传热学-微尺度流动与换热 PPT课件
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高等传热学ppt课件(2024)
2024/1/27
16
黑体辐射特性及计算
01
黑体定义
能够吸收所有波长的辐射能的物 体。
02
黑体辐射特性
03
黑体辐射计算
黑体辐射力随温度升高而迅速增 加，黑体辐射光谱连续且分布广 泛。
利用普朗克定律计算黑体的单色 辐出度，利用斯特藩-玻尔兹曼 定律计算黑体的全波长辐出度。
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17
实际物体辐射特性及计算
自然对流
由于温度梯度引起的密度差异而产生的流动 。
强制对流
由外部力（如风扇、泵等）驱动流体流动。
2024/1/27
混合对流
自然对流和强制对流同时存在的对流现象。
12
对流换热微分方程组及定解条件
连续性方程
表示质量守恒的方程。
动量方程
表示动量守恒的方程，即Navier-Stokes方程。
能量方程
表示能量守恒的方程，即传热方程。
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25
新能源领域中的传热问题
2024/1/27
太阳能利用中的传热问题
01
研究太阳能集热器、太阳能电池等设备的传热特性和优化方法
，提高太阳能利用效率。
燃料电池中的传热传质问题
02
分析燃料电池内部热量和质量的传递过程，探讨提高燃料电池
性能和寿命的方法。
地热能利用中的传热技术
03
探讨地热能提取、输送和利用过程中的传热技术，如地热换热
传热过程强化的方
法
详细阐述各种传热过程强化方法 ，如采用涡流发生器、添加纳米 颗粒、采用微通道技术等，并分 析其强化传热机理和效果。
2024/1/27
21
传热设备性能评价与优化
传热学 微尺度 ppt
f f f f f f f f vx vy vz ax ay az t x y z vx v y vz t scat (4.1)
或
f Df t scat
(4.2)
其中Df表示式(4.1)左边项，按矢量符号表示为
eE f k (4.6)
其中E为电场矢量，e为电子电荷，k为电子波矢。
二、Boltzmann输运理论
式(4.2)的右边项为由碰撞或散射引起的分布函 数改变率，其严格表达式十分复杂，因为碰撞会使 粒子从一坐标(r′，p′)转变到另一坐标系(r,p),于是可 写出
f W p, p f p W p, p f p t scat p (4.7)
二、Boltzmann输运理论
质原子结构及其宏观连续介质行为之间建立一个桥 梁，此方面的典型应用是解释气体的宏观行为，并 从分子对相互作用定理计算出黏度及热传导系数。 Boltzmann方程的第二类应用是在平均自由程与特 征几何尺寸相比不再能忽略时对宏观介质的描述。 很明显，在这样的条件下，人们不再能指望介质的 “宏观行为”能够轻易地用密度、比热容、热导率 等量来描述，虽然这些概念仍然是有意义的，且最 后结果仍要借助于物体的可测量如温度来衡量。所 以，在这些条件下，Boltanann方程作为一个可涵 盖整个传热行为的方程而占有特别重要的地位。
二、Boltzmann输运理论
• 2、Boltzmann方程的简单推导 这里以气体介质为例来加以说明。不过， 如下推导对于流体和固体介质也是适用的。在推 导过程中，分子之间的碰撞假设仅占其生命周期 的非常小的一部分，这意味着只有双分子碰撞是 重要的。 考虑气体中每一分子受外力ma(m为分子质 量，a为分子加速度)作用，其大小可以是位置r 和时间t但非速度v的函数，在时间t和t+dt山之间， 不与其它分子发生碰撞的分子的速度v将变为 v+adt，且其位置矢量r变为了r+vdt，则在时刻
或
f Df t scat
(4.2)
其中Df表示式(4.1)左边项，按矢量符号表示为
eE f k (4.6)
其中E为电场矢量，e为电子电荷，k为电子波矢。
二、Boltzmann输运理论
式(4.2)的右边项为由碰撞或散射引起的分布函 数改变率，其严格表达式十分复杂，因为碰撞会使 粒子从一坐标(r′，p′)转变到另一坐标系(r,p),于是可 写出
f W p, p f p W p, p f p t scat p (4.7)
二、Boltzmann输运理论
质原子结构及其宏观连续介质行为之间建立一个桥 梁，此方面的典型应用是解释气体的宏观行为，并 从分子对相互作用定理计算出黏度及热传导系数。 Boltzmann方程的第二类应用是在平均自由程与特 征几何尺寸相比不再能忽略时对宏观介质的描述。 很明显，在这样的条件下，人们不再能指望介质的 “宏观行为”能够轻易地用密度、比热容、热导率 等量来描述，虽然这些概念仍然是有意义的，且最 后结果仍要借助于物体的可测量如温度来衡量。所 以，在这些条件下，Boltanann方程作为一个可涵 盖整个传热行为的方程而占有特别重要的地位。
二、Boltzmann输运理论
• 2、Boltzmann方程的简单推导 这里以气体介质为例来加以说明。不过， 如下推导对于流体和固体介质也是适用的。在推 导过程中，分子之间的碰撞假设仅占其生命周期 的非常小的一部分，这意味着只有双分子碰撞是 重要的。 考虑气体中每一分子受外力ma(m为分子质 量，a为分子加速度)作用，其大小可以是位置r 和时间t但非速度v的函数，在时间t和t+dt山之间， 不与其它分子发生碰撞的分子的速度v将变为 v+adt，且其位置矢量r变为了r+vdt，则在时刻
《传热学》第五章 对流换热分析PPT演示课件
4个方程,4个未知数(h,u,v,t)， 理论上存在唯一解， 可通过数学方法进行求解
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
11
