微尺度换热与流动研究进展陶文铨共63页PPT资料
传热学PPT学习课件PPT教案
气膜冷 却
气膜冷却基本原理是：从高温环境的 壁面上 的孔向 主流引 入二次 气流（ 冷却工 质或射 流）， 这股冷 气流在 主流的 压力和 摩擦力 作用下 向下游 弯曲， 附着在 壁面一 定区域 上，形 成温度 较低的 冷气膜 将壁面 同高温 燃气隔 离，并 带走部 分高温 燃气， 从而对 壁面起 到良好 的冷却 保护作 用。
空气 0.026 W (m C ) （20 C）
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(6) 一维稳态导热及其导热热阻 如图所示，稳态 q = const，于是积分Fourier定
律有：
q Φ dt
A
dx
定积分
W m 2
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
q dx tw2 dt q tw1 tw2 0
。 解：参见前图及一维稳态导热公式有：
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铜：
q tw1 tw2 375 300 100 1.5106 W m2
0.05
钢： q tw1 tw2 36.4Im 300N a 10o 0g 1e .46105 W m2
0.05
铬砖 ：
q tw1 tw2 2.32 300 100 9.28103 W m2
—— 当流体与壁面温度相差1度时、每单位壁面面积上、单 位时间内所传递的热量。表征对流传热过程强弱的物理量
影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等 强调：表面传热系数与导热系数的区别 a) 单位上的区别 [W/( m K)]～ [W/( m2 K)] b) 表面传热系数不是一个物性参数，它不仅取决于流体
文字表述：在导热现象中， 单位时间内通过给定截面的 热流量，正比于该截面方向 上的温度变化率和截面面积 ，而热量传递的方向则与温 度升高的方向相反。
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。
传热学第四版 杨世铭 陶文铨 第五章2
0(1)、0()表示数量级为1和 ，
0 y ：
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1>> 。“~” — 相当于
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R
青岛科技大学热能与动力工程
对流换热微分方程组的简化
二维、稳态、无内热源、层流、忽略体积力
u v x y 0 u u p 2u 2u u （ u v ) Fx ( 2 2 ) x y x x y 2 2 v v v p v v （ u v ) Fy ( 2 2 ) x y y x y 2 2 t t t t t c ( u v ) ( 2) p 2 x y x y
表明：此情况下动量传递与热量传递规律相似 特别地：对于 = a 的流体（Pr=1），速度场与无量纲 温度场将完全相同 并且 =t
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R
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对于平板dp/dx = 0，解出温度场后可得层流条件下的表面传 热系数为
记 Pr = /a，为普朗特数，有
/a是动量扩散与热扩散能力之比
由于粘性作用，流体 流速在靠近壁面处随 离壁面的距离的减小 而逐渐降低；在贴壁 处被滞止，处于无滑 移状态
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从 y=0、u=0 开始，u 随着 y 方向 离壁面距离的增加而迅速增大；经 过厚度为 的薄层，u 接近主流速 度 u
y = 薄层 —— 流动边界层 或 速度边界层
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R
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三、边界层换热微分方程组
边界层概念的引入可使换热微分方程组得以简化 数量级分析：比较方程中各量或各项的量级的相对大小；保留 量级较大的量或项；舍去那些量级小的项，方程大大简化 5个基本量的数量级： 主流速度： 温度： 壁面特征长度： 边界层厚度： x 与 l 相当：
微流动与传热研究
1、流型
表征着两相系统中的流动结构，它受力学 因素所制约。但反过来极大地影响传热， 两相系统中的压降、传热系数、CI-IF等均 两相系统中的压降、传热系数、CI-IF等均 与流型息息相关。对于大通道中的流型已 进行了深入的实验及理论研究，但对于直 径在2mm以下的毛细管及更小尺寸的微通 径在2mm以下的毛细管及更小尺寸的微通 道中的流型研究相当少 随着当量直径的减小，表面张力的作用越 来越显著，从而导致了流型出现一些新的 特点。然而，到目前为止，在受热通道中 两相流流型的研究方面却非常少。
