微尺度流动与换热研究进展
微尺度流体流动的研究进展
微尺度流体流动的研究进展引言微尺度流体流动是涉及微观尺度领域的重要研究课题之一。
随着纳米技术的快速发展和应用的增多，对微尺度流体流动的研究越来越受到关注。
微尺度流体流动不同于传统尺度下的流体流动，其特殊的物理和化学性质对其流动行为产生了独特的影响。
本文将介绍微尺度流体流动的研究进展，并着重讨论了相关研究的最新成果和未来的发展方向。
微尺度流体流动的基本原理微尺度流体流动的基本原理包括流体的微尺度效应、流体的非线性行为和流体力学方程的修正。
在微观尺度下，流体与固体相互作用的表面效应变得更加显著，表现为接触角的变化、毛细管效应的出现等。
同时，流体在微尺度下也表现出非线性行为，如流体的剪切率增加会导致粘度的变化。
此外，流体力学方程在微尺度下也需要进行修正，以考虑微观尺度效应和非线性行为对流动的影响。
微尺度流体流动的数值模拟数值模拟在微尺度流体流动研究中发挥着重要的作用。
通过数值模拟，可以对微尺度流体流动的特性进行深入研究，并预测流动行为。
在数值模拟中，常用的方法包括分子动力学模拟、连续介质模型和混合模型等。
其中，分子动力学模拟是一种基于分子尺度的方法，可以直接模拟流体分子的运动。
连续介质模型基于连续介质假设，将流体视为连续介质，并使用流体力学方程进行数值求解。
混合模型结合了分子动力学模拟和连续介质模型的优势，既能考虑微观尺度效应，又能在较大尺度上进行模拟。
微尺度流体流动的实验研究实验研究是微尺度流体流动研究中另一个重要的手段。
通过实验可以直接观察流动行为，并验证数值模拟结果的准确性。
常用的实验方法包括微流体芯片技术、纳米流体实验和光学显微技术等。
微流体芯片技术可以制造具有微米级通道的芯片，用于观察微尺度流体流动的行为。
纳米流体实验可以通过纳米级颗粒的追踪来观察流动行为。
光学显微技术通过观察流体与光的相互作用来研究流动行为。
微尺度流体流动的应用微尺度流体流动在多个领域有着广泛的应用。
在生物医学领域，微尺度流体流动可以用于细胞分离、疾病诊断和药物传输等。
《2024年弯曲矩形微纳通道内的流体流动及其传热、传质问题的研究》范文
《弯曲矩形微纳通道内的流体流动及其传热、传质问题的研究》篇一一、引言在当今科技快速发展的时代，微纳尺度下的流体流动与传热传质问题逐渐成为众多领域研究的热点。
其中，弯曲矩形微纳通道内的流体流动及其传热、传质问题，因其独特的物理特性和广泛的应用前景，受到了科研工作者的广泛关注。
本文旨在探讨这一领域的研究进展和未来发展方向。
二、弯曲矩形微纳通道的流体流动特性2.1 微纳尺度下的流体动力学特性在微纳尺度下，流体的流动特性与宏观尺度有着显著差异。
由于通道尺寸的缩小，表面效应和流体动力学相互作用增强，导致流体流动呈现出一系列独特的性质。
其中，在弯曲矩形微纳通道内，由于流体的连续性、可压缩性以及与通道壁面的摩擦力等因素，流体会呈现出不同的流动模式和流态转变。
2.2 数值模拟与实验研究为了深入理解弯曲矩形微纳通道内的流体流动特性，科研人员采用了多种数值模拟和实验方法进行研究。
数值模拟方面，通过计算流体动力学（CFD）等方法，可以模拟不同条件下的流体流动过程，分析流体的速度分布、压力分布以及流态转变等。
实验研究方面，则通过搭建微纳尺度下的流体流动实验平台，观察和分析流体的实际流动情况。
三、传热问题的研究3.1 传热机制与影响因素在弯曲矩形微纳通道内，流体的传热过程受到多种因素的影响。
包括流体的物理性质（如导热系数、比热容等）、通道的几何形状、流速以及外部环境的温度等。
这些因素共同决定了传热过程的效率和效果。
3.2 强化传热技术为了进一步提高传热效率，科研人员提出了多种强化传热技术。
例如，通过优化通道的几何形状、改变流体的物理性质或采用相变材料等方法，可以有效地增强传热效果。
此外，纳米材料的引入也为强化传热提供了新的可能性。
四、传质问题的研究4.1 传质机制与影响因素传质过程是弯曲矩形微纳通道内另一个重要的物理过程。
与传热过程类似，传质过程也受到多种因素的影响。
包括流体的扩散系数、浓度梯度、流速以及通道的几何形状等。
《微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着微纳科技的飞速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究已成为科研领域的热点之一。
微管道内流体的流动和传热行为直接关系到众多工程应用领域，如微电子冷却、生物医药传输、能源存储等。
而纳米流体的引入，由于其出色的热物理性质和导热性能，显著地提升了传统流体的传热效果。
本文将详细阐述微管道中纳米流体的流动特性和传热机理，旨在为相关研究提供理论基础和实践指导。
二、微管道中纳米流体的流动特性在微尺度下，纳米流体的流动特性与宏观尺度下的流体有所不同。
首先，由于纳米粒子的存在，纳米流体具有更高的粘度，这使得流动阻力增大。
然而，在微管道中，这种增大的阻力反而有助于提高流体的层流性，减少湍流的发生。
此外，纳米粒子的布朗运动也会对流动产生影响，使得流体在微管道中的流动更加复杂。
针对上述问题，我们采用分子动力学模拟和实验研究相结合的方法，对微管道中纳米流体的流动特性进行了深入探究。
研究结果表明，在一定的雷诺数范围内，纳米流体的流动表现出较好的层流性。
此外，随着纳米粒子浓度的增加，流动的阻力也会逐渐增大。
三、微管道中纳米流体的传热机理纳米流体在微管道中的传热机理主要涉及两个方面：一是纳米粒子的导热作用；二是流体与管道壁面的热交换。
由于纳米粒子具有较高的导热系数，它们在流体中能够有效地传递热量。
同时，在微尺度下，流体与管道壁面的热交换也更加迅速。
我们通过实验和数值模拟的方法，对微管道中纳米流体的传热性能进行了研究。
结果表明，在一定的流量和温度条件下，纳米流体的传热性能明显优于传统流体。
此外，我们还发现纳米粒子的浓度、粒径以及流体流动状态等因素都会对传热性能产生影响。