将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
11
将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法
传热学-微尺度流动与换热共27页
传热学Байду номын сангаас微尺度流动与换热
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
微尺度传热ppt
• 气体稀薄效应
通常用努曾数来表示气体稀薄的程度
当kn《1，连续介质区；0.01<kn<0.1， 滑移区； 0.1<kn<1，过渡 区， kn》1，自由分子流区；气体的稀薄性一般导致气体流动阻 力降低和换热减弱。
微喷管：缝宽19微米， 微喷管：缝宽19微米， 19微米 308微米 深308微米 图2 微喷管
2、微尺度流动和对流换热
• 流动阻力规律与常规尺寸条件下的不同 • 充分发展通道流的阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数， 而应是雷诺数的函数。 • 微细通道湍流的 Nu比常规情况高 • 微细通道流传热数据很分散 • 微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小
影响微细流动与传热现象的某些因素：
• 流体的压缩性
由于微细通道内压力降很大，导致流体密度沿程有明显的变化，所 以必须考虑流体的压缩性，它不仅会形成加速压降，而且还将改变速 度剖面。
• 界面效应
在微细管道中液体表面张力将起更为重要的影响，此外，由于固壁 有时带静电,液体可以有极性 ，静电场的存在会阻碍液体中离子的运 动，从而使液体流动阻力增加，同时对微细管道中传热也会有重要影 响。
三、微尺度传热研究的主要问题
• • • • 微尺度导热 微尺度流动和对流换热 微尺度热辐射 微尺度的相变传热
1、的物理机制来自于两个方面：一是与导热问 题中的特征长度有关；另一方面导热能力与材料中晶粒大小有关，当 尺寸减小时，晶粒尺寸会随之减小，由于晶粒界面增大，所以输运能 力减弱，导热系数降低。
图3
图3示出了系统水平上的热耗散与系统体积之间的关系图；从图可见， 所有气冷系统数据均范入图3中的两条平行线之间的带内，由此带的斜率 看出，气冷系统中的体积热耗散密度几乎独立于系统尺寸，其范围大约在 3000W／m3—7000w／m3之间，其中笔记本电脑中的体积热耗散密度最 高，达7000W／m3。如此高密度的热量输运是一个富有挑战性的课题。 冷却微小系统的困难在于：首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减小 声学噪音；其次，器件结构紧凑性要求仅允许保留有限的冷却流体空间； 第三．同样的要求不允许在模块上安装大容量热沉(扩展表面)；第四，低 造价的原则要求尽可能地采用塑料封装；露片，而这又会增大芯片与模块 表面之间的导热热阻，于是热量将主要聚集在基底材料上、所以，针对各 类电子器件中相当高的热源密度(图4)，寻找具有高效热输运效能的微槽传 热方法多年来一直是人们探索的主题。
最新微尺度传热ppt
所有这些都说明微米/纳米电子机械系统本身所具有的独特的魅力 和意义，在这些小型或中型尺寸的系统中 ,无一例外地要用到受迫对 流空气来冷却发热器件。
图3
图3示出了系统水平上的热耗散与系统体积之间的关系图；从图可见， 所有气冷系统数据均范入图3中的两条平行线之间的带内，由此带的斜率 看出，气冷系统中的体积热耗散密度几乎独立于系统尺寸，其范围大约在 3000W／m3—7000w／m3之间，其中笔记本电脑中的体积热耗散密度最 高，达7000W／m3。如此高密度的热量输运是一个富有挑战性的课题。 冷却微小系统的困难在于：首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减小
• 另一类是当容器或通道尺寸缩小至与核的临界直径具有同 一量级时,相变及其换热规律必会发生变化。
四、微尺度传热的主要应用领域
1、薄膜中的热传导
1987年 ,瑞士科学家发现 YBa2Cu3O7陶瓷在温度35 K以上具有超 导电性即高温超导性。人们第一次认识到自然界存在一个超导体及半 导体均可工作的温度范围 ,于是一种集超导体-半导体于一身的功能 强大的复合器件应运而生。这类器件的基本单元是一种沉积在硅或镓 砷化物基底上的高温超导薄膜,其内外的传热问题与超导的研究和应 用密切相关 ,因而对薄膜热物性及其热输运规律进行研究自然就成为 提高仪器性能的关键所在。
• 导热的辐射效应
电子器件和电子封装中的介电薄膜材料的导热行为可能产生异常 情况，当膜厚很小时，可以用辐射传递问题来分析和讨论晶格振动。
2、微尺度流动和对流换热
• 流动阻力规律与常规尺寸条件下的不同 • 充分发展通道流的阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数，
而应是雷诺数的函数。 • 微细通道湍流的 Nu比常规情况高 • 微细通道流传热数据很分散 • 微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小
图3
图3示出了系统水平上的热耗散与系统体积之间的关系图；从图可见， 所有气冷系统数据均范入图3中的两条平行线之间的带内，由此带的斜率 看出，气冷系统中的体积热耗散密度几乎独立于系统尺寸，其范围大约在 3000W／m3—7000w／m3之间，其中笔记本电脑中的体积热耗散密度最 高，达7000W／m3。如此高密度的热量输运是一个富有挑战性的课题。 冷却微小系统的困难在于：首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减小
• 另一类是当容器或通道尺寸缩小至与核的临界直径具有同 一量级时,相变及其换热规律必会发生变化。
