基于振荡隔膜的紧凑型合成喷射执行器上的孔口设计，用于提升热管理性能

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Orifice on oscillating diaphragm based compact synthetic jet actuator for enhanced thermal management

　　尼莱什·萨马尔（Nilesh Samal）| 瓦尔丹·米塔尔（Vardhan Mittal）| 文努戈帕尔·阿鲁穆鲁（Venugopal Arumuru）
应用流体小组，印度理工学院布巴内斯瓦尔分校机械科学学院，752050，印度

**摘要**
在微型化和空间受限系统中实现有效的热管理仍然是一个关键挑战，因为必须在不增加体积、重量或寄生功耗的情况下散发越来越多的热流。因此，紧凑且高效的主动冷却解决方案对于满足下一代电子和机电设备的热需求至关重要。合成喷射（Synthetic Jets）因其能够在不增加净质量的情况下产生强烈的涡旋结构而被广泛用作主动热管理装置。合成喷射要求目标加热表面位于喷射出口的最佳距离处，以实现最大的系统热散发。研究结果表明，为了以最小的功耗实现最大的热传递，整个系统的体积成为一个基本限制。为了解决这一限制，本研究提出并展示了一种新型的合成喷射执行器设计，该设计在振动膜本身上设置了一个孔口，并对其流动物理特性和热性能进行了实验研究。热源可以集成在喷射腔内，从而减小整个系统的体积，从而满足冷却技术小型化的日益增长的需求。此外，由于优越的热性能，这些执行器可以在更短的执行器与加热表面距离下以冲击模式工作。制造了多个具有不同腔高度和不同直径圆形孔口的合成喷射执行器。使用单丝热线风速计（Hot-Wire Anemometry, HWA）和粒子图像测速法（Particle Image Velocimetry, PIV）对执行器的流动特性进行了表征。通过比较电效率来量化执行器的性能。具有最高效执行器的腔体长宽比（H/D）为0.16且无量纲孔口直径（d/D）为0.1的执行器，其电效率达到了39.3%，比在相同几何参数下运行于其共振条件的传统合成喷射执行器高出60%。PIV实验表明，与传统固定孔口执行器相比，所提出的振动孔口执行器在大下游距离处形成了更强的涡旋结构且涡旋结构具有更高的相干性。冲击式喷射的传热性能显示，所提出设计的面积平均努塞尔数（Nusselt number）在中等场强下比传统设计高出47.63%。最后，还研究了将热源直接集成到喷射腔内的所提出设计的传热性能。

**引言**
现代电子元件（如微处理器、GPU和存储芯片）在运行过程中会产生大量热量。多年来，随着电子元件性能的提升，其产生的热量也随之增加。现代高性能计算系统中的微处理器产生的热流可超过100W/cm2 [1]。这种热量可能导致热应力、元件寿命缩短甚至系统故障。因此，寻找有效的散热方法已成为一个重要的研究领域。尽管传统的散热方法（如散热器和风扇）已被证明是可行的，但电子元件复杂性和小型化的提高使得冷却技术需要进一步微型化。除了微型化之外，无噪音运行、降低功耗和有效散热也成为现代冷却技术的重要要求。这推动了对电子冷却替代散热方法的研究。

冷却技术大致可分为两类：主动冷却技术和被动冷却技术。前者需要外部能量输入才能工作，而后者则不需要。被动冷却技术通过增加有效的传热表面积或使自然对流从层流状态提前转变为湍流状态来冷却发热源 [2] [3]。与相变材料（Phase Change Materials, PCM）[11]、热管 [12] 和散热器 [14] 等被动冷却技术相比，旋转风扇 [4] [5] [6]、微型泵 [7]、合成喷射 [7]、微通道散热器 [8]、微机电系统 (MEMS) [9] [10] 等主动冷却技术在从复杂发热源散热方面更为有效。传统的基于旋转风扇的冷却方法 [15] 是最常用的主动冷却技术，广泛应用于芯片冷却中。虽然传统的强制空气冷却方法能够实现较高的体积冷却效率，但由于其在打破热边界层方面的有效性较差，因此在实现高度局部化的传热系数方面受到限制，因此不适合冷却局部热点 [16]。此外，这些系统的微型化也限制了它们在紧凑环境中的应用。

在需要大量散热的应用中，液体冷却系统已成为常用的主动冷却技术 [17]。它们通过使冷却剂在直接接触加热表面的通道中循环来增强传热效果。由于其高热导率和热容量，它们比空气冷却系统提供更高的散热能力 [18]。然而，系统复杂性的增加、更高的功耗以及微型化的限制对其应用构成了主要障碍，特别是在紧凑型、敏感的电子应用中。因此，在涉及紧凑型电子设备的应用中，通常更倾向于使用空气冷却系统。随着电子设备的微型化和功率密度的增加，紧凑型空气冷却设备对于电子系统热管理至关重要。此外，由于重量轻、设计紧凑，空气冷却系统在空间和重量至关重要的关键环境中（如航空电子设备 [19]）也备受青睐。这些设备通常集成了液压系统电机和冷却模块散热片等组件，从而在减少功耗的同时提高冷却效率 [20]。尽管紧凑型空气冷却设备具有许多优势，但在优化其性能方面仍存在挑战。在这些系统中，冷却效率、能耗和设备占用面积之间的平衡是一个关键的考虑因素。所有这些限制促使研究人员探索能够在紧凑、低功耗形式下提供高传热系数的替代主动冷却技术。

