微尺度相变传热中的不稳定现象
受热不稳定的原因
受热不稳定的原因
受热不稳定的原因有很多，以下是一些常见的原因：
1. 化学反应：在高温下，化学反应速率可能会增加，导致反应物迅速转化为产物。
这可能导致系统失去平衡，产生不稳定性。
2. 热膨胀：当物质受热时，其分子会膨胀，体积增大。
如果物体的不同部分膨胀程度不一致，可能导致物体内部产生应力和变形，从而引起不稳定。
3. 相变：有些物质在受热时会发生相变，例如从固态转变为液态或气态。
这种相变可能导致物质结构的改变，从而引起不稳定。
4. 热分解：某些物质在高温下会发生热分解，即分解为更简单的物质。
这种分解可能会导致产生不稳定的中间产物或产生剧烈的反应，从而引起不稳定。
5. 热失真：在高温下，物体的结构可能发生失真，例如晶格或分子结构的变化。
这种失真可能导致物体性能的变化，从而引起不稳定。
受热不稳定的原因可以是化学反应、热膨胀、相变、热分解和热失真等。
这些原因可能单独或同时发生，导致物体在高温下表现出不稳定的行为。
微纳制造中的微尺度传热现象研究
微纳制造中的微尺度传热现象研究微纳制造技术的飞速进步推动了众多领域，如信息技术、生物医学、能源转换等的革新，而其中的微尺度传热现象研究则成为了该领域的一个关键环节。
在微纳尺度下，传统宏观传热理论与规律不再完全适用，因此，深入探索微尺度下的传热机制对于提升微纳器件的性能、效率与可靠性至关重要。
本文将从六个方面探讨微纳制造中的微尺度传热现象研究。
一、微尺度传热的基本特征与挑战微纳尺度下的传热现象显著区别于宏观尺度，主要表现在以下几个方面：首先，界面效应对热传导的影响加剧，微小的接触面积和不平整表面导致热阻增加；其次，受限几何尺寸引起的尺度效应，如Knudsen数增大，导致传热方式从连续介质传热转变为分子传热；再者，热辐射性质的变化，因尺度缩小，表面间距离接近，导致辐射传热作用增强。
这些特征给微纳制造中的热管理和设计带来了新的挑战，需要开发新的理论模型和实验技术来准确描述和预测微尺度下的传热行为。
二、微纳结构的热导率调控微纳结构的特殊几何形状和组成材料赋予了其调控热导率的能力。
例如，通过纳米线、纳米薄膜、纳米孔隙结构的精确设计，可以实现热导率的大幅度降低或提升，这对于热绝缘材料和高效率热电转换器件的开发尤为重要。
此外，利用量子点、石墨烯等二维材料的独特热传导性质，可以实现定向热流控制，为微纳电子设备的热管理提供创新解决方案。
三、微流控系统中的传热优化微流控技术结合微纳制造工艺，在生物芯片、化学合成等领域有着广泛的应用。
在微流道中，流体流动与传热相互作用复杂，微尺度效应导致的边界层变薄、湍流提前出现等现象，对热交换效率产生显著影响。
研究微流体流动下的传热特性，优化微通道结构和操作条件，对于提高传热效率、减少能量消耗具有重要意义。
此外，利用微流控中的相变传热，如微沸腾和冷凝，可进一步增强热传输能力。
四、热辐射的微纳调控在微纳尺度下，热辐射特性受到表面粗糙度、形貌和间隔距离的影响更为明显，这为通过设计特定的表面结构调控辐射热传递提供了可能。
矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究_蒋洁
第5卷第3期2006年9月热科学与技术Journal of Thermal Science and TechnologyVol.5No.3Sep.2006文章编号:1671-8097(2006)03-0189-06收稿日期:2006-01-12; 修回日期:2006-07-17.基金项目:国家重点基础研究发展计划(2006CB 300404);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(6803001005);东南大学科学基金资助项目(9203007013,9203001337).作者简介:蒋 洁(1981-),女,江苏常州人,博士生,主要从事微流动与传热研究.矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究蒋 洁, 郝英立, 施明恒(东南大学动力工程系,江苏南京 210096)摘要:以去离子水为流体工质,对其在矩形微尺度通道中的流动阻力和传热特性进行了实验研究。
通过测量流量、进出口压力和温度等参数,获得了流体流过微通道时的摩擦阻力系数、对流换热过程中的热流通量和N u 等。
微尺度通道中流体流动的摩擦阻力系数较常规尺度通道中的摩擦阻力系数小,仅是常规尺度通道中摩擦阻力系数的20%～30%;且流动状态由层流向湍流转捩的临界R e 也远小于常规尺度通道的。
微尺度通道中对流换热的N u 与常规尺度通道的显著不同。
流量较小时,N u 较常规尺度通道中充分发展段的小;随着水流量的增加,微通道的N u 迅速增加,并很快超过常规尺度通道的N u ,表现出微尺度效应。
热流通量对微尺度通道中对流换热N u 存在影响,其影响规律在不同流速条件下呈不同趋势,流速较小时,N u 基本保持不变;而在流速较大时,N u 随热流通量增加而呈增加趋势。