四、微尺度传热的主要应用领域
1、薄膜中的热传导
1987年 ,瑞士科学家发现 YBa2Cu3O7陶瓷在温度35 K以上具有超 导电性即高温超导性。人们第一次认识到自然界存在一个超导体及半 导体均可工作的温度范围 ,于是一种集超导体-半导体于一身的功能 强大的复合器件应运而生。这类器件的基本单元是一种沉积在硅或镓 砷化物基底上的高温超导薄膜,其内外的传热问题与超导的研究和应 用密切相关 ,因而对薄膜热物性及其热输运规律进行研究自然就成为 提高仪器性能的关键所在。
• 导热的辐射效应
电子器件和电子封装中的介电薄膜材料的导热行为可能产生异常 情况，当膜厚很小时，可以用辐射传递问题来分析和讨论晶格振动。
2、微尺度流动和对流换热
• 流动阻力规律与常规尺寸条件下的不同 • 充分发展通道流的阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数，
而应是雷诺数的函数。 • 微细通道湍流的 Nu比常规情况高 • 微细通道流传热数据很分散 • 微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小
最新微尺度传热ppt
- ns (10 - 9s) – ps ( 10 - 12s) -fs (10 - 15s) 其中ns 是目前数字系统如计算机的时钟脉冲宽度的量级。
图1 多尺度的客观世界
微尺度的流动和传热与常规尺度的流动和传热的 不同的原因：
（1）当物体的特征尺寸缩小至与载体粒子的平均自由程同一量级时， 基于连续介质概念的一些宏观概念和规律就不再适用，粘性系数、导 热系数等概念要重新讨论 , N-S方程和导热方程等也不再适用。
微细尺度传热是近些年形成的一个新的学科分支，主要研究空间尺度和时 间尺度微细情况下的传热学规律。当尺度微细化后，其动和传热的规律已明显 不同于常规尺度条件下的流动和传热现象，换言之，当研究对象微细到一定程 度以后 ,出现了流动和传热的尺度效应。“微细”只是一个相对的概念 ,而不是 指某一特定尺度。不同的场合会有不同的定义。所谓“微尺度”并没有严格的 界定,只是一个相对大小的概念，它不仅包括空间尺度，还包括时间尺度。随着 研究对象的不同,出现微尺度效应的时空尺度范围也不相同。通常所指的空间微 尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:
进 入 夏 天 ，少 不了一 个热字 当头， 电扇空 调陆续 登场， 每逢此 时，总 会想起 那 一 把 蒲 扇 。蒲扇 ，是记 忆中的 农村， 夏季经 常用的 一件物 品。 记 忆 中 的故 乡 ， 每 逢 进 入夏天 ，集市 上最常 见的便 是蒲扇 、凉席 ，不论 男女老 少，个 个手持 一 把 ， 忽 闪 忽闪个 不停， 嘴里叨 叨着“ 怎么这 么热” ，于是 三五成 群，聚 在大树 下 ， 或 站 着 ，或随 即坐在 石头上 ，手持 那把扇 子，边 唠嗑边 乘凉。 孩子们 却在周 围 跑 跑 跳 跳 ，热得 满头大 汗，不 时听到 “强子 ，别跑 了，快 来我给 你扇扇 ”。孩 子 们 才 不 听 这一套 ，跑个 没完， 直到累 气喘吁 吁，这 才一跑 一踮地 围过了 ，这时 母 亲总是 ，好似 生气的 样子， 边扇边 训，“ 你看热 的，跑 什么？ ”此时 这把蒲 扇， 是 那 么 凉 快 ，那么 的温馨 幸福， 有母亲 的味道 ！ 蒲 扇 是 中 国传 统工艺 品，在 我 国 已 有 三 千年多 年的历 史。取 材于棕 榈树， 制作简 单，方 便携带 ，且蒲 扇的表 面 光 滑 ， 因 而，古 人常会 在上面 作画。 古有棕 扇、葵 扇、蒲 扇、蕉 扇诸名 ，实即 今 日 的 蒲 扇 ，江浙 称之为 芭蕉扇 。六七 十年代 ，人们 最常用 的就是 这种， 似圆非 圆 ， 轻 巧 又 便宜的 蒲扇。 蒲 扇 流 传 至今， 我的记 忆中， 它跨越 了半个 世纪， 也 走 过 了 我 们的半 个人生 的轨迹 ，携带 着特有 的念想 ，一年 年，一 天天， 流向长
图1 多尺度的客观世界
微尺度的流动和传热与常规尺度的流动和传热的 不同的原因：
（1）当物体的特征尺寸缩小至与载体粒子的平均自由程同一量级时， 基于连续介质概念的一些宏观概念和规律就不再适用，粘性系数、导 热系数等概念要重新讨论 , N-S方程和导热方程等也不再适用。
微细尺度传热是近些年形成的一个新的学科分支，主要研究空间尺度和时 间尺度微细情况下的传热学规律。当尺度微细化后，其动和传热的规律已明显 不同于常规尺度条件下的流动和传热现象，换言之，当研究对象微细到一定程 度以后 ,出现了流动和传热的尺度效应。“微细”只是一个相对的概念 ,而不是 指某一特定尺度。不同的场合会有不同的定义。所谓“微尺度”并没有严格的 界定,只是一个相对大小的概念，它不仅包括空间尺度，还包括时间尺度。随着 研究对象的不同,出现微尺度效应的时空尺度范围也不相同。通常所指的空间微 尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:
进 入 夏 天 ，少 不了一 个热字 当头， 电扇空 调陆续 登场， 每逢此 时，总 会想起 那 一 把 蒲 扇 。蒲扇 ，是记 忆中的 农村， 夏季经 常用的 一件物 品。 记 忆 中 的故 乡 ， 每 逢 进 入夏天 ，集市 上最常 见的便 是蒲扇 、凉席 ，不论 男女老 少，个 个手持 一 把 ， 忽 闪 忽闪个 不停， 嘴里叨 叨着“ 怎么这 么热” ，于是 三五成 群，聚 在大树 下 ， 或 站 着 ，或随 即坐在 石头上 ，手持 那把扇 子，边 唠嗑边 乘凉。 孩子们 却在周 围 跑 跑 跳 跳 ，热得 满头大 汗，不 时听到 “强子 ，别跑 了，快 来我给 你扇扇 ”。孩 子 们 才 不 听 这一套 ，跑个 没完， 直到累 气喘吁 吁，这 才一跑 一踮地 围过了 ，这时 母 亲总是 ，好似 生气的 样子， 边扇边 训，“ 你看热 的，跑 什么？ ”此时 这把蒲 扇， 是 那 么 凉 快 ，那么 的温馨 幸福， 有母亲 的味道 ！ 蒲 扇 是 中 国传 统工艺 品，在 我 国 已 有 三 千年多 年的历 史。取 材于棕 榈树， 制作简 单，方 便携带 ，且蒲 扇的表 面 光 滑 ， 因 而，古 人常会 在上面 作画。 古有棕 扇、葵 扇、蒲 扇、蕉 扇诸名 ，实即 今 日 的 蒲 扇 ，江浙 称之为 芭蕉扇 。六七 十年代 ，人们 最常用 的就是 这种， 似圆非 圆 ， 轻 巧 又 便宜的 蒲扇。 蒲 扇 流 传 至今， 我的记 忆中， 它跨越 了半个 世纪， 也 走 过 了 我 们的半 个人生 的轨迹 ，携带 着特有 的念想 ，一年 年，一 天天， 流向长
传热学课件课件(多应用版)
传热学课件引言传热学是研究热量传递规律的学科，是工程热力学和流体力学的重要分支。
在实际工程应用中，传热问题无处不在，如能源转换、化工生产、建筑环境等领域。
因此，掌握传热学的基本原理和方法，对于工程技术人员来说具有重要意义。
本文将简要介绍传热学的基本概念、原理和方法，并探讨其在工程实际中的应用。
一、传热学基本概念1.热量传递方式热量传递方式主要包括三种：导热、对流和辐射。
（1）导热：热量通过固体、液体或气体的分子碰撞传递，其传递速率与物体的导热系数、温度差和物体厚度有关。
（2）对流：热量通过流体的宏观运动传递，其传递速率与流体的流速、密度、比热容和温度差有关。
（3）辐射：热量以电磁波的形式传递，其传递速率与物体表面的温度、发射率和距离有关。
2.传热方程传热方程是描述热量传递规律的数学表达式，主要包括傅里叶定律、牛顿冷却公式和斯蒂芬-玻尔兹曼定律。
（1）傅里叶定律：描述导热过程中热量传递的规律，公式为Q=-kA(dT/dx)，其中Q表示热量传递速率，k表示导热系数，A表示传热面积，dT/dx表示温度梯度。
（2）牛顿冷却公式：描述对流过程中热量传递的规律，公式为Q=hA(TwTf)，其中Q表示热量传递速率，h表示对流换热系数，Tw 表示固体表面温度，Tf表示流体温度。
（3）斯蒂芬-玻尔兹曼定律：描述辐射过程中热量传递的规律，公式为Q=εσA(T^4T^4)，其中Q表示热量传递速率，ε表示发射率，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T表示物体表面温度。
二、传热学原理和方法1.传热问题的分类传热问题可分为稳态传热和非稳态传热两大类。
（1）稳态传热：系统内各部分温度不随时间变化，热量传递速率恒定。
（2）非稳态传热：系统内各部分温度随时间变化，热量传递速率随时间变化。
2.传热分析方法（1）解析法：通过对传热方程的求解，得到温度分布和热量传递速率。
适用于简单几何形状和边界条件的问题。
（2）数值法：采用数值离散化方法求解传热方程，适用于复杂几何形状和边界条件的问题。
传热学 微尺度ppt
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
所以，针对各类电子器件中相当高的热源密度 (图1.4)，寻求具有高效热输运效能的微槽传热方法 多年来一直是人们探索的主题。
图1.4 模板上各类热源的几 何结构及其设置
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 5、微型换热器 如上所述，微型换热器最实际的应用是在微电 子器件的冷却上。现代微制造技术的进展已经使得 加工由多个水力学直径在10到10³μm之间的微型管道 组成的换热器成为可能。这类流动槽道或交错肋片 通常制作在硅、金属或其他合适材料的薄片上，每 一薄片既可单独组成一个平板换热器，也可堆叠和 焊接在一起以形成平行的顺流或逆流换热器(见图1.5 及图1.6)。
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
图1.7 微热管运行示意图
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
• 6、微型燃气透平用燃烧室 Waitz等新近发展了一个针对微燃气透平的燃 烧室，如图1.8
图1.8 微型燃气透平发电机
二、一些典型微热器件及其相应的热现象
微型和常规器件在设计上的差别大多是由于尺 寸缩小引起的，但它也受燃烧室与发动机的相对尺 寸、周期压比、材料温度极限等影响。微型燃烧室 的一些特别之处在于： (1) 具有更短的用于混合和燃烧的停留时间； (2) 附加的能量损失主要由较高的比表面积决定； (3) 采用了难熔的结构陶瓷。 微机电技术是在一些难熔结构陶瓷的微加工成 为可能后才得以实现的，这些材料具有适应恶劣环境 的优异的机械、热学及化学性质。它们已经成为制造 某些大尺度器件的着眼点。
微米/纳米尺度传热学
第一章 绪论
西安电子科技大学
第一章 绪论
一 、导言 二、一些典型微热器件及其相应的热现象 三、微器件中传热问题的尺寸效应 四、微尺度传热学中的一些分析方法
(完整PPT)传热学
(完整PPT)传热学contents •传热学基本概念与原理•导热现象与规律•对流换热原理及应用•辐射换热基础与特性•传热过程数值计算方法•传热学实验技术与设备•传热学在工程领域应用案例目录01传热学基本概念与原理03热辐射通过电磁波传递热量的方式，不需要介质，可在真空中传播。
01热传导物体内部或两个直接接触物体之间的热量传递，由温度梯度驱动。
02热对流流体中由于温度差异引起的热量传递，包括自然对流和强制对流。
热量传递方式传热过程及机理稳态传热系统内的温度分布不随时间变化，热量传递速率保持恒定。
非稳态传热系统内的温度分布随时间变化，热量传递速率也随时间变化。