国内外研究现状
1、单相流体的流动与传热特性 2、流体相变的流动与传热特性 （1、流型 2、压降 3、传热 系数）
单相流体的流动与传热特性
对于充分发展的紊流(Re>10000)： 对于充分发展的紊流(Re>10000)： Nu=0.023Re0.8Pr0.4 对于充分发展的层流(Re<2200)： 对于充分发展的层流(Re<2200)： Nu=1.86(RePr)0.33(d/L)0.33(µf/µw)0.14 对于过渡区域(Re=2200到10000)： 对于过渡区域(Re=2200到10000)： Nu=0.116(Re2/3-125)Pr1/3(1+(d／ (1+(d／ L))2/3(µf/µw)0.14 其中d为管径，L为管长度，u 其中d为管径，L为管长度，uf为流体粘度
2、压降
压降对于微换热器的设计具有重要意义，它决定 了液体循环系统所需的压头。减小通道的尺寸可 以获得很高的传热系数，但与此同时却使得压降 增加、压力脉动增大。对于大通道中的两相压降， 采用现有的模型或关联式来进行预测，其误差为 ±30％左右。而将其用于微通道时，其误差则更 30％左右。而将其用于微通道时，其误差则更 大。由于两相流的复杂性及考虑到工业应用的方 便，通常采用半理论的关联式来对两相压降进行 估计。这些关联式的共同特点是所有的变量均采 用其时均值，假设总压降由摩擦压降、加速压降 和重位压降三部分组成，并将两相压降表示成单 相摩擦压降与两相倍率乘积的形式。从而将两相 压降的问题转化为确定两相倍率的问题
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
传热学杨世铭陶文铨第七章相变对流传热资料
Reqlr
g(l v)
Prl
C pll l
g — 重力加速度 l —饱和液体的动力粘度 Cwl — 取决于加热表面－液体
组合情况的经验常数(表6) q — 沸腾传热的热流密度
s — 经验指数，水s = 1,否则，s=1.7
上式可以改写为：
qlrg(lv)12CC wprl P l tlsr3
可见， q ~ t3 ，因此，尽管有时上述计算公式得到的
为此，书中分别推荐了两个计算式 （1）对于水的大容器饱和核态沸腾，教材推荐适用米海
耶夫公式，压力范围：105～4106 Pa
hC1t2.33 p0.5 C 1 0 .1W 2(m 2 N 0 .5K 3 .3)3
按 q ht hC2q0.7p0.15
C 2 0 .5W 3 0 .33 (m 0 .3N 0 .15 K )
7. 凝结表面的几何形状
❖ 强化凝结换热的原则是 尽量减薄粘滞在换热表 面上的液膜的厚度。
❖ 可用各种带有尖峰 的表面使在其上冷 凝的液膜拉薄，或 者使已凝结的液体 尽快从换热表面上 排泄掉。
膜状凝结的强化原则和技术
1基本原则
2强化技术
§7-4 沸腾换热现象
1 生活中的例子 • 蒸汽锅炉
• 做饭 • 许多其它的工业过程
假定：1）常物性；2）蒸气静止；3）液膜的惯性力忽略； 4）气液界面上无温差，即液膜温度等于饱和温度；5）膜 内温度线性分布，即热量转移只有导热；6）液膜的过冷度 忽略； 7）忽略蒸汽密度；8）液膜表面平整无波动
tw ts g
m( x)
微元控制体
边界层微分方程组：
x
t(y)
Thermal boundary layers
数值传热学第四章课件陶文铨
主讲陶文铨西安交通大学能源与动力工程学院热流中心CFD-NHT-EHT CENTER 2010年9月27日, 西安数值传热学第四章扩散方程的数值解及其应用(1)4.1 一维导热问题4.1.1一维稳态导热的通用控制方程4.1.3界面导热系数的确定方法4.1.4 一维非稳态导热控制方程的离散化4.1.2通用控制方程控制容积积分法的离散4.1.5 数学上的稳定未必导致物理上有意义的解一维稳态导热问题不同坐标系通用控制方程0 P P()0P x x Δ=i调和平均已经广泛为国内外学术界所接受。
≤1数学上的稳定未必导致物理上有意义的解无内热源一维非稳态导热，初场均匀，两表面0]T +代入下式：P（全隐格式）才能满足。
结论：数学上的稳定未必导致物理上有意义的解；推=xΔa TP P极坐标均可以表示成为：2.解决通用化的一种方案为写出适合于三种坐标系中系数的通用表达式，特引进两个辅助变量：（1）x –方向标尺因子，scaling factor ，x-方向的距离表示成为sx x δi 。
对直角、圆柱坐标规定1;sx ≡（2）y-方向引入一个名义半径，R 。
对直角坐标R ＝1，据此，东西导热距离为：sx xδi 东西导热面积为：R /y sxΔ对极坐标取;sx r =对圆柱与极坐标R ＝r三种二维正交坐标系中离散方程的统一表达式按这种方式编制程序时，只要设置一个变量MODE，4.3 源项与边界条件的处理4.3.1非常数源项的线性化处理1. 线性化方法4.3.2第二、三类边界条件使方程组封闭的处理2. 线性化方法讨论3. 线性化方法应用实例1. 补充以边界节点代数方程的方法2. 附加源项法S= P2. 线性化方法讨论（1）对与被求解变量有关的非常数源项，线性化比假定为常数更合理：用*()PS f T =来表示P 的源项比落后一个迭代步；P C P T S S S =+（2）任何复杂的函数总可以用线性函数来近似逼近；线性又是建立线性代数方程所必须的；（3）是为保证代数方程迭代求解收敛所必须；0P S ≤P P nb nb a a b φφ=+∑P nb a a ≥∑P nb P a a S V =−Δ∑代数方程迭代求解收敛的充分条件是，因为可以确保代数方程迭代求解收敛。
