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离子风对边界层传热的控制
摘要
本实验利用离子风对局部对流换热技术进行了研究。用实验测试和数值模拟的方法研究了在离子风的作用下，金属丝和金属板电极之间的特性。在风洞中进行了粒子图像测速(PIV)试验，观察了离子风在加热表面的流动行为。无论雷诺数如何，离子风吹过的加热表面都会形成新的边界层。低雷诺数(100-200)时离子风平均传热系数增加11%，高雷诺数(2500-3500)时下降19%。研究还发现，与单线相比，锯齿形线（Z型）的布置使传热系数提高了40%。因此，离子风可以根据其工作条件来提高对流换热率或对局部的表面进行隔热。
关键词：离子风；粒子图像测试（PIV）；线排布；传热系数
1简介
随着微电子水平的提高，电子设备变得越来越一体化。因此，发展电子产品的热控技术成为传热传质领域的主要问题。由于大多数的热问题都来自电子设备的局部热源，现在人们对局部传热控制技术的需求越来越大。最近,离子风力发电机被认为是解决热问题的另一种选择,相比于传统的冷却风扇，它有很多优势，如没有移动部件使得不会引起振动和噪声，布置简单，更小化，降低操作成本和能源消耗。本文根据离子风力发电机的工作电压、电极间距、雷诺数等参数，给出了详细的实验数据。利用离子风技术，通过对局部表面边界层的控制来评价局部传热系数。
近年来，因离子风优异的局部传热优势，受到了众多科研人员的关注。Kalman、Sher[1]和Jewell-Larsen等人[2]关注于离子风机，并且其他研究人员[3-5]广泛研究了离子风对层流和湍流内部流动的强迫对流。此外，一些研究人员已经将离子风应用于热交换器[6,7]。近年来，利用离子风控制边界层引起了航空航天领域的极大兴趣[8-10]。只有少数研究报道了离子风对电子学[11]局部传热的控制。Go等人[12]阐述了离子风控制边界层的理论，并利用离子风增强外部强迫对流。本课题组还研究了离子风用于热传递[13]，并对离子风作为散热器用于冷却发光二极管(LED)进行了试验[14]。
我们提出了一种利用边界层减薄和离子风的分离效应来提高或降低局部表面换热系数的新方法。利用离子风，在有大量气流存在的风洞中，将金属丝连接到平板电极和加热表面，进行了边界层控制试验。通过粒子图像测速(PIV)试验研究了边界层的速度分布和边界层的行为。通过实验得到了离子风作用下局部热点的传热系数，在离子风作用下，该局部热点为层流或紊流状态。提出了离子风在体流中应用电压和雷诺数的最佳运行条件。此外，还观察了多根导线离子风引起的涡流，分析了其对传热的影响。提出了锯齿形线的布置方式，并通过流动显示研究了局部表面传热系数增加的流动特性。
2理论背景
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Nomenclature |
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surface area |
Applied thermal energy |
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hydraulic diameter |
fluid velocity |
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surface temperature |
heat transfer coefficient |
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ambient temperature |
p |
density of air |
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characteristic length |
viscosity of air |
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运动离子与空气分子之间的动量传递所产生的流动称为离子风。当曲面电极和钝面电极之间形成高电场时，在曲面电极处产生电晕放电。在本研究中，导线和极板分别用作放电和接地电极。此外，当空气分子被电晕放电电离时，会产生空间电荷。产生的空间电荷，如电子、正离子和负离子，由它们的极性来运输。最重的正离子被引导到局部热点，在那里需要控制传热系数。正离子也通过推动热点周围的空气分子在表面附近产生流动来控制边界层。离子风的物理相关控制方程在我们之前的研究中已经得到了很好的描述[13,14]。
流体的雷诺数由方程计算得到。(1)、(2)分别为外部流动和内部流动。
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（1） |
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（2） |
其中为表面特征长度，为流体速度，为空气粘度，为水力直径。本研究利用离子风的温度分布实验数据，由式(3)(牛顿冷却定律)计算出离子风的传热系数，分析离子风的性能。
