新型多缝射流冲击冷却系统：热电协同的创新突破

研究人员针对热管理与能源转换问题，研究多缝射流冲击冷却及压电能量采集（PE-EH）系统，获关键成果，助力相关技术发展。

　　在当今科技飞速发展的时代，电子产品的性能不断提升，但其产生的热量也成为了一大难题。就像汽车发动机如果不能有效散热，就会出现故障一样，电子产品若无法进行良好的热管理，不仅性能会大打折扣，甚至可能损坏。与此同时，能源问题日益严峻，寻找高效的能源转换方式迫在眉睫。在这样的背景下，如何实现高效的热管理以及将废热等能量转化为可用能源，成为了科研人员亟待攻克的关键问题。

为了解决这些问题，来自土耳其马尼萨塞拉勒巴亚尔大学（Manisa Celal Bayar University）和菲拉特大学（F?rat University）等机构的研究人员开展了一项关于 “Energy harvesting and forced convective heat transfer features of multiple slot jet impingement cooling of partly elastic flat and curved surfaces having double piezo-energy harvesters” 的研究，相关成果发表在《Heliyon》上。

研究人员采用了有限元法（FEM）结合任意拉格朗日 - 欧拉（ALE）公式的技术方法，对包含平面和曲面的部分弹性表面进行多缝射流冲击冷却（J-IM）系统研究，并在弹性部分下方安装两个压电能量采集器（PE-EH）。通过数值模拟，考察不同射流雷诺数（Re，6000 - 30000）、射流入口到目标板距离（H_j，2w_j - 6w_j）和狭缝间距（s_j，3w_j - 7w_j）对系统的影响。

研究结果

1. 流型与热传递：研究发现，不同 Re 下，平面和曲面的 J-IM 冷却系统流型存在差异。随着 Re 增大，多个射流间会形成多个再循环区和小的二次涡，曲面底部壁面曲率会使中缝附近涡旋产生显著变化。平均努塞尔数（Nu）随 Re 增大呈近似线性增长，且曲面壁面的 Nu 更高。在最高 Re 时，曲面壁面冷却性能增强因子达 5.89，平面壁面为 4.3。在 Re = 6000 时，平面壁面的冷却性能比曲面壁面高 44%，而在 Re = 30000 时，仅高 5.4%。
2. 能量生成：平面配置下产生的功率比曲面配置高得多。这是因为曲面情况下，靠近平面 - 曲面交界处会发生流动分离，导致 PE-EH 感应应力减小。在最高 Re 时，PE-EH 产生的功率为 76mW，在 Re = 20000 时，平面和曲面配置的功率差异最大。在 Re = 30000 和 Re = 20000 时，功率增强因子分别为 102 和 211。
3. 几何参数影响：增大 H_j，会使平面和曲面配置中主涡伸长，二次涡变大，且对弹性部分的冲击影响减小。平面情况下，平均 Nu 随 H_j增大而减小，增加 H_j从最小值到最大值，平均 Nu 降低约 12%；曲面情况下，H_j较低时 Nu 较高，H_j = 4w_j后，平均 Nu 随 H_j增大而升高。增大 s_j，平面和曲面配置中狭缝间涡旋尺寸变化，二次涡变小。平面配置中，s_j增大到 4w_j时平均 Nu 降低，之后基本不变；曲面配置中，s_j = 5w_j时冷却性能最佳。平面和曲面配置中，s_j变化时冷却性能差异分别为 4.5% 和 26%，而产生的功率均随 s_j增大而增加，增幅分别为 15% 和 22%。
4. 相关性：研究人员还给出了平均 Nu 和产生功率与槽板（H_j）和槽间距（s_j）变化的多项式相关性。

研究结论与意义

该研究提出的新型多缝射流冲击冷却与 PE-EH 相结合的系统，为热管理和能源转换提供了新的思路。研究结果表明，该系统在不同条件下的冷却性能和能量生成特性具有显著差异，这些差异受 Re、H_j和 s_j等因素影响。通过揭示这些规律，研究人员为电子冷却、干燥、传热设备的发展以及自维持发电设备的优化提供了重要的理论依据。未来，该研究可进一步拓展到火用分析和不同热边界条件的研究，利用机器学习技术开发预测模型，有望推动热电协同技术的更广泛应用，为解决实际工程中的热管理和能源问题提供更有效的方案。