近年來，由於電子產品的需求趨向於輕、薄、短、小，且功能強大，
加上製程技術的進步，各種小尺寸高功率的電子元件不斷地被生產出來。
然而新產品的單位面積發熱量往往是舊產品的數倍。為有效的降低元件溫 度，使其溫度維持在操作範圍之內，避免因溫度過高導致元件失效，因此 如何有效增加高溫壁面的熱傳效益，降低壁面以及元件的工作溫度，一直 是工業界以及學術界致力研究的主題。
冷卻高溫壁面的模式主要有空氣自然對流(Natural air convection)、空 氣強制對流(Forced air convection)、空氣強制對流加水冷式熱交換器 (Forced air convection plus water-cooled heat exchanger)、以及包括蒸發冷凝 的液體冷卻(Liquid-cooled)與熱管(Heat pipe)等方法[1]。上述各種模式的特 性比較如表 1-1[1]所示。除了上述方法之外，近年來也有許多新的散熱觀 念不斷被提出，Iida 等[2]在液體中加入鋁金屬微粒，當液體發生沸騰現象 時，鋁金屬微粒也被液化，可將熱傳效率提高十倍。Fusegi [3]數值分析有 肋狀突起管道中之振動對向流，當提高振動對黏性的相對強度時，可顯著 的提高熱傳效率。Sitter 等[4]實驗探討高強度音場對重力場與微重力場下 池沸騰的影響，發現音場有助於提高熱傳效率。
儘管如此，空氣強制對流具有結構簡單、冷卻劑（空氣）取得容易、
成本低等特性，因而被廣泛應用在電子設備的散熱。然而，近年來隨著半 導體製程技術的進步與高速運算的要求，不同功能的電路經由整合後直接 製作在同一晶片上。晶片內的電子元件數目逐漸增加，電子構裝確有著輕 薄短小的構裝趨勢，造成熱量集中造成現今電子元件的發熱量已經達到每 平方公分數十瓦的等級，相較於圖 1-1 [5]之各種冷卻高溫壁面方法對壁面 熱傳量與溫度差示意圖，此等級的熱傳量已經達到空氣強制對流的極限。
因此如何提升空氣強制對流的熱傳效能成為研究的主要課題之一。
Bergles [6][7]詳細地討論與整理各種增加熱傳效率的方法，並且將常見
表 1-1 主要冷卻方法比較表 [1]
圖 1-1 各種熱傳模式與冷卻流體之熱傳量與可達成溫度差關係圖 [5]
的增加熱傳效率方法略分為兩大類：一為不須另外作功的被動（passive）
方法，比如在壁面加一層塗料、將壁面作表面粗糙處理、增加熱傳表面積、
加裝混合流體或使流體產生旋轉流動的機構、與在流體中加入添加物等；
另一類為須外加能量的主動式(active)方法，包括有以機構增加流體的擾 動、使壁面振動或振動流場、增加電磁場、噴入流體、移除覆蓋熱傳面的 冷凝水膜、或加裝噴嘴直接對高溫壁面噴出流體等。此外，Bergles 與 Webb [8]進一步將過去有關提高熱傳效率的文獻，依據上述分類整理製表(如表 1-2)。
比較上述各種增加熱傳量的方法，利用被動式方法是由於受到流場在 熱傳面上形成的速度與溫度邊界層妨礙熱量傳出的影響，因此熱傳效率的 增加受到限制。根據熱傳導的傅利葉定律，在溫度梯度小的情況下，熱傳 量也較小。因此，溫度邊界層的存在將限制壁面所能傳出之熱傳量。為了 大幅提高高溫壁面的熱傳效率，必須移除熱傳面上的邊界層，使高溫壁面 直接與低溫流體接觸，進而提高壁面與流體間的溫度梯度，達成增加壁面 熱傳量的目的。因此，Fu et al.[9]採用在加熱壁面上裝置移動薄塊的方式，