关键词:微通道;流动特性;摩擦阻力系数;对流换热中图分类号:T K124文献标识码:A0 前 言为适应微电子机械系统以及微流动系统的快速发展需要,流体在微通道中的流动和传热特性成为当今世界范围的研究热点。
动力工程和工程热物理前沿课程论文
工程热物理前沿探讨摘要：概述了工程热物理学科及其重要性。
从工程热物理的学科体系出发分析它们的开展方向，综合各分支科学的涵、开展趋势、开展目标，预测工程热物理可能的开展趋势。
关键词：工程热物理、开展方向Prospect of Engineering ThermophysicsAbstract:This articlesummarizes what is EngineeringThermalPhysics and itsimportance .Form the discipline system of engineering thermal physical, we analyze their development .bining the content, development tendency withdevelopment target of various scientific branches of engineering thermal physical ,we have predictedits possibledevelopment tendency.Key word：EngineeringThermalPhysics, development tendency1.工程热物理学科概述工程热物理学是一门研究能量以热的形式转化的规律及其应用的技术科学。
它研究各类热现象、热过程的在规律,并用以指导工程实践。
按其应用又可包括:能源利用、热机、流体机械、多相流动等。
工程热物理学有着自己的根本定律：热力学的第一定律和第二定律、Newton力学的定律、传热传质学的定律和化学动力学的定律。
在这些定律和反映其本质的根本方程的根底上，需要根据研究对象的不同特点，在特别设计的实验装置上进展多种细致、可靠的试验，以发现其特有的规律和根本特征，为设计提供理论依据和计算方法，并在工程实践加以应用、验证、不断完善。
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。
谈热传导的不稳定导热
谈热传导的不稳定导热作者：刘发财来源：《科学与财富》2012年第03期摘要：火电厂中，热动力设备在启动、停止或变工况过程中，设备壁面各处的温度都在变化，此时壁面的导热属于不稳定导热。
例如锅炉升炉时，炉墙、汽包壁温度逐渐升高，停炉时温度逐渐降低；又如汽轮机启动过程中，汽缸壁、法兰的温度逐渐升高，停机时温度逐渐降低，发生在这些情况下的壁面导热，都是不稳定导热。
关键词：热传导;不稳定;导热火电厂中，热动力设备在启动、停止或变工况过程中，设备壁面各处的温度都在变化，此时壁面的导热属于不稳定导热。
例如锅炉升炉时，炉墙、汽包壁温度逐渐升高，停炉时温度逐渐降低；又如汽轮机启动过程中，汽缸壁、法兰的温度逐渐升高，停机时温度逐渐降低，发生在这些情况下的壁面导热，都是不稳定导热。
1.不稳定导热的特点为了说明不稳定导热过程的特点，先举一个简单的例子。
一块处于环境温度下的平壁，平壁内温度均为环境温度t0。
，直径AD所示。
如果在某时刻，平壁左侧表面突然与一温度恒定为t1的高温表面紧密接触，右侧表面仍与环境空气接触。
这时，左侧壁面的温度很快升高，而平壁的其余部分仍维持环境温度t0。
随着时间的推移，靠近右侧表面的材料的温度逐渐依次升高，曲线HCD、HE、HF象征性地表示了壁面内部温度分布随时间推移的变化过程，最后达到稳定时，温度分布不再随时间变化。
上述过程中，在平壁右侧表面温度未升高之前的一段时间内，平壁右侧表面与环境空气间没有温差，因而无热交换，平壁左侧表面从恒温高温表面所摄取的热量全部蓄于自身之中。
只有当右侧表面温度升高后，才有热量从右侧表面传递给环境空气，也只有当右侧表面传递给环境空气的热量等于左侧表面从恒温高温表面摄取的热量时，平壁内部温度分布才保持稳定。
由此可见，不稳定导热过程与稳定导热过程的不同之处在于： (1)在不稳定导热过程中，随着热量传递，壁内各层的温度逐渐依次升高，不到一定时间，壁内某层的温度是不会升高的。
最新微尺度传热ppt
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
微通道流动沸腾研究综述
微通道流动沸腾研究综述孙帅杰 张程宾*东南大学能源与环境学院摘 要： 本文通过查阅相关文献， 分别从微通道的判别标准、 流型与换热机理、 流动沸腾的不稳定性、 临界热流密 度研究这几个方面阐述并分析了目前微通道流动沸腾的研究重点与研究现状。
发现目前关于微通道流动沸腾的 内在机理和工作特性的研究尚处在发展阶段，对于微通道内流动沸腾换热过程的实验现象的内在机理还存在争 议， 关于微通道的划分、 临界热流密度的判断标准等还没有普遍的共识， 仍然需要更多的研究工作来完善微通道 流动沸腾理论体系。
