3模型验证对比
Fig.3Comparison of model validation
2 结果与讨论
2.1 合成双射流对强化换热能力的影响
针对合成双射流激励器的散热效果进行了对比研究，分别设置了不同工况下激励器开、闭两种情况，并对其各自芯片温度变化进行监测，结果如图4所示。
图4不同工况下激励器状态温度云图
Fig.4Temperature contour of driver state under different working conditions
取流体为纯水，由图4可知，激励器开启时温度模型上壁面温度存在显著降低。由流线可明显观测激励器造成的流场扰动。在条件相同的前提下，关闭合成双射流激励器的芯片温度为331.62 K，而同种情况下开启合成双射流激励器的芯片温度降为304.83 K，即合成双射流使26.79 K芯片温度降低了，使原管道换热能力提升8.08%。
表4为不同工况下激励器开闭情况下的芯片温度，激励器开启整体温度均低于激励器关闭，表明激励器具有增强换热能力，降低芯片温度的效果。图5为开启合成双射流激励器时一周期内流场速度分布云图与流线图。在0T~0.25T时，左侧腔体向流体管道内部吹出流体，右侧腔体向流体管道内部吸入流体，且速度逐渐增大，直至0.25T时刻达到最大值，出入口均有明显涡对形成；在0.25T~0.5T时，速度方向保持不变，速度大小逐渐减小，激励器左右两侧腔体吹吸状态不变，吹吸强度变小，直至0.5T时刻速度绝对值达到最小；在0.5T~0.75T时，右侧腔体向流体管道内部吹出流体，左侧腔体向流体管道内部吸入流体，速度逐渐反向增大，在0.75T时刻达到反向最大；在0.75T~1T时，速度逐渐减小，至1T时达到最小，此周期吹吸过程结束，下一周期开始。
表4不同工况下激励器芯片温度
Tab.4Temperature of driver chip under different working conditions
图5一周期内流场速度分布云图与流线图
Fig.5Flow field velocity distribution cloud map and flow diagram within one cycle
合成双射流激励器由单膜双腔构成，激励器内膜片的振动导致腔体内压强改变，腔体内气体被同时挤压和吸入。其对流体的反复吹吸导致原本管内自左向右的流体扰动增大，由流线图可知，微通道中出现的涡结构增加了流体与颗粒的运动速度，但延长了其脱离散热区域的时间，增加了管内流体与管壁的对流换热能力，进而导致芯片温度降低。综上，合成双射流激励器通过增加流体内部扰动进而提高了管内流体的换热能力。
2.2 颗粒两相流体积分数对强化换热能力的影响
微米颗粒体积分数，是微米颗粒流体的重要参数之一。因此在合成双射流激励器开启的基础上，保持其他参数不变，在水中加入不同数量的微米颗粒，并对芯片温度进行监测分析，结果如图6所示。
对于无合成双射流工作的情况，在纯水、微米颗粒体积分数为2%、4%、6%、8%五种工况下芯片温度分别为331.624 K、329.838 K、328.795 K、328.285 K、328.225 K。图7为微米颗粒体积分数与芯片温度图。由图7可知，随着微米颗粒体积分数的增大，芯片温度呈下降趋势，即在算例情况下，流体换热能力随微米颗粒体积分数的增大而增大。相较于纯水情况，添加微米颗粒使其换热能力分别增加0.539%、0.853%、1.007%、1.025%。
图6不同体积分数微米颗粒流体芯片温度云图
Fig.6Temperature cloud image of fluid chip with different micron particle concentrations
对于有合成双射流激励器工作的情况，由图7可得，当流体为纯水、合成双射流激励器吹吸90个周期时，芯片温度为304.833 K，在微米颗粒体积分数分别为2%、4%、6%、8%时，激励器工作90个周期时，芯片温度分别为304.35 K、304.06 K、303.898 K、303.816 K，换热能力分别增加0.158%、0.254%、0.307%、0.334%。由此可见，随着微米颗粒体积分数的增加，芯片温度呈下降趋势，即流体换热能力逐渐增大。且合成双射流激励器的增加提升了原管道与流体之间的对流换热能力。
图7微米颗粒体积分数与芯片温度图