传热机理包括导热、对流和辐射三种基本传热方式的单独作用或相互耦合作用。
生物医学工程研究生物体内的热量传递和温度调节机制，为医学诊断和治疗提供理论支持。
解决高速飞行时的高温问题，保证航空航天器的安全运行。
机械工程用于优化机械设备的散热设计，提高设备运行效率和可靠性。
能源工程用于提高能源利用效率和开发新能源技术，如太阳能、地热能等。
建筑工程在建筑设计中考虑保温、隔热和通风等因素，提高建筑能效。
传热学应用领域02导热现象与规律导热基本概念及定律导热定义物体内部或物体之间由于温度差异引起的热量传递现象。
热流密度单位时间内通过单位面积的热流量，表示热量传递的强度和方向。
热传导定律描述导热过程中热流密度与温度梯度之间关系的定律，即傅里叶定律。
导热系数影响因素材料性质不同材料的导热系数差异较大，如金属通常具有较高的导热系数，而绝缘材料则具有较低的导热系数。
温度温度对导热系数的影响因材料而异，一般情况下，随着温度的升高，导热系数会增加。
压力对于某些材料，如气体，压力的变化会对导热系数产生显著影响。
稳态与非稳态导热过程稳态导热物体内部各点温度不随时间变化而变化的导热过程。
在稳态导热过程中，热流密度和温度分布保持恒定。
非稳态导热物体内部各点温度随时间变化而变化的导热过程。
2024年度传热学基本知识ppt课件
灰体辐射
灰体是指能够吸收所有波长的辐射能 ，但吸收率小于1的物体。灰体辐射 除了与温度有关外，还与灰体的发射 率有关。
17
辐射换热计算方法
斯忒藩-玻尔兹曼定律
基尔霍夫定律
用于计算黑体辐射的总能量，公式为 E=σT^4，其中σ为斯忒藩-玻尔兹曼 常数，T为黑体的热力学温度。
用于计算灰体的发射率与吸收率之间 的关系，公式为ε=α，其中ε为发射率 ，α为吸收率。
流体的流动状态（层流 或湍流）对对流换热系 数有显著影响。湍流状 态下的对流换热系数通 常比层流状态下高。
温度梯度越大，对流换 热系数越高。因为较大 的温度梯度会导致流体 内部产生更强烈的密度 差异和流动。
14
固体壁面的形状、粗糙 度以及表面条件（如氧 化、涂层等）也会影响 对流换热系数。
04
热辐射基本知识
25
热流密度测量技术
热流计法
通过测量热流计两端的温 差和通过的热量来计算热 流密度。
2024/3/23
热阻法
在已知热阻的情况下，通 过测量物体两端的温差来 计算热流密度。
热电偶法
利用热电偶测量物体表面 的温度梯度，从而计算得 到热流密度。
26
07
传热学在工程领域应用案例
2024/3/23
27
航空航天领域应用案例
2024/3/23
13
对流换热系数及其影响因素
对流换热系数定义
流体物性
流动状态
温度梯度
固体壁面条件
对流换热系数是描述热 对流过程中热量传递速 率的重要参数。它表示 单位时间内、单位面积 上流体与固体壁面之间 传递的热量与两者温差 之比。
2024/3/23
流体的密度、粘度、导 热系数等物性参数会影 响对流换热系数。一般 来说，密度和导热系数 较大的流体具有更高的 对流换热系数。
灰体是指能够吸收所有波长的辐射能 ，但吸收率小于1的物体。灰体辐射 除了与温度有关外，还与灰体的发射 率有关。
17
辐射换热计算方法
斯忒藩-玻尔兹曼定律
基尔霍夫定律
用于计算黑体辐射的总能量，公式为 E=σT^4，其中σ为斯忒藩-玻尔兹曼 常数，T为黑体的热力学温度。
用于计算灰体的发射率与吸收率之间 的关系，公式为ε=α，其中ε为发射率 ，α为吸收率。
流体的流动状态（层流 或湍流）对对流换热系 数有显著影响。湍流状 态下的对流换热系数通 常比层流状态下高。
温度梯度越大，对流换 热系数越高。因为较大 的温度梯度会导致流体 内部产生更强烈的密度 差异和流动。
14
固体壁面的形状、粗糙 度以及表面条件（如氧 化、涂层等）也会影响 对流换热系数。
04
热辐射基本知识
25
热流密度测量技术
热流计法
通过测量热流计两端的温 差和通过的热量来计算热 流密度。
2024/3/23
热阻法
在已知热阻的情况下，通 过测量物体两端的温差来 计算热流密度。
热电偶法
利用热电偶测量物体表面 的温度梯度，从而计算得 到热流密度。
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07
传热学在工程领域应用案例
2024/3/23
27
航空航天领域应用案例
2024/3/23
13
对流换热系数及其影响因素
对流换热系数定义
流体物性
流动状态
温度梯度
固体壁面条件
对流换热系数是描述热 对流过程中热量传递速 率的重要参数。它表示 单位时间内、单位面积 上流体与固体壁面之间 传递的热量与两者温差 之比。
2024/3/23
流体的密度、粘度、导 热系数等物性参数会影 响对流换热系数。一般 来说，密度和导热系数 较大的流体具有更高的 对流换热系数。
传热学完整课件PPT课件
（ 1 ）稳态传热过程； （ 2 ）非稳态传热过程。 1 ）稳态传热过程（定常过程）
凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递 过程均称稳态传热过程。） 凡是物体中各点温度随时间的变化而变化
的热传递过程均称非稳态传热过程。 各种热力设备在持续不变的工况下运行时
的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停 机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热 过程。
.
❖ 3 ）教育思想发生了本质性的变化 ❖ 传热学课程教学内容的组织和表达方
面从以往单纯的为后续专业课学习服务转 变到重点培养学生综合素质和能力方面， 这是传热学课程理论联系实际的核心。从 实际工程问题中、科学研究中提炼出综合 分析题，对培养学生解决分析综合问题的 能力起到积极的作用。
.
❖ 2 、研究对象
第一章
绪
论
.
