传热学-微尺度流动与换热 PPT课件

0.001 Kn 0.1 －速度滑移、温度跳跃区
0.1 Kn 10 －过渡区
Kn>10
－自由分子流
当气体流动的Kn数大于0.001以后连续介质 的假定失效，流动与换热呈现出许多新的特点。
（3）对液体，由于面体比的变化使固体表面的界面 效应明显：双电层（Electric Double Layer），电粘 性，电渗，电泳。
微尺度流动与换热
1 微尺度流动与换热的一般概念
大千世界的物体 尺度变化跨三十余个 数量级，近10余年来 科学技术发展的重要 方向之一是微型化。
图1 多尺度的客观世界
爱因斯坦曾经预言: “未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界 进军” ；
1959，美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 弗曼在美国西海岸会议上宣读了一篇经典论文 “There is plenty of room at bottom”,首次提出 纳米技术的预言。
在微尺度系统中作用在流体上的体积力与表面 力的相对重要性发生了巨大的变化：表面力的地位 上升： 随着尺度减小，粘性力相对作用增强，惯 性力作用变小，越靠近壁面这种规律越明显。
（2）对气体可压缩性大大增加，引起稀薄效应
对气体在微细通道中的受迫对流，由于单位 通道长度流体压降很大，沿通道长度流体密度发 生显著变化。
2 热流现象的尺度范围
图2 热流科学研究对象的时间尺度
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百度文库3 热流科学研究对象的空间尺度 21
3 微尺度流动与换热举例 （1）微喷管内的流动
图4 微喷管系 统示例
12
4.5 0.2 0.3 10
加热器 喷嘴 隔板
基座 工质
15 12
70°
0.1
0.1 0.3
1.2
0.42
0.92
2.42
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微喷管
尽管通道进口当地Ma数很小，但是出口处， Ma可以很大;必须考虑可压缩性；同时流体沿通道 剧烈加速，稀薄性影响逐渐显露。
气体的稀薄性用无量纲数Kn（Knudsen）数
表示： Kn
L
为气体分子平均自由程；
L 为通道特征尺度。
气体流动按Kn数大小的分类（钱学森，1946）：
Kn 0.001 －连续介质区
（3）换热器：尺度已经跨越3个数量级
图7 换热器的多尺度范围
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4 微尺度流动与换热基本特点 （1）面积与体积之比大大增加
常规尺度的物体，例如1米立方的体积，其表 面积为6米平方，面积/体积之比，
A/V＝6m-1
将该物体分为尺度为1微米的 1018 小立方体，
侧面积与体积之比为
A/V＝6106 m-1
(c) Wolverine-Turbo-B
(d) Wielad GEWA-SE
(e) Trent 弯翅管
(f) 烧结表面
图9 部分商用沸腾换热强化表面结构示意图
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图10 双侧强化管 25
图 11 日立Thermoexcel-C Hitachi Review, 1975, 24(8):329-334
图5 微喷嘴加热系统
5
微喷管： 缝宽19微米， 深308微米 图6 微喷管
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微喷管用于自由分子微电阻加热推力器中，可为 微型航天器姿态控制提供动力。其工作原理是采用薄 膜电阻做加热器，通过推进剂分子（水蒸气或氩气） 与加热器壁面的碰撞，将能量传递给推进剂，再经过 喷管喷出，产生推力。推力器尺寸很小（通道宽度 1～100μm）。它要求加热元件与出口缝隙之间的空 间等于气体的平均自由程，从而减少分子之间的碰撞， 保证喷出气体的分子动能等于加热器的温度（系统内 最高温度），提高总效率，从而获得最高的比冲（单 位质量推进剂所产生的冲量称为比冲量） 。
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图12 二维微肋管
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图13 三维微肋管
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1962年，第一个硅微型压力传感器问世，其后 开发出尺寸为50－500mm的齿轮、齿轮泵、气动涡 轮及联结件等微机械 （里程碑 ）。
1989年，在美国盐湖城会议上，首次提出 MEMS概念：Micro-Electro-Mechanical
Systems，这是指特征尺度在 1mm－1 μm 之间
集电子、机械于一身的器件。在这样的器件中有气体 或者液体作为工作介质，其内部的流动与换热就是一 般的微尺度流动与换热。
（2）燃料电池流场板内的流动
燃料电池流场板内的流动燃料电池等温地将化学 能转换成为电能，不需要经过热机过程，效率不受卡 诺循环地限制，转化效率可达40－60％；环境友好， 几乎不排放氮氧化合物与硫化物，二氧化碳地排放过 量也必火电厂减少40％ 以上被认为是21世纪很有希 望的高效、洁净能源。
图7 PEMFC的电化学反应示意图 8
（4）固体表面的绝对粗糙度在微尺度通道中影响更 加明显
常规尺度通道 同样的绝对粗糙度
微细尺度通道
对内径8毫米的 管子在壁面上产生 0.1 微米厚的凝结 液体大约需要6百万 个分子。
图8 管内凝结的 分子动力学模拟 预测
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(a) 日立Thermoexcel-E
(b) Wieland GEWA-TW