基于电液动力学的冷却微泵的模拟的研究.pdfVIP

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：083062 基于电液动力学的冷却微泵的模拟研究 于翮 张强 俞坚 马重芳 北京工业大学环境与能源学院 强化传热与过程节能教育部重点试验室， 北京， 100023 （Tel：0108210， E-mail: yuh@emails.bjut.edu.cn） 摘要：本文通过建立三维电液动力微泵模型，并运用了 Intelisuite 软件对电液动力微泵进行数值 模拟研究，结合电液动力泵的工作原理和实验结果，分析电极形式及布置对微泵性能的影响，为电 液动力微泵的优化设计作了探索。 关键词：电液动力泵；电子冷却；数值模拟； 1 引言 电液动力学是指在电场作用下，电介质液体处于电场中时，流体本身会受到电场 力的作用，这个现象被称为电液动力效应 (Electrohydrodynamic—EHD) [1]。电液动 力学是研究电介质流体和电场之间相互作用的一门多学科交叉的科学领域，它主要考 虑了电场对流体介质的作用；同时，也可以被看作是运动介质中的电动力学。在这一 过程中，流体运动会对电场产生影响，而同时，电场也会对运动流体产生作用，这种 相互作用促使流体产生多种运动形式：泵送，扰动和混合。同时两者相互作用会出现 很多有趣的电流体现象，因此在电子冷却技术，强化传热，电雾化，电干燥等多个领 域得到了广泛的运用。 在众多新一代电子冷却技术的方案中，基于电液动力效应的的微型电液动力泵被 认为是一种非常有效的办法。同其他方法（如有阀微泵，冲击冷却，压电风扇等）相 比，电液动力泵具有无运动部件，运行可靠，低耗，容易制作和无需维护等优点；并 且可以直接同芯片或流道集成，无需独立空间；采用直流驱动，不产生附加磁场，不 会干扰电子元件工作。微型电液动力泵不仅被认是解决微电子行业中高热流器件的冷 [2] 却问题的一个突破 。 电液动力泵的研究由来已久，人们很早就已经知道电介质流体可以被电场驱动， 从早期的Stuezter[3-4]和Pickard[5-6]所开创的大尺度电液动力泵研究，到90 年代后， 随着MEMS 技术而兴起的微尺度电液动力微泵研究。众多学者从电极几何结构、形状、 电极之间的间距、工作介质等方面，对电液动力泵的制作和性能，以及同芯片集成冷 [7-10] 却系统方面进行了大量的理论和实验研究 。 但是关于电液动力微泵的数值模拟研究非常少，就其原因，一方面是因为电液动 力学现象很复杂，其机理涉及力学，电学，化学，物理等学科，物理现象十分复杂， 多个原理性问题至今还没有弄清楚，在此基础上建立的物理模型还有待完善。另一方 面，由于电液动力学本身就是一个多学科耦合的问题，需要重新考虑电场力在各传统 研究领域中的作用，如电场对传热对流，表面张力，电荷的产生等等，并需要在建模 和计算方面予以考虑。 基金项目：国家自然科学基金资助项目 2 电液动力泵理论及基本概念 2.1 电液动力泵基本理论 电液动力泵是一个极其复杂的电场和流场相互作用的现象，早期的电液动力泵模 型的假设过于简单，不能很好的解释这一复杂的现象。本文中这个模型是结合北京工 业大学课题研究组的实验构建的一个物理模型。 图1 电液动力泵的工作机理 如图1所示，电液动力泵由一排梳妆电极构成，其中被施加电压的为发射极，而 接地的电极为集电极，在发射极和集电极之间的电场作用下，电荷通过场发射和场电 离的作用被从发射极处注入到流体中，并使流体中的中性分子带电或极化，并在库仑 力的作用下运动，由于带电离子和流体分子之间摩擦力的作用，使得流体被拖曳着向 集电极运动，形成了流体的运动。 2.2 电液动力学基本方程组 电液动力学基本方程组，有电磁学和流体力学方程两部分组成。对于电荷低速运 动（即特征速度远小于光速），对于不可压缩，黏性的电介质流体，可先设立下列假设 条件：  针对层流，稳定的不可压缩流体  在通道的进出口的入口效应不计