关键词： 微通道 流动沸腾 传热机理 临界热流密度Review on Flow Boiling in MicrochannelsSUN Shuaijie,ZHANG Chengbin*School of Energy and Environment,Southeast UniversityAbstract: In this paper,the relevant literatures on flow boiling in microchannels are reviewed.The criteria of microchannel,the flow pattern and heat transfer mechanism of flow boiling in microchannels,the instability of flow boiling and the critical heat flux density are discussed to analyze the research emphases and research status of flow boiling in microchannels.Much about the underlying mechanism and operating characteristics of flow boiling in microchannels is still unknown.The theoretical description on experimental flow boiling in microchannels remains unclear,and there is no general consensus on the criterion of microchannels and critical heat flux density.Therefore, more research work should be conducted to improve the theoretical basis of flow boiling in microchannels.Keywords:microchannel,flow boiling,heat transfer mechanism,critical heat flux density收稿日期： 2020123 通讯作者： 张程宾 （1983~）， 男， 博士， 副教授； 东南大学能源与环境学院 （210096）； Email:***************.cn 基金项目： 国家自然科学基金 （No.51776037）随着科学技术的进步和生产需要， 电子设备朝着 微型化和集中化方向发展， 物理尺寸的减小与元件功率的增加使电子设备的热流密度日益增高 [14]。
传热原理周期性不稳定传热
Ae Aef
if if , max
Aif
（2）从室外空间到平壁内部，温度波动的振幅
逐渐衰减。Ae Aef Aif — 温度波动的衰减
平壁的总衰减度
o
Ae Aif
（3）从室外空间到平壁内部，温度波动的相位 逐渐向后推延。
e ef if
Ae Aef
— 温度波动的相位延迟 Aif
平壁的总相位延迟 o if e
S
Aq Af
2c
Z
若Z=24h，S 24 2c 0.51 c
Z
物理意义：材料的蓄热系数说明了半无限大的物 体在谐波热作用下，表面对谐波热作用的敏感程 度。
在同样的谐波热作用下，蓄热系数越大， 表面温度波动越小；
2、材料层的热惰性系数 D 表征材料层受到波动热作用后，被波面上
温度波动剧烈程度的一个指标，也是说明材 料层抵抗温度波动能力的一个特性指标。
t
t
360
At cos(
)
Z
也可写成：t t
At cos( )
角速度 360 deg/ h
Z
若Z 24小时，则 15deg/ h
二、谐波热作用下的传热特征
（1） 室外温度 e Ae cos( e)
e e, max
e — 室外相对温度,C Ae — 室外温度波的振幅,C e — 室外温度波的初相位, deg
F1 F2 ... Fn
Rd
D RS
3、材料层表面的蓄热系数 Y
有限厚度的材料层受到周期波动的温度作用 时，其表面温度的波动不仅与材料层本身的热物 理性质有关，还与边界条件有关。
顺着温度波前进的方向，该材料接触的介质 的热物理性能和散热条件对材料表面的温度波动 有影响。
微通道中纳米流体流动沸腾换热性能研究
Ａｂｓｒ ｃ ： Ｉ ｒ ｅ ｏ ｉ ｖ ｓｉａｅ ｔ ｅ ｆｏ ｂ ｌｎ ｅ ｔｔａ ｓｅ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｆｎ ｎ ｌ ｉ ｓｉ ｉｒ ｈ ｎ ｅ ，ａ ｔａ ｔ ｎ ｏ ｄ ｒｔ ｎ ｅ ｔｇ ｈ ｗ ｏｉ ｇ ｈ ａ ｒ ｎ ｆｒｐ ｒｏ ｍ ｎ ｅｏ ａ ｏｆｕ ｄ ｎ ｍ ｃｏｃ ａ ｎ ｌ ｔ ｌ ｉ
ｓｍｕ ｔｎ ｏ ｓ ｍ ｅ ｓ ｒ ｍｅ ｔ ａ ｄ ｖ ｓ ａｉ ａｉ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｓ ｓｅ ｓ ｉ ｌａ ｅ ｕ ａ ｕ ｅ ｎ ｎ ｉｕ ｌ ｔ ｚ ｏｎ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌ ｙ ｔｍ ｗｅ ｅ ｓ ｔｕ ｒ ｅ ｐ．Ｔｈ ｎ ｎ ｆｕｄ ｗ ｉ ２ ３ ｅ ａ ｏ ｉ ｔ Ａ１０ ｌ ｈ