近年来，合成喷射（Synthetic Jets, SJs）由于其紧凑的设计和能够在低功耗下实现高局部传热系数的能力而成为一种流行的主动冷却技术 [21]。与连续喷射不同，连续喷射是从外部加压流体储罐中排出工作流体，而合成喷射则是通过一个或多个执行器壁（如电磁执行器 [22]、压电膜 [23] 和活塞执行器 [24]）的振荡运动来吸入和排出周围流体并通过孔口排出。此外，还有一些合成喷射在没有使用任何运动部件的情况下也能实现流动，例如等离子体执行器 [25] [26] 的情况。压电膜是使用空气作为工作流体的合成喷射中最常见的执行方法之一。合成喷射的特点是具有零净质量流量但非零动量通量 [27]。合成喷射的形成涉及喷射流体和吸入流体之间的相互作用。在喷射过程中，流体通过孔口排出，在孔口边缘形成涡环。在这些系统中，涡环以相反的旋转方向成对形成，并围绕喷射中心线对称分布。这些涡环由于其自诱导的速度而向下游移动，形成喷射流。在随后的吸力阶段，周围流体被吸入腔内。尽管在合成喷射的所有工作条件下净质量流量始终为零，但只有在满足喷射形成条件时才会出现非零动量通量 [28]。这种机制使合成喷射设备能够产生时间平均的喷射动量，当涡旋撞击加热表面时，可以增强对流热传递。

贝赫拉（Behera）等人的研究表明 [29]，正弦波脉冲式合成喷射（sinusoidal impinging SJ）比稳定喷射具有更高的传热效果。这是因为从合成喷射孔口产生的非稳定涡旋结构增强了混合和动量传递特性。此外，新鲜冷空气的掺入也增强了传热效果。合成喷射在喷射过程中产生的高速强涡旋已被广泛用于芯片冷却技术中，因为它们能够有效穿透热边界层，从而增强局部传热 [30]。尽管合成喷射作为冲击式喷射已被证明是电子元件的有效冷却方案 [31] [32]，尤其是在紧凑性和小型化方面，实验研究表明，在中间孔口到加热板间距范围内，冲击式合成喷射具有最大的局部对流传热效果 [30] [33] [34] [35]。结果表明，随着孔口到加热板间距从中场区域增加到远场区域，传热速率会增加；而在从中场区域减小到远场区域时，传热速率会降低。这是因为在中场区域，涡旋尚未充分发展，熱空气被困在执行器孔口和加热板之间的小间隙内，导致热量积累增加和传热减少。在中场区域，主涡旋完全发展并获得足够的动量，从而显著提高传热效果。超过这个范围后，主涡旋可能会分裂成较小的次级涡旋，从而削弱动量，导致传热效果下降 [36]。因此，为了实现冲击式合成喷射的最大冷却性能，系统大小成为一个不可避免的权衡因素，因为合成喷射必须放置在距离加热表面的最佳位置。

