不同构型电晕放电离子风强化传热的数值模拟研究1.pdf

第 37 卷第 4 期 高 校 化 学 工 程 学 报 No.4 Vol.37 2023 年 8 月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Aug.2023 文章编号：1003-9015(2023)04-0544-08 不同构型电晕放电离子风强化传热的数值模拟研究1 刘沐林,卢忠富,张早校(西安交通大学 化学工程与技术学院,陕西 西安 710049)摘 要：为了探索不同构型下离子风的传热性能，针对 3 种不同结构的离子风装置进行数值模拟，分析电压、电极高度与散热片宽度对平均风速、换热系数以及功率的影响规律。计算结果表明，电压的增大可以提升离子风的强化传热效果，但是消耗的功率也会逐渐增大，其中线-板型功率增大的幅度最大；电极高度越小，离子风的强化传热效果越好；当散热片的宽度比较小，散热需求比较低时，由于直接接地型电极的功率较小，所以其更加适用。研究结果对不同情况下的离子风结构选型提供了参考。关键词：电晕放电；离子风；强化传热；数值模拟 中图分类号：TK124 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2023.04.004 Numerical simulation of heat transfer enhancement by corona discharge ionic wind with different configurations LIU Mulin,LU Zhongfu,ZHANG Zaoxiao(School of Chemical Engineering and Technology,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China)Abstract:In order to investigate the heat transfer performance of ionic wind under different configurations,numerical simulation of three ionic wind devices with different structures was performed,and effects of voltage,electrode height and fin width on average wind speed,heat transfer coefficient and power were explored.The results show that voltage increase can improve heat transfer enhancement of ionic wind,but power consumption increases with the wire-plate type the highest power consumption.Smaller electrode height resulted in better heat transfer enhancement.Moreover,the direct grounding type electrode is found more suitable for short heat sink width and low heat dissipation demand due to its low power consumption.The results provide an important reference for the selection of ionic wind structures under different conditions.Key words:corona discharge;ionic wind;enhanced heat transfer;numerical simulation 1 前 言 随着微电子技术不断迭代升级，电子器件向着集成化、微小型化发展。随着晶体管密度的逐渐提高，其热流密度也在不断上升，传统的散热手段无法完全满足要求，于是，人们开始关注通过电晕放电产生离子风强化传热的方法。电晕放电现象是在曲率半径很小的尖锐电极中施加一定的电压时，气体会被电离，从而产生放电的现象1。而当被电离的正负离子由于电场力的作用开始移动时，则会产生气体的流动，也就是所谓的“离子风现象”2-3。离子风的应用范围很广 4。首先，利用离子风的流体性质，可以进行强化传热5，其在电子设备与元器件中得到了广泛应用6-7，具有震动小、噪声低的特点；此外，离子风在航天推进8-9、回收微小颗粒10-12中也得到了应用。电晕放电过程是一种存在多个化学反应的过程，实验观测难度较大，而数值模拟研究可以更好地获得电场内部的详细情况与离子风的流场分布。众多学 收稿日期：2022-05-12；修订日期：2022-10-09。基金项目：国家自然科学基金(51876150)。作者简介：刘沐林(1998-)，男，辽宁沈阳人，西安交通大学硕士生。通信联系人：张早校，E-mail： 引用本文：刘沐林,卢忠富,张早校.不同构型电晕放电离子风强化传热的数值模拟研究 J.高校化学工程学报,2023,37(4):544-551.Citation：LIU Mulin,LU Zhongfu,ZHANG Zaoxiao.Numerical simulation of heat transfer enhancement by corona discharge ionic wind with different configurations J.Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities,2023,37(4):544-551.