ｓｎ ｌ ｒ ｃａ ｇ ｌｒ ｉｉｏ ｍｉ ｒ ｃ ａ ｎ ｌ ｉ ｇｅ ｅ ｔ ｕ ａ ｓｌｃ ｎ ｎ ｃ ｏ ｈ ｎ ｅ ｗｉｈ ｈ ｈ ｄ ａ ｌｃ ｔ ｔ ｅ ｙ ｒ ｕ ｉ ｄｉｍｅｅ ｏ １ ３Ｂ ａ ｔｒ ｆ ４ ｍ ｗａ ｄ ｓｇ ｄ ａ ｄ ｈ ｓ ｅ ｉｎｅ ， ｎ ｔ ｅ
随着微 电子工业和 ｌ￣ Ｖ ＭＳ技术 的发展 ， Ｉ 微尺度沸腾传热在 高热 流密度 芯片热控制方面 的优 势引发 了 研究热潮 ，流 动沸腾不稳 定性是在微通道 内出现 的复杂现 象，沸腾不稳定性不仅 给热系统带来不均匀 的 热应力 ，而且 导致 系统 内的机械振动 、降低传热性能等不 良后果【一 ５１ ，。目前 对于抑 制沸腾不稳定性 的研究 主要集 中在单 一工质 ，混合 工质对沸腾不稳 定性 的影响还少有报道 。纳米流体换 热的研究也 以单相和池 沸腾为主 。宣益 明等【 】 究表 明纳米流体能强化单相时 的对流换热 ；Ｂ ｎ ７ 的研 ’ ８ ａｇ等【对 Ａ ２ ３ Ｊ 纳米流体池 程
微通道内纳米流体传热流动特性
微通道内纳米流体传热流动特性目录一、内容描述 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状 (4)3. 研究内容与方法 (5)二、微通道内纳米流体传热理论基础 (6)1. 纳米流体概述 (8)1.1 定义与特性 (8)1.2 纳米流体的制备与性质 (9)2. 微通道传热理论基础 (11)2.1 微通道概念及优势 (12)2.2 传热基本理论 (13)三、微通道内纳米流体流动特性研究 (15)1. 纳米流体流动性质 (16)1.1 粘度特性 (16)1.2 流动性及流动阻力 (17)2. 微通道内纳米流体流动行为分析 (18)2.1 流动模式 (19)2.2 流动特性影响因素研究 (20)四、微通道内纳米流体传热特性研究 (22)1. 纳米流体传热性质 (23)1.1 导热系数 (24)1.2 热扩散系数 (24)2. 微通道内纳米流体传热行为分析 (25)2.1 传热模型建立 (26)2.2 传热性能影响因素研究 (27)五、微通道内纳米流体传热流动特性实验研究 (28)1. 实验系统搭建 (30)1.1 实验装置介绍 (31)1.2 实验操作流程 (32)2. 实验结果分析 (33)2.1 实验数据记录与处理 (34)2.2 实验结果讨论 (35)六、微通道内纳米流体传热流动特性数值模拟研究 (35)一、内容描述本篇论文深入探讨了微通道内纳米流体的传热流动特性，旨在揭示纳米尺度下流体与壁面之间的相互作用机制及其对传热效率的影响。
通过采用先进的实验技术和数值模拟方法，本研究对不同纳米颗粒尺寸、形状以及添加剂的纳米流体在微通道中的对流换热和热传导过程进行了系统的研究。
论文首先介绍了纳米流体的基本概念和特性，以及微通道在热传递领域的应用背景。
通过实验观察和数值模拟，详细分析了纳米颗粒尺寸和形状对流体对流换热系数的影响，揭示了纳米颗粒表面效应和颗粒间的相互作用对传热过程的作用机理。
论文还探讨了添加剂对纳米流体传热性能的改善作用，特别是表面活性剂和金属纳米颗粒对对流换热和热传导的显著增强效果。
微尺度对流传热
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。
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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。
并联矩形微槽道在高热流密度下的静态不稳定现象
第一作者姓名：周继军.
和运行所非常关心的问题。其中静态不稳定性的特点可以从两相流流道的压降-流量特性曲线 看出。不稳定性起始点（OFI）是单相液体流量的最低点，一旦流量低于 OFI 点，流量就会在 单 相 液 体 流 和 两 相 流 之 间 发 生 偏 移 ， 所 以 这 种 不 稳 定 性 也 称 为 流 量 偏 移 (flow rate excursions)。微槽道中的 OFI(onset of flow instability)的出现是由于槽道中空泡率的增 加，导致了压降的增加。对于常规槽道， OFI 点总是发生在流量稍低于 OSV （ onset of significant void）点的位置。 常规槽道的 ONB（onset nucleate boiling）和 OSV，许多学者进行了大量的研究，也有许多 [6] 成功的经验公式和理论模型，比如关于 ONB 的 Mcadam-Bowring 模型和 Hsu 模型 ，关于充分 [6] 发展气泡点的 Griffith 统计模型和 Levy 模型以及 Saha-Zuber 模型。但是，当槽道尺寸小 于临界当量直径
[10] [6]
在梯形截面的并行硅微通道中，进行了水沸腾流动的实验研究，两组并行
