顏瑞和臺灣大學：機械工程學研究所林祺峰Lin, Chi-FengChi-FengLin2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282007http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61489發光二極體具備著低驅動電壓、不含汞、高色再現性等優點，將來取代冷陰極燈管已是必然的趨勢了，但為了要能達到高照度及提昇產品壽命等需求，二極體便產生高熱密度的問題，在空間與噪音的限制前提下，具備構造簡單、控制容易等特點的合成噴流便為極具發展潛力的主動式散熱元件。本文將致力於複動式合成噴流腔體的改良，由於複動式合成噴流腔體中冷熱流體的交換是利用主腔體與側邊腔體相反的相位差，將外界冷流體由側邊腔體導引入主腔體內。經分析後發現，將原本設計的主腔體與側邊腔體間的檔體完全截平後，有助於外界的冷流體導引入主腔體內，以維持每一次推出主腔體外的流體保持在一定低溫，在研究過程中也發現側邊腔體孔口處所產生的渦漩可以抵擋住主腔體在推出行程時，部分的流體經由側邊腔體流道流出腔體外，渦漩形成的時間將扮演兩腔體替換率高低的關鍵性角色。Light emitted diode has already been an inevitable trend to replace the cold cathode light, because of characteristics such as the low voltage of urging, no mercury, and high color reproduction. In order to reach the demand for the high intensity of illumination, we should resolve the problem of density of high fever emerging in the diode which will influence the performance of LCD system. Because LCD has limited spaces and needs low noise, “synthetic jet” is an extremely potential active heat dissipation component possessing the characteristics such as simple structure and easy control. This article proposes to design a chamber which can promote exchange rate between the central chamber and ambient. Annular chamber can induce cold fluid to central chamber because of the opposite phase between two chamber. We find that the block between central chamber and annular chamber we cut off is helpful to induce cold fluid from ambient to central chamber. That will keep the jet at low temperature during ejection every time. We also find that the vortex near the orifice of annular chamber plays an important role. The vortex can stop the fluid induce by annular chamber at pumping stroke.目 錄 目 錄 IV 表 目 錄 VII 圖 目 錄 VIII 符 號 說 明 XII 第一章 緒論 1 1.1 研究背景 1 1.2 可行性分析 6 1.2.1 LED液晶電視背光面板之發熱量估算 6 1.2.2 合成噴流與傳統風扇的散熱效率之比較 9 1.2.3 複動式與一般傳統合成噴流的效能評估 11 1.3 文獻回顧 13 1.3.1 合成噴流(Synthetic jet)的發展歷程 14 1.3.2 合成噴流的數值模擬 19 1.3.3 合成噴流的應用層面 22 1.4 研究目的與內容 26 第二章 理論模式與數值方法 28 2.1 合成噴流工作原理 28 2.2 數值模擬軟體簡介 30 2.3 數值求解流程 31 2.4 時間與空間離散模式 33 2.5 壓力–速度耦合方程式 35 2.6 紊流模式 36 2.7 壁面函數 (WALL FUNCTION) 39 2.8 鬆弛因子(UNDER RELAXATION FACTOR) 40 第三章 複動式合成噴流數值模擬驗證 42 3.1 物理幾何模型及問題簡化 42 3.2 軟體驗證：二維實例驗證 45 3.3 基本假設與邊界條件說明 46 3.4 擬週期狀態測試 49 3.5 格點系統 53 3.6 三維結果驗證 54 第四章 結果分析與討論 