藉由薄塊在加熱壁面上快速的往復運動有效掃除壁面的邊界層，有效的增 加管道內的熱傳效果，結果顯示最大的熱傳可以增加 98%；但是，利用薄 塊掃除溫度邊界層以增加熱傳效果的方法，由於受限於往復機構必須在溫 度邊界層內才能達到要求的熱傳效益，因此無法有效地應用在具有凹槽、
凸塊以及複雜幾何外型的的管道壁面。
在管道內裝置加熱凸塊是常見用來分析電子元件在基板上熱傳性質 的模式，也因如此，直至今日仍有許多研究針對裝置加熱凸塊的管道進行 探討。Mikic et al. [10][11] 利用數值模擬的方法模擬槽道流的熱傳效率，
結果顯示當流場雷諾數接近臨界雷諾數時，流體的振盪擾動會導致流場共 振的現象，並且增強熱傳的效率。Myrum et al. [12][13] 研究管道內加裝渦 流產生器的位置對於肋條表面熱傳效率的影響，結果顯示當渦流產生器位 於肋條上方時會產生最大的熱傳效率，效率提升約為 30%。Garimella and
表 1-2 各種熱傳增益技術文獻數目統計表 [8]
Eibeck [14] 測試不同渦流產生器的尺寸對於大量不連續加熱元件熱傳效 率的影響。最大的熱傳效率可以達到 40%。Iyer et al. [15] 研究具有凹槽之 管道流的不穩定性以及熱傳特性。結果顯示，當流體雷諾數超過臨界雷諾 數時，熱傳效率會大幅的增加。Chen and Wang [16] 採用實驗以及數值的 方法研究強制對流對於管道內前後排列的加熱凸塊的熱傳效率影響，結果 分別比較層流以及紊流對於加熱面上 Sherwood number 的影響，並且討論 凸塊與凸塊間間距對熱傳效率的影響。Wu and Perng [17]以數值方式研究 利用加裝斜板於管道內的加熱凸塊上以增加熱傳效率，結果顯示當斜板傾 斜角度為π 時，有最大的熱傳效率，效率提升約 39.5%。Herman and King 3 [18] 利用彎曲的葉片增加凹槽管道流的熱傳效率，結果顯示流場的振盪現 象有助於增加熱傳效率。
Fu and Tong[19]以數值分析及實驗量測研究管道中加裝振盪圓柱對高 溫壁面的影響，結果顯示在強制對流的水平管道中加裝振盪圓柱，可以有 效的擾亂流場，提高高溫壁面的熱傳效率，同時當圓柱振盪頻率接近流場 的自然剝離頻率產生共振現象時，會大幅提昇管道內壁面的熱傳效率。但 是，平板上無加裝發熱凸起物，所以無法模擬電子元件裝置於電路板上之 散熱情形，作出最佳化安排電子元件於電路板上之參考。
本實驗主要在探討強制對流管道中加裝高溫凸塊及振動圓柱時，流體 流過振動圓柱對管道內凸塊壁面溫度的影響及流場中流動的變化；實驗為 在水平管道內裝置一個振動圓柱，藉由圓柱振動導致流體震動的現象以及 渦流剝離並不斷的將渦流向後方推動的機制，造成流場紊亂，破 壞 管 道 和 凸 塊 間 的 迴 流 區 域 及 溫 度 邊 界 層，以提升凸塊表面熱傳效率。以往 凸塊的實驗多是用銅塊來代替，底部用加熱片來加熱，利用銅塊具有高熱 傳導係數的特性，可將凸塊表面視為等溫狀態，如此方法無法求得凸塊 前、頂及後壁面的分別平均熱傳效率，為了改進此項缺失，本實驗則是利 用三塊特製的加熱片來組成凸塊的前、頂及後方的加熱面，可分別加熱控 制溫度，由巴沙木算出熱損失，求得凸塊三個加熱面的熱傳效率。
為了確認實驗裝置的正確性，當圓柱靜止時實驗先與數值模擬比對，
驗證其一致性。再以實驗的方式來探討圓柱振動時，凸塊熱傳效率的增 益。結果顯示發現當流體達到自然頻率時，熱傳效率的增益是最大的，與 Fu and Tong.[20]的數值分析結果相同。希望所得之數據結果可以有定性的 分析，將來可以應用於電子裝備冷卻問題分析，高性能熱交換器之設計工 作或是燃氣渦輪葉片冷卻等實際應用工程上。