傳熱學(xué)-微尺度流動(dòng)與換熱.ppt

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1、微尺度流動(dòng)與換熱1微尺度流動(dòng)與換熱的一般概念圖1多尺度的客觀世界大千世界的物體尺度變化跨三十余個(gè)數(shù)量級(jí)，近10余年來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一是微型化。愛因斯坦曾經(jīng)預(yù)言:“未來科學(xué)的發(fā)展無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進(jìn)軍”；1959，美國物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德·弗曼在美國西海岸會(huì)議上宣讀了一篇經(jīng)典論文“Thereisplentyofroomatbottom”,首次提出納米技術(shù)的預(yù)言。1962年，第一個(gè)硅微型壓力傳感器問世，其后開發(fā)出尺寸為50－500mm的齒輪、齒輪泵、氣動(dòng)渦輪及聯(lián)結(jié)件等微機(jī)械（里程碑）。1989年，

2、在美國鹽湖城會(huì)議上，首次提出MEMS概念：Micro-Electro-MechanicalSystems，這是指特征尺度在1mm－1之間集電子、機(jī)械于一身的器件。在這樣的器件中有氣體或者液體作為工作介質(zhì)，其內(nèi)部的流動(dòng)與換熱就是一般的微尺度流動(dòng)與換熱。2熱流現(xiàn)象的尺度范圍20圖2熱流科學(xué)研究對(duì)象的時(shí)間尺度21圖3熱流科學(xué)研究對(duì)象的空間尺度3微尺度流動(dòng)與換熱舉例（1）微噴管內(nèi)的流動(dòng)圖4微噴管系統(tǒng)示例微噴管圖5微噴嘴加熱系統(tǒng)5微噴管：縫寬19微米，深308微米圖6微噴管6微噴管用于自由分子微電阻加熱推力器中，可為微型航天器姿態(tài)控制

3、提供動(dòng)力。其工作原理是采用薄膜電阻做加熱器，通過推進(jìn)劑分子（水蒸氣或氬氣）與加熱器壁面的碰撞，將能量傳遞給推進(jìn)劑，再經(jīng)過噴管噴出，產(chǎn)生推力。推力器尺寸很?。ㄍǖ缹挾?～100μm）。它要求加熱元件與出口縫隙之間的空間等于氣體的平均自由程，從而減少分子之間的碰撞，保證噴出氣體的分子動(dòng)能等于加熱器的溫度（系統(tǒng)內(nèi)最高溫度），提高總效率，從而獲得最高的比沖（單位質(zhì)量推進(jìn)劑所產(chǎn)生的沖量稱為比沖量）。（2）燃料電池流場板內(nèi)的流動(dòng)燃料電池流場板內(nèi)的流動(dòng)燃料電池等溫地將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成為電能，不需要經(jīng)過熱機(jī)過程，效率不受卡諾循環(huán)地限制，轉(zhuǎn)化效率

4、可達(dá)40－60％；環(huán)境友好，幾乎不排放氮氧化合物與硫化物，二氧化碳地排放過量也必火電廠減少40％以上被認(rèn)為是21世紀(jì)很有希望的高效、潔凈能源。圖7PEMFC的電化學(xué)反應(yīng)示意圖8（3）換熱器：尺度已經(jīng)跨越3個(gè)數(shù)量級(jí)22圖7換熱器的多尺度范圍4微尺度流動(dòng)與換熱基本特點(diǎn)（1）面積與體積之比大大增加常規(guī)尺度的物體，例如1米立方的體積，其表面積為6米平方，面積/體積之比，A/V＝6m-1將該物體分為尺度為1微米的小立方體，側(cè)面積與體積之比為A/V＝6m-1在微尺度系統(tǒng)中作用在流體上的體積力與表面力的相對(duì)重要性發(fā)生了巨大的變化：表面力的

5、地位上升：隨著尺度減小，粘性力相對(duì)作用增強(qiáng)，慣性力作用變小，越靠近壁面這種規(guī)律越明顯。（2）對(duì)氣體可壓縮性大大增加，引起稀薄效應(yīng)對(duì)氣體在微細(xì)通道中的受迫對(duì)流，由于單位通道長度流體壓降很大，沿通道長度流體密度發(fā)生顯著變化。盡管通道進(jìn)口當(dāng)?shù)豈a數(shù)很小，但是出口處，Ma可以很大;必須考慮可壓縮性；同時(shí)流體沿通道劇烈加速，稀薄性影響逐漸顯露。氣體的稀薄性用無量綱數(shù)Kn（Knudsen）數(shù)表示：為氣體分子平均自由程；L為通道特征尺度。氣體流動(dòng)按Kn數(shù)大小的分類（錢學(xué)森，1946）：－連續(xù)介質(zhì)區(qū)－過渡區(qū)－自由分子流－速度滑移、溫度跳躍區(qū)

6、當(dāng)氣體流動(dòng)的Kn數(shù)大于0.001以后連續(xù)介質(zhì)的假定失效，流動(dòng)與換熱呈現(xiàn)出許多新的特點(diǎn)。（3）對(duì)液體，由于面體比的變化使固體表面的界面效應(yīng)明顯：雙電層（ElectricDoubleLayer），電粘性，電滲，電泳。（4）固體表面的絕對(duì)粗糙度在微尺度通道中影響更加明顯常規(guī)尺度通道微細(xì)尺度通道同樣的絕對(duì)粗糙度對(duì)內(nèi)徑8毫米的管子在壁面上產(chǎn)生0.1微米厚的凝結(jié)液體大約需要6百萬個(gè)分子。圖8管內(nèi)凝結(jié)的分子動(dòng)力學(xué)模擬預(yù)測(cè)17(a)日立Thermoexcel-E(d)WieladGEWA-SE(e)Trent彎翅管圖9部分商用沸騰換熱強(qiáng)化表

7、面結(jié)構(gòu)示意圖(b)WielandGEWA-TW(c)Wolverine-Turbo-B(f)燒結(jié)表面2425圖10雙側(cè)強(qiáng)化管HitachiReview,1975,24(8):329-334圖11日立Thermoexcel-C2627圖12二維微肋管28圖13三維微肋管