§1-0 概 述
一、基本概念 ❖ 1 、传热学 ❖ 传热学是研究热量传递规律的学科。 ❖ 1)物体内只要存在温差，就有热量从物
体的高温部分传向低温部分； ❖ 2)物体之间存在温差时，热量就会自发
的从高温物体传向低温物体。
.
2 、热量传递过程 根据物体温度与时间的关系，热量传递过程 可分为两类：
❖ （ 3 ）非导电固体：导热是通过晶格结构 的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、 分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
.
❖（ 4 ）液体的导热机理：存在两种不同的 观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些， 因液体分子的间距较近，分子间的作用力对 碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非 导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动， 原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的） 的作用。
.
b 微电子： 电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存 d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮 存 e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵 f 新能源：太阳能；燃料电池
凡是物体中各点温度不随时间而变的热传递 过程均称稳态传热过程。） 凡是物体中各点温度随时间的变化而变化
的热传递过程均称非稳态传热过程。 各种热力设备在持续不变的工况下运行时
的热传递过程属稳态传热过程；而在启动、停 机、工况改变时的传热过程则属 非稳态传热 过程。
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❖ 3 ）教育思想发生了本质性的变化 ❖ 传热学课程教学内容的组织和表达方
面从以往单纯的为后续专业课学习服务转 变到重点培养学生综合素质和能力方面， 这是传热学课程理论联系实际的核心。从 实际工程问题中、科学研究中提炼出综合 分析题，对培养学生解决分析综合问题的 能力起到积极的作用。
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❖ 2 、研究对象
第一章
绪
论
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§1-0 概 述
一、基本概念 ❖ 1 、传热学 ❖ 传热学是研究热量传递规律的学科。 ❖ 1)物体内只要存在温差，就有热量从物
体的高温部分传向低温部分； ❖ 2)物体之间存在温差时，热量就会自发
的从高温物体传向低温物体。
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2 、热量传递过程 根据物体温度与时间的关系，热量传递过程 可分为两类：
❖ （ 3 ）非导电固体：导热是通过晶格结构 的振动所产生的弹性波来实现的，即原子、 分子在其平衡位置附近的振动来实现的。
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❖（ 4 ）液体的导热机理：存在两种不同的 观点：第一种观点类似于气体，只是复杂些， 因液体分子的间距较近，分子间的作用力对 碰撞的影响比气体大；第二种观点类似于非 导电固体，主要依靠弹性波（晶格的振动， 原子、分子在其平衡位置附近的振动产生的） 的作用。
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b 微电子： 电子芯片冷却 c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组 织与器官的冷冻保存 d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮 存 e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调/热泵； 高温水源热泵 f 新能源：太阳能；燃料电池
微尺度换热与流动研究进展陶文铨64页PPT
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
微尺度换热与流动研究进展陶文铨
56、死去何所道，托体同山阿。 57、春秋多佳日，登高赋新诗。 58、种豆南山下，草盛豆苗稀。晨兴 理荒秽 ，带月 荷锄归 。道狭 草木长 ，夕露 沾我衣 。衣沾 不足惜 ，但使 愿无违 。 59、相见无杂言，但道桑麻长。 60、迢迢新秋夕，亭亭月将圆。
▪
谢谢！
64
微尺度对流传热
微型热管理模块
在微电子封装中，通过微型热管理模块实现热量快速传输和均匀分 布，提高封装可靠性和稳定性。
在生物医学领域的应用
1 2
生物芯片的热管理
在生物芯片中，利用微尺度对流传热技术，实现 快速、均匀的热流传输，提高生物实验的准确性 和可靠性。
微型冷却系统
在医疗植入物和精密手术器械中，利用微型冷却 系统降低设备温度，提高手术安全性和效果。
加强实验研究
发展更为精密的实验测量技术，提高实验结果的准确性和 可靠性，为理论研究提供有力支持。
注重实际应用
在研究过程中，注重与实际应用相结合，将研究成果转化 为实际生产力，推动微尺度对流传热技术的实际应用和产 业化发展。
感谢您的观看
THANKS
采用多物理场耦合求解方法，综 合考虑流场、温度场、应力场等 物理场之间的相互作用。
03
微尺度对流传热的实验研 究
实验设备与技术
微通道反应器
用于模拟微尺度流动和传热过程，具有高精 度和高通量的特点。
微流体芯片
用于研究微尺度流动和传热特性，具有微型 化、集成化和高灵敏度的优点。
光学显微镜
用于观察微尺度流动现象和测量流速、温度 等参数，具有高分辨率和高精度。
应用前景
探讨微尺度对流传热在微型热力系统、 微电子散热、生物医学等领域的应用 前景。
04
微尺度对流传热的应用
在能源领域的应用
微型热力发电
01
利用微尺度对流传热原理，将热能转化为电能，为微型设备提
供动力。
高效散热设计
02
在紧凑型电子设备中，通过优化微尺度对流传热路径，提高散
热效率，延长设备使用寿命。
VS
研究现状
目前，研究者们在实验和数值模拟方面取 得了一系列重要成果，对微尺度对流传热 的机理和规律有了更深入的认识。同时， 研究领域也在不断拓展，涉及到更多实际 应用背景的问题。
在微电子封装中，通过微型热管理模块实现热量快速传输和均匀分 布，提高封装可靠性和稳定性。
在生物医学领域的应用
1 2
生物芯片的热管理
在生物芯片中，利用微尺度对流传热技术，实现 快速、均匀的热流传输，提高生物实验的准确性 和可靠性。
微型冷却系统
在医疗植入物和精密手术器械中，利用微型冷却 系统降低设备温度，提高手术安全性和效果。
加强实验研究
发展更为精密的实验测量技术，提高实验结果的准确性和 可靠性，为理论研究提供有力支持。
注重实际应用
在研究过程中，注重与实际应用相结合，将研究成果转化 为实际生产力，推动微尺度对流传热技术的实际应用和产 业化发展。