微通道的当量直径分别为 158.8μ m 和 82.8μ m，研究结果表明：沸腾一旦产生，两相流和单 相流交替出现，其结果导致了温度、压力、质量流速随时间做大幅度/长周期的脉动， 文献
[11]
针对单微通道在高热流密度条件下，当贮液容器内的温度保持在 100℃时，发现了
STATIC FLOW INSTABILITY OF A PARALLEL MICROCHANNEL HEAT SINK HEATFLUXES
Jijun Zhou,
微尺度间距平行平板间的流动稳定性问题
微尺度间距平行平板间的流动稳定性问题摘要微尺度间距平行平板间的流动是一种重要的微观流动，它在实际应用中具有广泛的应用，如微流控芯片、热管理系统和润滑控制系统等。
尽管这种微观流动已经吸引了广泛的研究，但是其流动稳定性问题目前仍然不是确定的。
本文将从微尺度间距平行平板间的流动稳定性问题出发，对该问题的相关研究进展作出一个概述，并总结和归纳已有研究成果。
我们发现，尽管在这个研究领域已经有很多工作，但是仍然有许多问题需要进一步研究和解决。
简介在微尺度间距平行平板间，流体的粘性效应非常强烈，流体微观结构将直接影响流动特性。
在这种情况下，流体的流动稳定性成为了一个重要的问题。
流动稳定性问题已经成为了微观流动和微尺度流体力学研究领域的一个重要问题。
已有研究表明，在微尺度间距平行平板间的流动中，流动的稳定性往往比其他微观尺度下的流动更为复杂。
这是由于微尺度流动中流体对壁面的作用力更为显著，同时微观流动的因素也会对流动稳定性产生很大的影响。
研究进展研究人员已经对微尺度间距平行平板间的流动稳定性问题进行了广泛的研究。
在过去的几十年中，不断有新的方法和理论被提出，以解决这个问题。
下面将分别从实验和数值模拟两方面介绍其研究进展。
实验研究实验领域中，一种流行的研究方法是使用微型通道进行流动实验。
这种方法可以直接观察流体流动形态，并对流动稳定性问题进行分析。
例如，2011年，Liu等人在微型通道实验中发现，尽管表面微凸起纹理的高度仅为1~2微米，但对流动稳定性的影响可以达到48% 。
这一结果表明，微观结构因素对微尺度间距平行平板间流动的稳定性具有显著影响。
数值模拟数值模拟方法已成为了微观流体力学领域中解决流动稳定性问题的主流手段。
目前广泛应用的流体计算方法有热力学模型、分子动力学模型、连续介质模型等。
热力学模型是应用最为广泛的数值计算方法。
用于解决微流通道内的稳态和非稳态流动，并可以预测墙面粗糙度对流动稳定性的影响。
例如，Bian 和 Liu 提出了一种多重网格方法，用于计算微型圆柱周围的流动。
微观尺度下物质的相变现象
微观尺度下物质的相变现象物质的相变是指物质在温度、压力、成分等条件不同的情况下，从一种状态转变为另一种状态。
在微观尺度下，这种状态转变的过程是由分子、原子等微观粒子的运动和相互作用所引起的。
相变可以分为两种：一种是固体、液体、气体间的相变，还有一种是同一种物质的不同形态间的相变，比如水的冰、液态和水蒸汽三种形态之间的相互转化。
固体到液体的相变最常见的固液相变现象是熔化。
熔化是指物体的温度提高到一定程度时，物体的结构发生变化，从固体变成液体。
在微观尺度下，固体的分子或原子的运动是受限的，无法自由运动，如冰的分子排列有规律，固定在一定位置上。
分子或原子间通过键结合在一起，结构比较稳定。
当温度升高，分子或原子的热运动变得更加剧烈，这样就会破坏原有的键，使分子或原子逐渐远离彼此，运动范围变大，当温度达到某一临界温度时，分子或原子离开原来的位置，分散到空间的各个角落，形成新的液态结构，这就是固体和液体间的相变。
液体到气体的相变液体到气体的相变称为沸腾。
相比较熔化，沸腾是液体中局部分子的热运动超过了液体表面对外界的压力，造成了液体内部气泡形成，使液体表面出现气泡爆裂，从而扩大了气体与液体的界面，从而产生大量的气体。
在微观尺度下，液体中分子的热运动已经非常剧烈，但由于液体分子彼此之间的距离较近，分子之间微小的吸引力和表面张力使液面保持紧密和平整。
当分子的热运动达到一定强度和快速度时，它们不受约束地逃跑，进入气相，从而产生气泡。
气体到液体的相变气体转变为液体的相变称为液化，也称为凝结。
在微观尺度下，凝结是固体化的逆过程，当气体分子受到外界作用减缓热运动时，分子之间的相互吸引力变得更加强烈，使得分子之间的距离逐渐缩小，当分子间距减小到一定范围时，分子之间的吸引作用使它们聚集起来，产生大量的微滴，形成液体。
在气硕士态下，温度下降或压强的增加可以促使气体凝结，微观上某些气体分子由于热运动较强，它们可能需要经历长时间才能达到足够的互相接触并黏附在一起形成微滴，但当温度降低到一定程度时，许多气体分子转换成液滴是迅速的。
微尺度流动沸腾不稳定性的控制策略