传热学陶文铨PPT学习教案
汽轮机实际输出功
1
wnet ' h1 h2'
wne
汽轮机的ex损失
t’
汽机 wnet wnet ' T0 (s2' s1)
2’
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冷凝器的Ex分析
T
1’’1’
1
5
2’
3
4’
4
3
2 2’
s
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冷凝器的Ex分析
汽轮机最大可能作功
wnet exh1 exh2' (h1 h2' ) T0 (s1 s2' )
3
2
2’
(h1 h2 )
(h1 h3 ) /tu
B
oi
(h1 (h1
h2 ) h3 )
B
oi
tu
t
h1 h2 h1 h3
s t B oi tu
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整个电厂热效率
电厂
收益＝ 电功 ＝ wg 代价 燃料热量 qf
电机wM
qf
T 5
1’’1’ 1
机械 wnet
qf
电机
t B oi tu 机械 电机
3
2
1 1kg
a2
αkg
6
3
5
4
(1-α)kg
s 由于T-s图上各点质 量不同，面积不再 1kg
直接代表热和功
5
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a kg (1- )kg
4
抽汽回热循环的抽汽量
T
1kg 6 kg 4 5 (1- )kg
3
计算
1
以混合式回热器为例
热一律
a
ha 1 h4 1 h5
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！
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有关微细尺度传热问题的研究进展1
有关微细尺度传热问题的研究进展1有关微细尺度传热问题的研究进展余益松(常州大学石油工程学院常州213002)摘要：随着科技的进步，以及技术应用的需求，工程学在微观领域取得了长足的发展。
一方面器件的特征尺度越来越小，已经从微米量级向亚微米量级发展。
另一方面器件的集成度也不断增大。
高的集成度不仅对技术要求提出了挑战，而且可以想象，如此多的集成元件会使热流密度很大。
这样的矛盾充分体现在高密度的微电子领域。
如此多的热量如何能够快速的传递的出去，以保证机械的正常运转。
这给工程师们造成了很大的困扰。
微细尺度传热问题便是在这种背景下发展起来的。
无论是在国内还是在国外，这个问题已经成为制约微型电子机械系统发展的一大障碍。
工业、国防、航空、航海、医学、生物工程以及农业的“微型化”发展，迫切需要解决散热这一基础性的问题。
为此国内外的许多学者对这方面做了很多的研究工作，但经过三四十年的发展其所取得的成果依然很少，甚至不同的学者对这一问题持有相反的观点。
至今对这一问题仍然没有形成一个统一的认识。
本文通过简要的介绍微尺度传热问题的由来、特点、内部机理、所遇到的问题、发展前景及其所涉及主要的研究方向，使读者对这一问题有一个初步的认识和了解。
关键词：特征尺度；集成；微细尺度；散热；传递Research progress of the micro-scale heat transfer problems Yu yisong（Changzhou University of Petroleum Engineering, Changzhou, 213002, China;）Abstract：With the advancement of technology, and technology applications demand, the engineering has made considerable development in the microscopic field. On the one hand, the characteristic scale of the device is getting smaller andsmaller, from microns to submicron development. The other hand, the device integration is also increasing. The high degree of integration is not only a challenge on the technical requirements, but you can imagine, so many integrated components cause the