57 4.1 影響合成噴流熱傳效果之因素 57 4.2 降低檔體高度 58 4.3 簡化腔體外型 73 4.4 不同面積比對替換率的影響 76 4.5 頻率與振幅在不同面積比之下，替換率的差異 81 4.6 結論 84 第五章 結論與未來方向 85 5.1 結論 85 5.2 未來工作 86 參考文獻 88 表 目 錄 【表2-1】各方程式解算所採用之鬆弛因子…………………………..41 【表4-1】各腔體示意圖與相關說明整理…………………………….64 【表4-2】擋體高度對冷流體佔吸入流體比例的影響………………..65 【表4-3】主腔體推出行程時所推的體積流量………………………..67 【表4-4】各腔體在不同項目之比較…………………………………..73 【表4-5】流經側邊腔體孔口流量值…………………………………..75 圖 目 錄 【圖1-1】各種不同光源波長之LED的外部量子效率圖 8 【圖1-2】LED背光模組發熱量隨著LCD-TV尺寸增大的關係圖 12 【圖1-3】合成噴流作工原理示意圖 13 【圖1-4】合成噴流流場主結構圖 14 【圖1-5】波長不同的聲波通過寬度相同的狹縫 17 【圖1-6】複動式合成噴流剖面圖 19 【圖2-1】James, James, Jacobs & Glezer (1996)等人所設計的微小尺寸合成噴流之實體示意圖 28 【圖2-2】形成二次渦漩(second vortex ring)進而產生合成噴流的過程 29 【圖2-3】合成噴流作工原理示意圖 30 【圖2-4】分離求解法(Segregate Solution Method)的演算過程示意圖 32 【圖2-5】一維QUICK離散模式之示意圖 33 【圖2-6】LES求解過程中以能量頻譜來區分大小漩渦的拆解概念 38 【圖3-1】三維複動式合成噴流整體外觀圖 43 【圖3-2】複動式合成噴流半切圖 43 【圖3-3】複動式合成噴流計算區域外觀圖 44 【圖3-4】複動式合成噴流計算網格剖面圖 48 【圖3-5】每個週期blowing peak時在r=0的對稱軸x上某幾點之軸向速度隨時間的變化關係圖 50 【圖3-6】在r/Dc = 0之中線上取一點位於x/Dc = 2，其軸向速度與時間的變化關係圖 50 【圖3-7】在r/Dc = 0之中線上取一點位於x/Dc = 3，其軸向速度與時間的變化關係圖 51 【圖3-8】在r/Dc = 0之中線上取一點位於x/Dc = 5，其軸向速度與時間的變化關係圖 51 【圖3-9】在r/Dc = 0之中線上取一點位於x/Dc = 7，其軸向速度與時間的變化關係圖 52 【圖3-10】在r/Dc = 0之中線上取一點位於x/Dc = 9，其軸向速度與時間的變化關係圖 52 【圖3-11】同為16萬個格點採用動態網格及採用速度進口邊界分別在中心軸線(r=0)上平均軸向速度的分佈結果與實驗結果的比較關係 53 【圖3-12】頻率2HZ 在x/Dc= 1模擬與實驗軸向速度比較圖 54 【圖3-13】頻率6HZ 在x/Dc= 1模擬與實驗軸向速度比較圖 55 【圖3-14】頻率12HZ 在x/Dc= 1模擬與實驗軸向速度比較圖 55 【圖4-1】利用噴流進行衝擊冷卻之示意圖 58 【圖4-2】主腔體吸入行程時，側邊腔體補充主腔體過程 59 【圖4-3】原型腔體示意圖(design by Trávníček) 60 【圖4-4】降低檔體Rc腔體示意圖 61 【圖4-5】切平檔體腔體示意圖 62 【圖4-6】切入檔體腔體示意圖 63 【圖4-7】切平檔體腔體出口截面說明圖 66 【圖4-8】原型腔體在t*=0.29時，vortex contour(D=1.5mm, fre=2HZ) 68 【圖4-9】降低檔體Rc腔體在t*=0.29時，vortex contour(D=1.5mm, fre=2HZ) 69 【圖4-10】切平檔體腔體在t*=0.29時，vortex contour(D=1.5mm, fre=2HZ) 69 【圖4-11】切入檔體Rc腔體在t*=0.29時，vortex contour(D=1.5mm, fre=2HZ) 70 【圖4-12】vortex在降低檔體Rc外型出口處形成過程 71 【圖4-13】vortex在切入檔體外型出口處形成過程 72 【圖4-14】簡化後的切平檔體外型 75 【圖4-15】一個週期下，腔體內流體進出情形 80 【圖4-16】不同面積比下，所求得的替換率 80 【圖4-17】固定頻率改變振幅，在三個不同a下所求得的替換率 81 【圖4-18】在相同時間點下，不同振幅在環狀腔體孔口處流線圖 82 【圖4-19】固定振幅改變頻率，在三個不同a下所求得的替換率 83 【圖4-20】相同時間點下，不同頻率在環狀腔體孔口處流線圖 831732311 bytesapplication/pdfen-US合成噴流複動式合成噴流數值模擬衝擊冷卻背光模組發光二極體synthetic jetdouble actingsimulationLEDbacklight moduleimpinging coolingmoving boundarythesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61489/1/ntu-96-R93522119-1.pdf