感谢您的观看
THANKS
采用多物理场耦合求解方法，综 合考虑流场、温度场、应力场等 物理场之间的相互作用。
03
微尺度对流传热的实验研 究
实验设备与技术
微通道反应器
用于模拟微尺度流动和传热过程，具有高精 度和高通量的特点。
微流体芯片
用于研究微尺度流动和传热特性，具有微型 化、集成化和高灵敏度的优点。
光学显微镜
用于观察微尺度流动现象和测量流速、温度 等参数，具有高分辨率和高精度。
应用前景
探讨微尺度对流传热在微型热力系统、 微电子散热、生物医学等领域的应用 前景。
04
微尺度对流传热的应用
在能源领域的应用
微型热力发电
01
利用微尺度对流传热原理，将热能转化为电能，为微型设备提
供动力。
高效散热设计
02
在紧凑型电子设备中，通过优化微尺度对流传热路径，提高散
热效率，延长设备使用寿命。
VS
研究现状
目前，研究者们在实验和数值模拟方面取 得了一系列重要成果，对微尺度对流传热 的机理和规律有了更深入的认识。同时， 研究领域也在不断拓展，涉及到更多实际 应用背景的问题。
传热学微尺度ppt课件
建立和求解Boltzmann方程的主要动机源于两 类应用：其一是为了在当材料内能量载子的平均自 由程远小于问题的特征尺寸时，能够从微观模型导 出介质的宏观行为，所以这些应用是统计力学基本 问题的一种特殊情形，而统计力学的任务 就是在物
6
二、Boltzmann输运理论
质原子结构及其宏观连续介质行为之间建立一个桥 梁，此方面的典型应用是解释气体的宏观行为，并 从分子对相互作用定理计算出黏度及热传导系数。 Boltzmann方程的第二类应用是在平均自由程与特 征几何尺寸相比不再能忽略时对宏观介质的描述。 很明显，在这样的条件下，人们不再能指望介质的 “宏观行为”能够轻易地用密度、比热容、热导率 等量来描述，虽然这些概念仍然是有意义的，且最 后结果仍要借助于物体的可测量如温度来衡量。所 以，在这些条件下，Boltanann方程作为一个可涵 盖整个传热行为的方程而占有特别重要的地位。
4
二、Boltzmann输运理论
1、概述
众所周知，在动力学理论中，空间和时间内 的局域热平衡是一个隐含的固有假没。设体积的 特征长度为lr，时间尺度为τr，则当物体的尺寸 L=lr,或真实时间t≈τr ，也或二者兼有时，则动力 学理论不再成立，这是因为此时局域平衡假设不 再有效，为此需要一个更基本的理沦。 Boltzmann输运方程正是这样一种理论，它被认为 是现有方法中用来分析微尺度能量输运现象的最 具有普遍适用性、最基本和强有力的工具，虽然 其最初的主要目的是用作气体研究，但发展至今 已被推广用于范围极其广泛的各类介质。
加速度矢量口的分量。
vdt , t
dt )
f (v, r, t)dv dt
f t
scat
d
v
d
6
二、Boltzmann输运理论
质原子结构及其宏观连续介质行为之间建立一个桥 梁，此方面的典型应用是解释气体的宏观行为，并 从分子对相互作用定理计算出黏度及热传导系数。 Boltzmann方程的第二类应用是在平均自由程与特 征几何尺寸相比不再能忽略时对宏观介质的描述。 很明显，在这样的条件下，人们不再能指望介质的 “宏观行为”能够轻易地用密度、比热容、热导率 等量来描述，虽然这些概念仍然是有意义的，且最 后结果仍要借助于物体的可测量如温度来衡量。所 以，在这些条件下，Boltanann方程作为一个可涵 盖整个传热行为的方程而占有特别重要的地位。
4
二、Boltzmann输运理论
1、概述
众所周知，在动力学理论中，空间和时间内 的局域热平衡是一个隐含的固有假没。设体积的 特征长度为lr，时间尺度为τr，则当物体的尺寸 L=lr,或真实时间t≈τr ，也或二者兼有时，则动力 学理论不再成立，这是因为此时局域平衡假设不 再有效，为此需要一个更基本的理沦。 Boltzmann输运方程正是这样一种理论，它被认为 是现有方法中用来分析微尺度能量输运现象的最 具有普遍适用性、最基本和强有力的工具，虽然 其最初的主要目的是用作气体研究，但发展至今 已被推广用于范围极其广泛的各类介质。
加速度矢量口的分量。
vdt , t
dt )
f (v, r, t)dv dt
f t
scat
d
v
d
传热学微尺度ppt
01
02
ห้องสมุดไป่ตู้
考虑到上述原因，Adams等（1998）采用了直径为0.76mm和1.09mm的圆形槽道，对其中水的湍流单相受迫对流问题进行了实验研究，由此避开了槽道高宽比引起的附加效应。图7.4为测试段中内径中为0.76mm的管道详细图示。整个测试段在一个铜圆柱上加工而成。Adams等（1998）的得到了一个一般性的Nusselt数为
正是这些复杂因素增大了分析微对流传热问题的复杂性，如何正确评价各种因素对微传热的贡献具有特别重要的意义。本章将扼要介绍微对流传热方面的一些典型问题及其有关的物理机制。
7.2一些典型的微尺度对流传热现象
现在已经得到普遍认同的是，对于微结构内的流动和热交换，经典有效的模型不一定适用。比如，Wu和Little（1984）测量了流过四个微槽道测试元件（槽高在89m到97 m ，槽宽在312 m 到572 m 范围）中氮气的换热系数，试验给出的层流区、过渡区及湍流区由1000到3000的Reynolds数分开，层流Nusselt数随Reynolds变化，而过渡区换热数据很难关联，Reynolds比拟对于粗管中的湍流不再成立。Chio等（1991）测定了微管内氮气在层流和湍流区的摩擦和对流换热系数，试验结果表明与传统尺寸管道中得到的热流体关系严重偏离。对于直径小于10m或Reynolds数低于400的微管情况，其摩擦关联式C=fRe得到的常数是C=53而非传统的64，所测得的层流换热Nusselt数强烈地表现为Reynolds数的函数，而对于微管中的湍流换热，则7倍于由Colburn比拟j=f/8得到的值。
气或流体引起的摩擦力、静电力及黏性力的重要性不断增大，而此类规律尚未得到充分认识，所以隐含在各种微加工技术中的关键问题是建立小器件的科学与工程基础。 借助于先进的微加工技术，目前制造由多个水利直径在10μm到1000μm的微小流道组成的微型热交换器已不成问题。微尺度对流换热的例子可以在不同结构如微凹槽表面（Xu及Carey，1990）、微热管（Swanson及Peterson，1995；Peterson等，1998）、微效应器、微控制器甚至一些生物反应器中找到，冲击流最近也被证实能较大的增强微槽道（Zhang等，1997）及电子芯片表面（Lin等，1997）的传热性能。研究者们也对小尺度方形槽道内流体的非牛顿行为和层流强化换热问题进行了实验研究（Lin等，1996）。在许多应用中，微槽道内极强的过冷单项相受迫对流是一个有效的冷却机制，而宽度和深度加工为20m到1000 m范围的微槽道还被用于需要高热流的场合。由于在如此众多的领域，如微电子学、生物反应器及微热交换器等中的重要应用，微结构中的流动和传热已经成为近期研究的主要目标之一。
02
ห้องสมุดไป่ตู้
考虑到上述原因，Adams等（1998）采用了直径为0.76mm和1.09mm的圆形槽道，对其中水的湍流单相受迫对流问题进行了实验研究，由此避开了槽道高宽比引起的附加效应。图7.4为测试段中内径中为0.76mm的管道详细图示。整个测试段在一个铜圆柱上加工而成。Adams等（1998）的得到了一个一般性的Nusselt数为