heat flux. This fully reflects the contradictions in the field of high-density microelectronic. How so much heat can be quickly passed out, in order to ensure the normal operation of the machinery? This caused a lot of distress to the engineers. A micro-scale heat transfer problem is developed in this context. Whether at home or abroad, this issue has become a major obstacle restricting the development of micro-electro-mechanical systems. Industrial, defense, aviation, marine, medical, bio-engineering, and agriculture "miniaturization" development, there is an urgent need to address the basic problem of the heat. This home and abroad many scholars in this area to do a lot of research work is still very small, but after three or four decades the development of their achievements, and even different scholars hold the opposite point of view on this issue. So far on this issue is still not formed a unified understanding. In this paper, a brief introduction to micro scale heat transfer problem the origin, characteristics, internal mechanism, the problems encountered, the prospects for the development its main research direction, so that readers have a preliminary knowledge and understanding of this issue.Keywords：Characteristic scale；Integrated；Fine-scale；Radiating；Transfer1 引言20世纪60年代著名物理学家Richard Feynman[1]提出了微型机械的设想，这开辟了工程学的一个新的领域-微电子机械系统。
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。
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
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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
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。
微尺度流体液力学与传热特性研究
微尺度流体液力学与传热特性研究第一章引言流体力学和传热学是物理学的两个分支，它们分别研究流体的运动和与物体之间的热传递。
在微尺度下，流体的流动和传热特性往往与传统尺度下的情况有很大不同，这使得微尺度流体力学和传热学成为了一个热点研究领域。
第二章微尺度流体力学微尺度流体力学研究的主要是微观尺度下的流体行为，主要包括微通道流、微纳米颗粒悬浮体、微纳米流动和微纳米流体特性研究等。
微尺度流体力学与传统流体力学的不同之处在于，微尺度下的流体运动主要受到分子效应和表面效应的影响。
微尺度流体力学研究中的主要问题包括：纳米通道流体的输运机理和性质、纳米尺度的流体相变、微尺度下的流体稳定性和混合、微通道流中的传热过程以及微纳米流动中的流动稳定性等。
第三章微尺度传热学微尺度传热学主要研究微尺度下的传热特性，包括对于微观物质热传递机理的研究以及针对微观传热问题的解决方案。
在微尺度下，分子热传递是十分重要的。
微尺度传热学的主要问题包括：微流混合中的传热增强、纳米流体的相变传热、微观尺度下的液-液传热、界面传热，以及微观传热与微观流体力学的耦合等。
第四章微尺度流体力学与传热特性的重要性微尺度流体力学和传热学的研究对于微纳米器件和系统的设计和制造具有非常重要的意义，因为这些器件和系统的效率往往受到微观尺度下的流体力学和传热特性的影响。