Fig.7Micron particle concentration and chip temperature diagram
流体中增加金属微米颗粒时，一方面金属换热能力大于流体，双介质的存在增加了流体换热能力，另一方面，双介质的布朗运动导致金属离子运动，多介质运动增加原流体之间的扰动。微米颗粒体积分数增加代表同量溶液中微米颗粒数量的增加。微米颗粒数量的增加使得微米颗粒的无规则运动加剧，进而增加微米颗粒与壁面、流体之间的换热能力，最终导致管道流体对芯片的散热效果增强。综上，合成双射流与微米颗粒两相流相结合能提高流体换热能力，且在算例条件下，微米颗粒体积分数与换热能力呈正相关趋势。
2.3 颗粒两相流颗粒种类对强化换热能力的影响
在前一模拟的基础上，控制微米流体颗粒体积分数不变，改变微米颗粒种类，使其分别为氧化铜、氧化铝，并分别对含有不同金属颗粒种类的微米颗粒流体热导率进行计算，对芯片温度进行监测分析，结果如图8所示。图9为不同颗粒种类微米颗粒流体芯片温度云图。
对于无合成双射流工作的情况，微米颗粒种类分别为铜、氧化铜、氧化铝，所测得芯片温度分别为328.225 K、328.805 K、328.884 K。由图8可知，不同颗粒种类对流体换热能力的增强效果不同。相较于纯水，分别使温度降低3.399 K、2.819 K、2.740 K。铜颗粒导热系数最高，相应制备为微米颗粒两相流时换热能力最强。氧化铜与氧化铝为氧化物并非纯金属颗粒，导热能力相对较差。
图8不同颗粒种类微米颗粒流体芯片温度
Fig.8Microfluidic particle fluid chip temperature with different particle types
图9不同颗粒种类微米颗粒流体芯片温度云图
Fig.9Temperature cloud image of micrometer particle fluid chip with different particle species
对于有合成双射流激励器工作的情况，由图9可得，当颗粒体积分数为8%、合成双射流激励器吹吸90个周期时，铜颗粒芯片温度为303.816 K，降温效果最好。当微米颗粒种类分别为氧化铜和氧化铝时，激励器工作90个周期时，芯片温度分别为304.086 K、304.329 K，起到降温作用。相较于激励器关闭时的纯水情况，微米颗粒种类为铜、氧化铜、氧化铝时的换热能力分别提高1.036%、0.857%、0.833%；相较于激励器开启时的纯水情况，三者换热能力分别提高0.335%、0.246%、0.166%。
由此可见，微米颗粒的存在能提高原流体的换热能力，不同颗粒种类的微米流体换热能力与颗粒的导热能力成正比，金属颗粒相较于金属氧化物颗粒换热能力较好，但金属氧化物使用寿命相较于金属颗粒长。且上述结果再次印证合成双射流激励器的开启提升了原管道与流体之间的对流换热能力。
3 结论
本文开展了合成双射流激励器与微米颗粒两相流结合的换热性能研究。运用单欧拉模型对其工作情况进行稳态和瞬态模拟，分析芯片温度变化情况和流场内部速度变化情况，并运用控制变量的方法深入研究微米流体参数与微米颗粒种类对换热能力的影响情况。主要研究结论如下：
合成双射流激励器结合微米两相流颗粒的换热性能随微米颗粒流体颗粒体积分数的增加而提高。微米颗粒两相流种类为铜、体积分数为8%时换热性能最好，开启合成双射流激励器，芯片温度由328.225 K降低至303.816 K，换热能力提高7.437%；相较于纯水，芯片温度降低1.017 K，换热能力提升0.335%。
微米两相流颗粒换热性能随微米颗粒种类的不同而不同。与金属颗粒导热性能呈正相关。选取铜颗粒、氧化铜颗粒、氧化铝颗粒体积分数为8%进行计算，均有一定降温能力。其中铜颗粒换热能力最强。在本文中，温度降低程度为24.409 K，将芯片温度由328.225 K降低至303.816 K，接近静态非工作条件下芯片温度。根据阿伦尼乌兹公式计算，芯片温度每升高10℃，其运行寿命减半[28]。从温度降幅来看，本研究具有一定的工程应用前景。
合成双射流与微米颗粒两相流相结合情况下，合成双射流因增强了流体扰动与分子之间的运动而导致对流换热能力大幅度提升；颗粒参数的变化也具有一定降温效果，但降幅有限。
致谢
本次工作离不开国防科技大学空天科学学院主动流动控制和热管理教研室老师的指导，特此致谢！