微尺度流动沸腾不稳定性的控制策略余同谱;徐进良;刘国华【期刊名称】《安徽工业大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(033)004【摘要】微尺度流动沸腾不稳定性是发生在换热微通道内的一种复杂现象,其不稳性流动与传热给热控对象带来有害振动,使局部热力过程发生变化,导致传热恶化,产生不均匀的热应力,造成设备疲劳损坏.因此,如何有效抑制此类不稳定性的发生,以提高相变传热效率十分重要.针对目前国内外学者提出的沸腾不稳定性控制策略进行论述,这些策略大致可以分为主动式与被动式两大类.主动控制方法包括加种子汽泡、注入空气、用纳米流体三类;被动控制方法包括做入口节流装置、人工核化穴、用拓展通道等.文中对每种方法的原理、技术手段及其性能与优缺点等进行深入细致的阐述、对比与讨论,并对其未来的发展趋势作了展望.论述内容对微通道相变换热系统的设计、控制及运行有重要指导意义.【总页数】11页(P332-342)【作者】余同谱;徐进良;刘国华【作者单位】安徽工业大学能源与环境学院,安徽马鞍山243002;华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京102206;安徽工业大学能源与环境学院,安徽马鞍山243002【正文语种】中文【中图分类】TK124【相关文献】1.微通道内流动沸腾不稳定性影响因素实验研究 [J], 宗露香;徐进良;刘国华2.流动沸腾不稳定性对加热膜上微汽泡的影响 [J], 李倩;刘国华;徐进良;张伟3.低高宽比微通道中的流动沸腾不稳定性 [J], 张炳雷;徐进良;肖泽军4.脉冲加热下微尺度表面流动沸腾 [J], 陈钢;全晓军;郑平5.脉冲宽度及质量流量对微尺度流动沸腾的影响 [J], 陈钢;全晓军;郑平因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
物的不稳定状态
物的不稳定状态一、自然界中的不稳定状态在自然界中，有许多物体表现出不稳定状态。
例如，地震是地球地壳内部能量释放的结果，地壳的不稳定状态导致了地震的发生。
此外，火山喷发也是由于地壳内部岩浆的不稳定状态而引起的。
这些自然现象都是地球内部能量重新分布的表现，显示了物体不稳定状态的特点。
二、物质相变过程中的不稳定状态物质在相变过程中也会表现出不稳定状态。
例如，当水受热转变为水蒸气时，会经历一个不稳定的过程。
水分子在受热后会增加动能，从而使水分子之间的相互作用减弱，水的分子结构变得不稳定。
当水温达到沸点时，水分子会迅速脱离液体相，形成气体状态的水蒸气。
这个相变过程中的不稳定状态是由于温度和压力的影响，使得水分子能够克服分子间相互作用而转变为气体。
三、机械系统中的不稳定状态在机械系统中，物体的不稳定状态也是一个重要的研究领域。
例如，平衡杆的不稳定状态是指杆子无法保持平衡的状态。
当平衡杆稍微偏离平衡位置时，由于重力的作用，杆子会继续倾斜，直到达到一个新的平衡位置。
这种不稳定状态的特点使得平衡杆在一些应用中具有重要的作用，例如自动控制系统中的稳定性分析。
四、化学反应中的不稳定状态化学反应中的不稳定状态是指反应物和产物之间的能量差异导致了反应的发生。
例如，火柴点燃时，火柴头的摩擦产生了足够的能量来点燃火柴的化学物质。
这种不稳定状态的特点使得火柴能够在合适的条件下迅速燃烧。
五、生物体内的不稳定状态在生物体内，许多生物过程也表现出不稳定状态。
例如，人体的温度调节机制使得体温保持在一个相对稳定的范围内。
当人体受到外界温度变化的影响时，体温会发生相应的调节，以保持稳定。
这种不稳定状态的特点使得生物体能够适应不同的环境条件。
物的不稳定状态在自然界和人造系统中都有广泛的应用和研究价值。
通过对物的不稳定状态的研究，可以更好地理解和应用这些现象，推动科学技术的进步。
同时，我们也应该认识到不稳定状态可能带来的风险和挑战，采取相应的措施来保证安全和稳定。
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收稿日期
2006- 12- 05
修订稿日期 2006- 12- 26
基金项目 : 上海水产大学博士基金启动项目 ( 6690205029) 作者简介 : 周继军 ( 1966~ ) 男 , 汉族 , 上海人 , 讲师 , 博士 , 从事微 尺度流动与传热的研究。
十微米的数量级 , 因而失去进行微流体研究的意义 , 所以建议采用硅基微通道蚀刻加工方法及工艺。然 而对于微尺度相变传热, 其主要影响因素是表面张 力, 对于水在微尺度下 的相变传热 , 当水力直 径在 500 m 以下时 , 表面张力的作用已非常明显 , 微尺度 效应也非常显著。 本文工作是整个微尺度相变传热研究 的一部 分, 实验从单微通道相变传热的研究开始, 依次进行 多通道相变传热 , 并进行了光学可视化测量的研究。 本文报导去离子水在内径500 m, 总长 90 mm, 有效 加热段长度为45 mm 微通道内的相变传热。以上实 验段尺寸是微尺度相变换热器中可能遇到并极其感 兴趣的尺寸。其内壁热流密度已高达200 W/ cm2 。 贮 液容器内液体的温度跨越室温到 100 ! 的范围。在 这个宽广的实验运行条件下, 发现了微通道中的流 动不稳定流现象 : 长周期 / 大幅度液体/ 两相间歇流。 结合正在进行的多通道微尺度相变传热研究, 发现 似乎所有的沸腾工况都存在着脉动现象 , 作者认为 , 脉动流动可能是微尺度相变传 热中具有共性 的问 题。当然, 这个结论还有待于从数学上进行严密的 论证。
1
实验装置及系统