正是这些复杂因素增大了分析微对流传热问题的复杂性，如何正确评价各种因素对微传热的贡献具有特别重要的意义。本章将扼要介绍微对流传热方面的一些典型问题及其有关的物理机制。
7.2一些典型的微尺度对流传热现象
现在已经得到普遍认同的是，对于微结构内的流动和热交换，经典有效的模型不一定适用。比如，Wu和Little（1984）测量了流过四个微槽道测试元件（槽高在89m到97 m ，槽宽在312 m 到572 m 范围）中氮气的换热系数，试验给出的层流区、过渡区及湍流区由1000到3000的Reynolds数分开，层流Nusselt数随Reynolds变化，而过渡区换热数据很难关联，Reynolds比拟对于粗管中的湍流不再成立。Chio等（1991）测定了微管内氮气在层流和湍流区的摩擦和对流换热系数，试验结果表明与传统尺寸管道中得到的热流体关系严重偏离。对于直径小于10m或Reynolds数低于400的微管情况，其摩擦关联式C=fRe得到的常数是C=53而非传统的64，所测得的层流换热Nusselt数强烈地表现为Reynolds数的函数，而对于微管中的湍流换热，则7倍于由Colburn比拟j=f/8得到的值。
气或流体引起的摩擦力、静电力及黏性力的重要性不断增大，而此类规律尚未得到充分认识，所以隐含在各种微加工技术中的关键问题是建立小器件的科学与工程基础。 借助于先进的微加工技术，目前制造由多个水利直径在10μm到1000μm的微小流道组成的微型热交换器已不成问题。微尺度对流换热的例子可以在不同结构如微凹槽表面（Xu及Carey，1990）、微热管（Swanson及Peterson，1995；Peterson等，1998）、微效应器、微控制器甚至一些生物反应器中找到，冲击流最近也被证实能较大的增强微槽道（Zhang等，1997）及电子芯片表面（Lin等，1997）的传热性能。研究者们也对小尺度方形槽道内流体的非牛顿行为和层流强化换热问题进行了实验研究（Lin等，1996）。在许多应用中，微槽道内极强的过冷单项相受迫对流是一个有效的冷却机制，而宽度和深度加工为20m到1000 m范围的微槽道还被用于需要高热流的场合。由于在如此众多的领域，如微电子学、生物反应器及微热交换器等中的重要应用，微结构中的流动和传热已经成为近期研究的主要目标之一。
微尺度换热与流动研究进展陶文铨幻灯片PPT
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。
2
1962年，第一个硅微型压力传感器问世，其后
尽管通道进口当地Ma数很小，但是出口处， 但出口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： K n
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）：
K n 0 .0 0 1 －连续介质区
（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4 PEMFC的电化学反应示意图 8
10
He
N
2
1ห้องสมุดไป่ตู้
f=64/Re
f
0.1
10
100
1000
Re
图 直径为 D=75微米的石英玻璃管实验测定结果
He
1
N
2
f=56.88/Re
0.1
f
100
Re
1000
图 当量直径为 D=52微米的石英玻璃管实验测定结果
开发出尺寸为50－500mm的齿轮、齿轮泵、气动涡
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。
2
1962年，第一个硅微型压力传感器问世，其后
尽管通道进口当地Ma数很小，但是出口处， 但出口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： K n
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）：
K n 0 .0 0 1 －连续介质区
（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4 PEMFC的电化学反应示意图 8
10
He
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2
1ห้องสมุดไป่ตู้
f=64/Re
f
0.1
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1000
Re
图 直径为 D=75微米的石英玻璃管实验测定结果
He
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N
2
f=56.88/Re
0.1
f
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图 当量直径为 D=52微米的石英玻璃管实验测定结果
开发出尺寸为50－500mm的齿轮、齿轮泵、气动涡
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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） 。
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。
（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
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。
(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
24
Байду номын сангаас
图10 双侧强化管 25
图 11 日立Thermoexcel-C Hitachi Review, 1975, 24(8):329-334
（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
（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
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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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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。
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
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。
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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图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
7
微喷管