研究人员对冲击式合成喷射进行了多种设计改进，以增强其从发热系统的散热性能。作为对单孔口腔体合成喷射配置的改进，多孔口合成喷射执行器的研究显示，在相同的功耗下，其传热性能显著优于单孔口系统。乔杜哈里（Chaudhari）等人 [37] 研究了中心孔口周围卫星孔口数量对多孔口合成喷射传热特性的影响。研究发现，具有1个、2个或4个卫星孔口的配置在平均传热系数上显示出两个明显的局部峰值。具有2个卫星孔口的配置在近场区域的平均传热系数第一个局部峰值比具有4个卫星孔口的配置高出29.05%。曼加特（Mangate）等人 [38] 研究了在不同无量纲孔口到加热板间距（z/d）下，不同卫星孔口配置和单孔口配置的局部对流传热系数的变化，并比较了它们的性能。他们得出结论，菱形和椭圆形卫星孔口的性能略优于圆形孔口，从而比单孔口系统实现了75%更高的散热效果。潘达（Panda）等人 [39] 提出了一种新型独立控制同轴合成喷射（IC-CSJ），可以通过独立调节内外喷射的执行器的激励电压（V）、工作频率（f）和相位差（?）来控制其扩散和强度。根据他们的发现，当前设计的体积流量和中心线喷射出口速度均高于单执行器合成喷射，表明在远场区域具有更高的体积流量和持续的喷射强度。通过独立控制这些参数，可以在冷却局部热点和覆盖更广泛区域方面显著提高传热性能。帕萨（Pasa）等人 [36] [40] [41] 广泛研究了由多个独立控制的合成喷射执行器组成的合成喷射阵列（Synthetic Jet Array, SJA）。SJA相比单腔体合成喷射的优势在于多个腔体和/或孔口系统可以独立操作，从而实现喷射聚焦和定向，有助于实现局部高传热系数和更大的横向冷却范围。拉凯什（Rakesh）等人 [42] 提出了一种结合PCM（相变材料）的紧凑型散热器与合成喷射的混合热管理系统。他们的研究表明，带有单个孔口的PCM集成散热器设计相比相同配置在没有PCM的情况下可实现6.1%的基温降低。类似地，具有三个孔口的混合系统的最大热传递系数达到了139.6W/m2K，COP为0.54，这比传统的基于热沉（SJ）的散热器要高。Gil等人[43]提出了一种由扬声器驱动的合成喷射执行器，该执行器在一个带有多个孔口的圆柱形空腔内集成了径向散热器。加热器嵌入在圆形基座中，直接与扩展表面接触。该设备通过传导将热量散发到扩展表面，然后通过合成喷流的周期性吸力和排出作用进行强制对流冷却。整个系统体积较大，占用了相当大的空间。此外，该设计依赖于交叉流辅助的热传递方式，其效果不如直接涡流冲击热传递[44]。尽管已经探索了多种设计改进方法，但由于紧凑系统体积的限制、高功耗以及由于涡流扩散和涡流结构分解为次级结构导致的高场效率低下，热沉（SJ）在紧凑系统中的应用仍然受到限制。表1展示了一个比较表格，突出了关于电子冷却紧凑技术的研究，包括它们的最佳冲击距离及其相应的性能。详细的文献回顾表明，合成喷流和热源传统上被作为独立组件布置，这限制了合成喷流在小型冷却系统中的应用。现有文献主要集中在合成喷流的排放阶段的动力学上，强调利用这一阶段产生的涡环和湍流喷流进行电子冷却。然而，对于利用腔体内的合成喷流湍流动力学的研究较少。此外，将热沉腔体作为整体的一部分进行集成的研究也很少。因此，在本研究中，我们首次提出并展示了一种新型合成喷射执行器设计，以进一步提高其紧凑性。这种新型的SJ执行器模型包括一个集成在驱动膜上的孔口，而腔体的另一面则是热源的组成部分。图1展示了新提出的振荡孔口合成喷流（OOSJ）设计与传统静止孔口合成喷流（SOSJ）设计在紧凑性方面的比较。示意图表明，与加热表面和SJ装置是独立实体的传统设计相比，新提出的设计通过将热源集成到喷流腔体内，减少了冷却设备的总体积。当作为集成热源布置时，它允许环境空气在吸力阶段冲击加热表面，并在排放阶段将加热空气从腔体排出到环境中，从而实现双向冷却。此外，这种新设计也可以用于传统的冲击布置。因此，本研究的目标如下：
- 优化腔体的体积和孔口大小，以获得所提出的OOSJ设计的最大效率。
- 使用粒子图像测速（PIV）进行详细的流体动力学分析。
- 通过冲击热传递实验来证明所提出设计中的热传递增强效果。
- 进行集成热源热传递实验，以证明其在紧凑热管理应用中的适用性。

**实验**
传统的合成喷射执行器设计包括一个驱动压电膜，该膜与腔体相连，并且在腔体的刚性面上有一个孔口，如图2(a)所示。在所提出的设计中，孔口直接集成在压电膜上，因此孔口会随膜一起振动，如图2(b)所示。

**数据简化**
合成喷流的流体流动可以用无量纲数来描述，例如雷诺数（Re）和斯特劳哈尔数（St）。这些无量纲数可以数学表达为：
Re = Uavg/d
St = f * d/Uavg
其中Uavg是特征平均速度，d是特征长度（孔口直径），v是工作流体的运动粘度，f是执行器的驱动频率。
Uavg定义为瞬时中心线喷出速度Ut。

**结论**
本研究提出并实验验证了一种新型SJ执行器设计，该设计将孔口集成在膜上，同时将热源作为喷流腔体的组成部分，从而实现了一种紧凑的热管理装置。优化后的OOSJ执行器的腔体长宽比为H/D=0.16，无量纲孔口直径d/D=0.1。所提出的OOSJ设计的电效率比SOSJ执行器高60%。

**专利信息**
关于用于热管理应用的基于膜上移动孔口的合成喷射执行器：
V. Arumru, N. Samal, V. Mittal，《用于流动控制和热管理应用的基于膜上移动孔口的合成喷射执行器系统》，印度专利号202531083883 A。（已提前发布）。

**作者贡献声明**
Nilesh Samal：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
Vardhan Mittal：撰写——审阅与编辑、验证、软件、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。
Venugopal Arumuru：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源管理、项目行政、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理。

**利益冲突声明**
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：
Venugopal Arumuru报告称获得了印度科学与技术部的财政支持。Venugopal Arumuru拥有一项待授权的印度专利#202531083883。
如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能构成利益冲突。

**致谢**
作者感谢印度科学与研究委员会（SERB）提供的财政支持（订单编号CRG/2022/003494），以及印度科学与技术部FIST项目（编号SR/FST/ET-II/2017/100）的支持。作者还感谢Nitish Kumar先生和Atharv Bhiku Anandrao先生在热丝风速计和PIV实验中的帮助，以及Sidhartha Sankar Samantaray先生的持续指导、富有意义的讨论和协助。