比如，在微纳米元件中，微通道的增强传热和制冷效果是非常重要的。
研究微通道流中传热特性的机理和提高热传递效率是这一领域关注的重点。
此外，还可以应用微纳米流体力学和传热学的知识来设计高效的微纳米传感器和微纳米能量转换器等。
第五章结论微尺度流体力学和传热学的研究领域涉及到多个方面，包括微纳米元件、微纳米系统、生物体系等，发展非常迅速，对于推动微纳米技术的发展具有重要意义。
未来我们可以通过更多的理论和实验研究来深入挖掘微尺度流体力学和传热学的奥秘，进一步开发和设计出更加智能化、有效率的微纳米器件和系统。
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9
2 C1
C2 4
6
3
5
1
57
8
C3
C4
A1
A2
图5 气体微通道流动阻力测定实验系统示意图
直径50微米石英玻璃管
当量直径52微米石英玻璃管
直径120微米不锈钢管
He
N 2
1
f=64/R e
f= 0 .3 1 6 4 R e -0.25
f
0 .1
m
100
1000
Re
图 直径为 D=102微米的石英玻璃管实验测定结果
图2 微喷管系 统示例
12
4.5 0.2 0.3 10
加热器 喷嘴 隔板
基Байду номын сангаас 工质
15 12
70°
0.1
0.1 0.3
1.2
0.42
0.92
2.42
7
微喷管
图2 微喷嘴加热系统
5
微喷管： 缝宽19微米， 深308微米 图3 微喷管
6
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） 。
A/V＝6 1 0 6 m-1
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
二、气体的微尺度流动与换热
2.1 气体的流动阻力
早期研究：有的增加，有的减少，数据分歧。
Fluid: N2
Choi et al. (1991)
Circular Channel
Dh (m) 3~81 Roughness：
二、气体的微尺度流动与换热
三、液体的微尺度流动与换热
四、微尺度相变换热
五、结论 1
一、什么叫微尺度流动及其例子
1.1 微尺度流动与换热的一般概念
图1 多尺度的客观世界
2
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。
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” ；
微尺度流动与换热研究进展
Recent advances in the study on microfluid flow and heat transfer processes
何雅玲，陶文铨
西安交通大学
微型换热器
2019-10-28 上海
目录
一、 什么叫微尺度流动及其例子
1.1 微尺度流动与换热一般概念 1.2 微尺度流动与换热举例 1.3 微尺度流动与换热基本特点
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 μ m 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，其内内的流动与换热就是一 般的微尺度流动与换热。
1.2 微尺度流动与换热举例 （1）微喷管内的流动
10
He
N
2
1
f=64/R e
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/R e
0 .1
f
100
Re
燃料电池流场板内的流场板照片
（3）电子器件冷却
图5 燃料电池计算模型
9
1.3 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 1 0 1 8 小立方体，
侧面积与体积之比为
0 .0 0 1 K n 0 .1 －速度滑移、温度跳跃区
0 .1K n 1 0 －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。
0.00017~0.0116
Kn: 0.0006~0.0185
Wu （吴沛宜) and Little(1983)
Fluids: N2, H2, Ar Trapezoid
Channel
Dh (m) ： 45.46~83.08
Roughness 0.05~0.30
Kn<0.0016
我们的实验与分析结果发现，当壁面 相现对粗糙都小于1％时，层流的理论解 f=64/Re 一直到直径为20微米的通道仍然适 用；但是当相对粗糙度大于1％时，侧高于 常规通道。
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 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 ）。
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 n0.001 －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