本实验装置 系统如图 1 所示。主 要由供液 系
统, 实验段模块, 传感器及数据采集系统, 冷凝液计 量系统等组成。高压氮气作为压力源, 经减压阀和 精密调压阀精确控制液体容器的压力。由于连接管 的内截面积是实验段内截面积的 64 倍 , 而实验段工 质经冷凝后直接排放到处于大 气压力下的收 集容 器, 因而实验系统中所有的压差几乎全部消耗在微
区段的质量流速增大, 而两相流区段的质量流速减 小。随着热流密度的增加, 完成一个完整周期的时 间 T full 变长。 在这个完整周期 T full 中包含单相区段 的时间 T SP 和两相区段的时间 TTP , 而随着内壁热流 密度的增加 , 两相区段的时间 TTP 占整个周期 T full 的份额大大加大。 也就是说, 在这种长周期 / 大幅度 脉动流中 , 液体流动的时间相对较短, 而两相流动的 时间相对较长。
图 1 实验系统图
∃ 20 ∃图2实验段结构图 Nhomakorabea2
长周期/ 大幅度液体/ 两相间歇流
实验发现, 当贮 液容 器内 液体 的温 度 控制 在
来回切换。 一个完整周期 T full 包含液体流动时间 T SP 及两相流动时间 T TP。 T full = T SP + TTP ( 1)
100 ! 时, 系统发生一种长周期 / 大幅度液体/ 两相间 歇流。图 3 表示一典型瞬变工况, 实验段压差控制 在40 kPa, 内壁 热负 荷 恒定 在 60. 5 W/ cm2 。 由图可 见, 压差 !p , 进出口温度 T in , T out, 内壁温度 T w 及通 道质量流速 G 作非常有规律的脉动。 其脉动曲线的 形状分别为 : 压差在系统从两相切换成单相时产生 尖的脉冲, 入口温度 T in 为三角形, 内壁温为梯形 , 质量流速为矩形。 考察一个典型的周期 , 包含 t = tA 到 t = tB , 再从 t = tB 到 t = tC , 其物理过程描述如 下。 2. 1 液体流动 在一个完整的周期内 , 包含液体流动和汽液两 相流动两个时间区段 , t = tA 到 t = tB 为液体区段。 在这个时间段内, 由于系统从上个周期的两相流动 突然切换到本周期的单相流动, 压差信号在 t = tA 时产生一个尖的正脉冲 , 紧接着一个负脉冲并开始 逐渐恢复到正常值。 工质出口温度 T out 从 t = tA 开 始急速下降, 然后稳定在一个水平值, 紧接着上升直 到 t = tB 。 入口温度 T in 从 t = tA 开始几乎呈线性上 升。 内壁温 T w 随时间的变化规律与出口温度的变化 形状类似 , 呈梯形。 在液体流动区段, 质量流速维持 在一个高的数值。 2. 2 两相流动 t = tB 到 t = tC 这个时间段为两相流动 , 压力、 差压没有明显变化。 出口温度 T out 维持在一个水平 值, 为 101 ! ( 实验段出口对应压力下的饱和温度 ) , 入口温度 T in 从 t = tB 到 t = tC 呈线性下降, 壁温急 剧上升并维持在一个高的水平值, 质量流速在两相 流区段维持在一个较低的值。 从图 3 可以看出 , 大部分参数作大幅度脉动, 如 T in 脉动范围在 72 ~ 87 ! 之间, 内壁温的脉动范围 为 128 ~ 139 ! , 而质量流速在 472 ~ 2 855 kg/ m s 间
The Instability Phenomena of Flow Boiling in Micro- tube
ZHOU Ji- jun , SHI Wei , GAN Yun- hua ( 1. Department of Thermal Energy and Power Engineering of SHFU, Shanghai 200090, China; 2. Laboratory of Micro- Energy System, GIEC, Guangzhou 510640, China) Abstract: A type of long period/ large amplitude liquid/ two- phase alternative flow was ident ified with the mi cro- tube at high heat fluxes. The oscillation flow is occured near the liquid saturation temperature of the 100 ! water source tank, and shows the large amplitude oscillations of pressure drop, mass flux, inlet and outlet temperatures and wall temperatures with long time period. Liquid flow and two - phase flow appear in the micro- tube alternatively. It is confirmed that such type of oscillation flow is caused by the feedback con trol of the mass flux and the inlet liquid temperature of the micro- tube. Key words: micro- tube; oscillation time period; oscillat ion amplitude; alternative flow 由于新材料与制造技术的迅速发展, 近年来装 置的微小型化已经成为当前国 际上的一个研 究热 点。