第 37 卷第 4 期 刘沐林等：不同构型电晕放电离子风强化传热的数值模拟研究 545 者对不同的电极结构，采用了不同的模拟模型与模拟方法进行数值模拟研究。Bouazza 等13采用半解析的方法对线板型离子风装置进行模拟，并分析了电压、导线半径对风速的影响。Monrolin 等14采用多尺度模型进行建模，并且将求解域分为内部域与离子漂移域两个域，分别计算。Chen 等15对筒电极结构的电晕放电以及离子风现象进行了模拟，发现在离尖端较近的电离区和离尖端较远的离子漂移区，流速和体积力方向相反，计算得到的平均电流、脉冲频率和流速与实验结果非常接近。Qu 等16设计了 T 型多导线离子风泵，并将实验与模拟 2 种手段相结合，分析了其对发光二极管(light-emitting diode，LED)芯片的散热效率，结果发现导线在 18 kV 的固定电压下放电，LED 外壳温度可以降到 74，低于最高额定温度 85。Guan 等17研究了针-环系统中的离子风现象，采用无因次参数来表示电场力与惯性力的比值，模拟得到阴极电流和出口速度分布与实验数据的误差在 5%以内，最大速度与电晕电压成正比。Wang 等18采用模拟的方法对离子风对单个以及多个热源强化散热进行分析，综合考虑对局部热点的冲击效应、电极之间的阻隔效应以及电极的入口效应 3 种散热效应。结果表明，对单电极而言，局部接地的效果更佳；而对多电极而言，强化电极对结构的散热效应更强。Ladan 等19采用微极性流体模型对离子风引起的自然对流换热进行了数值模拟，并与常用的 k-模型进行了对比，结果发现当流体处于过渡流时，微极性流体模型可以较好地模拟离子风的状态，但相关的材料参数的选取则高度依赖于外加的电压与流体的瑞利数。此外，Ma 等20对环型离子风装置进行了实验分析，强化传热效果可以提升 200%；Feng 等21比较了环型离子风装置与翅片型离子风装置的散热情况，建立了 Nu-Re 关系的经验公式；Wang等22分析了离子风的产生过程与强化传热的原理，总结了近年来离子风强化传热的进展，并且对其发展趋势进行了分析。虽然前人对离子风强化传热已开展较多研究，但大多数针对某一固定结构的离子风装置，在研究中大多也只改变了操作参数，对结构参数的分析不够系统全面。由于离子风的发生可以由不同的结构产生，大多数文献并未说明其设计依据，尤其是在数值模拟领域，针对不同结构离子风装置的对比研究仍然不足。为此，本研究针对不同构型的离子风发生装置，讨论不同结构参数与操作参数下离子风对热源的强制对流传热的性能，为优化离子风电极形状，选择传热效率更好、更经济的电极参数，对离子风在强化传热方面的应用提供理论依据。2 计算模型 2.1 数学模型 由于电晕放电过程中的化学反应众多，机理十分复杂，在确保模拟精确性的情况下，为了节约计算时间，对计算区域的参数做出如下假设：(1)只考虑空气中一种电荷的移动，忽略电化学反应；(2)空气视为不可压缩流体；(3)忽略黏性耗散引起的热效应；(4)忽略电晕放电过程中的焦耳热。根据上述假设，电势的泊松方程表达式为 2=-V (1)式中：为微分算子；V 为电势，V；为空间电荷密度，Cm3；为介电常数，Fm1。忽略由热扩散产生的电荷移动，电流的连续性方程可以表示为=0J (2)=+JEu (3)式中：J 为电流密度，Am2；为离子迁移率，m2V1s1；E 为电场强度，Vm1；u 为空气流速，ms1。空气的流动采用不可压缩流体质量守恒方程与纳维斯托克斯方程进行描述，并加入电晕放电产生的电场力，方程表达式为=0u (4)546 高 校 化 学 工 程 学 报 2023年8月 1 2 3 4 5 图 1 离子风装置的几何模型 Fig.1 Schematic diagram of the three ionic wind systems 1.wire electrode 2.heat source 3.cooling fin 4.plate electrode 5.grid electrode(a)direct grounding structure(c)wire-grid structure(b)wire-plate structure 图 2 离子风装置的简化二维模型 Fig.2 Simplified 2-D models of the three ionic wind systems 1.air inlet 2.air outlet 3.wire electrode 4.cooling fin 5.heat source 6.plate electrode 7.grid electrode(c)wire-grid structure(b)wire-plate structure 1 2 4 5(a)direct grounding structure 3 2 6 7 2airair()Q pEuuu (5)式中：p 为压差，Pa；air为空气的密度，kgm3；为空气的运动黏度，m2s1；Q 为电荷的带电量，C。传热的能量方程由下式表达：air()()pTTc u (6)式中：T 为温度，K；为空气的导热系数，Wm1K1；cp为空气的比定压热容，Jkg1K1。2.2 几何模型与边界条件 本研究建立的离子风模型包含 3 种不同的几何构型，如图 1 所示。3 个模型的下部均为 1 个长方体热源，热源上方放置一定宽度的铜散热片用来辅助散热，而模型最上方则为电晕放电的发射极。不同的是，图 1(a)中的散热片直接接地，充当电晕放电的收集电极；图 1(b)添加了 2 个互相平行的板电极充当收集电极；图 1(c)则采用 4 根互相平行的电晕线充当收集电极。为了保证散热面积相同，图 1(b)与(c)的散热片也得以保留。由于本次模拟涉及电场、湍流流场以及温度场的耦合计算，求解需要相当大的计算资源，且本次模拟模型存在高度对称性，为了便于求解且不失准确性，将图 1 的三维模型在对称面上进行纵切，从而简化为图 2 的二维模型，同时设定外部的较大空间作为计算域。模型的几何尺