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（3） |
其中为应用热能，为传热系数，为表面温度，为空气温度。
3实验装置
在不同电压和不同电极间距下进行了离子风特性测试。首先，对不同雷诺数下的电晕电流进行了测量和分析。离子风测量试验电晕电流示意图如图1所示。采用直径为0.02 mm的钨丝和铝带分别作为放电电极和接地电极。离子风的速度是由风速计测量使用热线(KIMO SFC 900)。电晕电流是用一个连在接地电极上的万用表测量的。一个放大器(20/20C)是用来提供一个积极的高压高达30kV。我们在之前的研究中也给出了关于实验设置过程的详细信息[15,16]。
图1 离子风实验原理图 图2 离子风PIV实验原理图
图2和图3分别显示了PIV测试的示意图和尺寸为的聚碳酸酯制风洞的照片。将电线和导电胶带安装在风洞的视线部分，并将板式加热器插入中央区域的底部主体中。将硅橡胶加热器插入铜块中，其温度范围在0和150℃由直流电源（E3633A）控制。将K型热电偶连接到加热器，以测量温度变化和离子风的对流系数。涡轮风扇用于诱导大流量通过压力室进入风洞。使用功率为6 W的二极管激光器（MGL N-532A）通过用于可视化平面的圆柱透镜形成激光片。使用高速相机（Phantom MIRO C110）捕获具有框架的粒子运动相对于雷诺数在100到2000 fps之间的速率。PIV的颗粒来源是橄榄油，由颗粒播种发生器喷洒了10 um直径的颗粒。环境条件由固定温度（25℃）和相对湿度（25％）控制。
图3 PIV装置图
4结果与讨论
4.1离子风特性
图4 离子风的速度根据不同电极距离的电压而定
图4为热丝测速仪测量的离子风在不同电极距离下的速度。试验是在4 - 10kV电压下进行的。在电晕电流和电晕速度分别为0.05 mA和0.01 m/s的条件下，测定离子风的起始电压。离子风的起爆电压随电极间距的增大而线性增大，这是由于电极间距的缩小使导线上的电场强度增大所致。起爆电压4.2 ~ 5kV，导线半径0.02 mm。火花放电发生在6kV时，电极距离为5mm。用火花放电的发生来确定离子风的工作条件。然而，这一现象的物理学原理还没有得到充分的解释。因此，在工作条件下，应避免该电压范围，因为来自激波的离子传输不规律，火花放电噪声的功耗增大，降低了离子风性能[15,16]。
当电极距离为5mm时，可获得最高速度。然而，在相对较低的电压下，不规则的火花放电限制了应用电压为6kV。当电极距离为10mm和15mm，外加电压小于10kV时，无火花放电。当电极距离为15mm时，离子风的速度较10mm时明显减小了60%，这是因为随着电极间距的增大，电场密度减小，库仑力减小。因此，10mm的电极间距对传热试验工况表现出最佳的性能。
利用与地电极相连的万用表测量离子风产生时的电晕电流。在适当的操作条件下，离子风的产生需要小于40uA的电流。离子风的能量消耗在0.05 ~ 0.36 W之间。当电火花放电发生在导线上时，电晕电流突然增大，放电电压约为6kV，电极间距为5mm。电火花放电引起的冲击波使离子风的功率消耗降低，性能下降。综上所述，我们确定了电极间距为10mm的最佳换热间隔，工作电压范围控制在6 - 9kV间。实验中离子风的雷诺数在100 ~ 4500之间。一般情况下，外流的临界雷诺数约为105，因此这种情况下的离子风为层流。这种情况下的特征长度是导线与被加热局部表面的距离，是控制传热系数的目标位置。这意味着离子风从金属丝开始形成层流，并在加热的局部表面附近保持层流状态。
4.2离子风对局部传热的影响
图5为离子风对局部表面边界层控制的机理。当离子风在体流存在的情况下作用时，离子风的上、下两股流形成了两个不同的流区。在离子风的上游，当离子风向与本体流相反的方向吹时，形成了再循环区。由于体流无法通过再循环区，边界层与壁面分离。在离子风的下游，离子风产生的壁面射流填满分离的边界层，形成新的边界层。施加的电压可以控制壁面射流和改造后的边界层。由于库仑力为平板电极附近的流体提供了动量，因此可以保持甚至加速壁面附近的局部速度，使边界层变薄。在相同雷诺数下，有离子风时的局部传热系数高于无离子风时的局部传热系数。综上所述，局部对流换热可以分别由离子风边界层的分离特性和上下游的减薄效应来控制。此外，离子风可以控制局部热点的对流换热速率，而不需要控制整体流动的条件。
图5 离子风边界层控制机理
离子风的PIV结果如图6所示，可以清晰的看出层流条件下离子风的流动规律。如图6所示，由于电动力提供的动量，在靠近壁面处可以得到均匀速度剖面。接地电极位于导线电极的上游和下游。在体流存在的情况下，离子风在两个方向都产生了。观察到再循环流动，这是由于电极丝上游的边界层分离和电极丝下游的壁面射流造成的边界层加速造成的，如图5所示。由于边界减薄效应，近壁面流速(距壁面1mm)为其下游位置最大流速的95%。反向流在离子风的上游产生，由于受到本体流的影响而产生反流。这样就形成了一个涡流，阻止了大流量通过再循环区。图6为回流区上方引起边界层分离的升力体流。此外，在离子风的下游，离子风形成了新的边界层。因此，离子风的作用电压可以控制被加热表面的局部传热系数.