特别是随着高性能计算机、 半导体激光器、 大规 模及超大规模集成电路的研制 , 使得元件的发热量 及单位面积上的热流密度大大增加 , 如金属氧化物 闸流管的热流密度已高达 100~ 200 W/ cm , 半导体
第 25 卷, 总第 141 期 2007 年 1 月 , 第 1 期
节 能 技 术 ENERGY CONSERVAT ION TECHNOLOGY
Vol. 25, Sum. No. 141 Jan. 2007, No. 1
微尺度相变传热中的不稳定现象
周继军1, 2 , 施 伟 1, 甘云华2 200090; 广州 510640) ( 1. 上海水产大学 热能与动力工程系 , 上海
2. 中国科学院广州能源研究所 微能源系统实验室 , 广东
摘 要 : 实验发现了微通道在高热流密度下会发生一种长周期 / 大幅度液体 / 两相间歇流 。它 发生在贮液容器内的液体处于近乎饱和温度的条件下, 表现出实验段压差, 质量流速 , 通道进出口 温度及壁温作有规律的长周期及大幅度脉动 。通道内随时间发生液体和两相流的间歇流动 , 实验 证实该类流动是由于通道内质量流速与入口温度间的负反馈效应引起的。 关键词 : 微通道 ; 脉动周期 ; 脉动幅度 ; 间歇流 中图分类号 : TK0; O35 文献标识码: A 文章编号 : 1002- 6339 ( 2007) 01- 0019- 04
2 1, 2 1 2
激光器的热流密度甚至高达 500 W/ cm2∀1# 。 这些器件 工作性能的好坏很大程度上取决于它们散热性能的 好坏 , 因而微尺度相变传热技术在近年来得到越来 越广泛的关注。微尺度相变传热涉及到微空间内的 沸腾起始点、 压降、 传热系数、 流型、 临界热流密度等 诸多问题, 综述性论文见文献∀2, 3, 4, 5#。 微尺度单相流与微尺度两相流 , 在微尺度的概 念上是不大相同的。对于单相流 , 就作者所知, 其特 殊现象, 如 层流到紊流的转换 雷诺数、 界面滑移现 象、 电双层效应等一般要在水力直径 100 m 以下才 能显现出来, 常规机械加工的方法因加工精度在数 ∃ 19 ∃
本文进行了实验段压差分别为 20, 40 及60 kPa, 内壁热流密度从30 W/ cm2 变化到 90 W/ cm 2。 压差及 热流密度对长周期 / 大幅度液体 / 两相间歇流的影响 表示在图 4 上。在图 4 中的曲线按 3 个压差分为三 组 , 压差越高 , 可以运行的热流密度的范围也越大。 由图可见 , 单相流区段的质量流速要明显高于两相 流区段的质量流速。随着热流密度的增加 , 单相流 ∃ 21 ∃
通道上。液体容器内的 液体温度由温 度控制单元 ( 温控仪 XMT - 900) 精密调节, 其控制精度在 % 1 ! 。 液体容器内的液体在氮气压力的驱动下 , 顺序流过 调节阀, 2 微米过滤器进入实验 段。被实验段加热 的高焓工质经过冷凝器冷却后成为液体 , 被玻璃收 集容器收集。其重量随时间的变化可用于计算流过 实验段的质量流速。所有压力, 差压 , 流体及壁面温 度信号都接入 Agilent34970A 高速数据采集系统, 采 集系统与计算机相连, 在屏幕上实时显示、 诊断及存 储动态数据。 实验段结构如图 2 所示。主体由总 长 90 mm, 内径500 m, 外径 1. 6 mm的进口高质量不锈钢管( 美 国 Swagelok 公司) 制成, 材料为 1Cr18Ni9T i, 其有效加 热段长度为 45 mm 。 将铝在高温下熔化 并与不锈钢 管浇铸成为一个整体 , 因而不锈钢管与铝块之间的 接触热阻很小 , 可忽略不计。浇铸后的实验件经加 工后形 成一个外径 20 mm 的圆柱体。热负荷由紧 密 缠 绕 在 圆 柱 体 的 外 表 面 的 直 径 为 0. 4 mm ( 12 / m) 的 Ni- Cr 加热线提供 , 形成定热流密度的 边界条件。外敷绝热材料保温减少热量损失。热电 偶在实验件上的布置也如图 2 所示。不锈钢管与主 连接管之间采取适配器与之相连。实验段进出口布 置热电 偶 ( K 型 ) , 压 力传 感 器 ( Setra system Model 206) 及差压传感器 ( DP1300- DP55E22M4D1) 等。 实验过程如下: 开启氮气压力调节系统及温度 控制单元 , 使贮液容器中的液体处于给定的压力和 温度, 然后开启实验段入口调节阀, 建立微通道内的 流动。然后由功率调节系统 ( 数 字功率计 YF9901) 对实验段施加电压 , 以获得内壁给定的热流密度。