图6 离子风作用下体流的速度矢量和边界层
图7为离子风和体流存在时，根据雷诺数计算的被加热表面传热系数的增强比()。图7中的风和离子风分别是由离子风的雷诺数和无离子风的传热系数计算得到。正如所料，离子风的雷诺数与传热系数成线性关系。随着外加电压的增加，离子风的雷诺数线性增加，均匀地控制了被加热表面的传热系数。而离子风的雷诺数与传热系数之比随着外加电压的增大而减小。此外，由于焦耳加热和电晕噪声引起的离子风能量损失，离子风的能量效率与外加电压成反比。由于金属丝的焦耳加热，金属丝的温度随外加电压的增加而略有升高，离子风使局部加热表面的温度下降。
图7 离子风的雷诺数对被加热表面传热系数的增强率
图8为根据体流雷诺数计算的被加热表面换热系数。体流由风机形成，雷诺数由风机的RPM控制。离子风作用于体流，雷诺数由外加电压控制。墙附近的粘性边界层降低了传热系数低雷诺数条件下地区,而传热系数突然增加的小影响粘性边界层附近墙上的改变通过增加湍流雷诺数流动。然而，当离子风作用于风机产生的体流时，没有观察到层流向紊流的过渡，根据雷诺数保持了均匀的层流状态。由于离子风是通过控制导线的位置和施加的电压来施加于外部流动的条件下，因此可以在局部加热的表面维持层流状态。
图8 根据体流雷诺数确定被加热表面的传热系数
平均传热系数增加了11%的离子风应用于整体流在低雷诺数的条件地区(100-2500)因为边界稀疏效应的发生提供了动力由于电力附近的墙,墙附近的局部雷诺数增加,对流传热率。在高雷诺数区域(2500-3500)，离子风均匀控制被加热表面的传热系数，不受体积流的影响。高雷诺数区域的传热系数随离子风比无离子风时平均下降19%。离子风延迟了层流向紊流的过渡，使其在层流状态下得以维持。由于附面层分离的影响，体流不能通过加热区，与离子风的对流换热速率受外加电压的控制。从图8可以看出，离子风既可以提高局部换热速率(低雷诺数区域)，又可以通过空气屏蔽对区域进行隔热以降低传热系数(高雷诺数区域)。
4.3多线结构的作用
为了提高局部表面的传热系数，研究了多线板式结构。电场强度与电极间距离的平方成反比。图9为单线和双线情况下，离子风根据体流雷诺数的传热系数。导线与极板之间的距离为10mm，导线之间的距离为15mm，施加电压为8kV。在层流区，离子风对单线和双线的传热系数分别提高了22%和36%。在单线的情况下,传热系数降低了由于距离的线,因为旅行范围离子风,而离子风的双导线的使用可以覆盖更大的区域加热表面比单线。
虽然可以合理地预测使用更多电极的传热增强，但存在最佳的导线布置来改善传热。在多根导线的情况下，每个电极产生一个涡流；然而，由于势垒效应，它会对传热产生反向干扰。附近的涡流会使气流向上偏转，阻止气流流向被加热的表面。表1给出了离
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