四、影响因素及优化策略影响微管道中纳米流体流动和传热的因素较多，主要包括纳米粒子的浓度、粒径、形状、表面电荷等。
此外，流体的流速、温度、压力等也会对流动和传热性能产生影响。
针对这些问题，我们可以采取一系列优化策略来提高纳米流体的性能。
微纳米尺度流动实验研究的问题与进展
微纳米尺度流动实验研究的问题与进展李战华;郑旭【摘要】微纳米实验流体力学研究的流动特征尺度在1mm～1nm范围，处于宏观流动到分子运动的过渡区。
连续介质力学与量子力学这两个经典理论的衔接，提出了诸如连续性假设适用性、边界滑移等基本理论问题。
同时从微纳米尺度研究界面处液/固/气的耦合，化学、电学性质对流动的影响值得关注。
微纳米实验测量仪器融入了力、电等测量手段，要求测量空间精度达到nm量级，力的测量精度达到pN，时间分辨率达到ns。
本文围绕连续性假设适用性、边界滑移、微纳米粒子布朗运动及微尺度涡旋测量等问题，介绍了 Micro/Nano PIV、示踪粒子流场显示等技术应用于微纳流场观测的进展与难点。
目前微纳米流动测量仍然沿着经典流体力学测量“小型化”的思路开展，而纳尺度的测量期待着新的实验方法与技术的提出。
%The micro/nanoscale experimental fluid mechanics studies the fluid flow with the typical dimension from about 1mm to 1nm,which is also the transition range from the macro-scopic flow to molecular motion.The combination of the two classical theories:the continuum mechanics and the quantum mechanics,pusts forward some basic theoretical problems like the validity of the continuity hypothesis and the boundary slip.In the mean time,due to the coupling of the liquid/solid/gas phases inmicro/nanoscale,it is worthy considering the influence of inter-facial chemistry and electric properties on the flow.Therefore,micro/nano experimental devices should integrate force and electricity measurements,and require a nanometer measuring space resolution,a pN force precision and a nano-second time resolution.This paper focuses onthe problems of validity of the continuity hypothesis,boundaryslip,Brownian motion of micro/nano-particles and micro-vortex flow,and introduces the progresses and difficulties of micro/nano flow measurement by Micro/Nano PIV and micro/nanoscale flow visualization using trac-ers.Up to date,the study of micro/nano flow is still following the idea of “miniaturization”of the classi cal fluid mechanics measurement,however,the nano flow measurement urgently needs new techniques and methods.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】11页(P1-11)【关键词】微/纳流动;实验测量;Micro/Nano PIV;界面【作者】李战华;郑旭【作者单位】中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京 100190;中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京 100190【正文语种】中文【中图分类】O363.21 微纳米流动研究的尺度范围和测量仪器1.1 微纳流动的尺度范围微纳米流动的尺度范围从1mm～1nm，跨越了从宏观尺度到分子尺度的6个数量级。
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
新一代高效换热器设备的研究进展
新一代高效换热器设备的研究进展随着工业化进程的加速和节能环保的重要性日益凸显，热能利用效率成为工业生产过程中的重要考量因素。
换热器作为一种常见的热能转移设备，发挥着关键的作用。
近年来，研究人员不断致力于提高换热器的热传递效率和能源利用效率，推出了一系列新一代高效换热器设备。
本文将对这些研究进展进行探讨。
首先，微尺度换热器是当前研究的热点之一。
由于微尺度换热器具有更小的传热路径和更大的表面积，使得流体之间的传热更为充分。
例如，微通道换热器利用微小通道内的流体纳米尺度层流来提高传热性能。
研究人员通过优化微通道的形状、选择表面涂层材料以增加表面活性，以及调节流体流速和温度梯度来提高热传递效率。
此外，纳米流体作为传热工质也被广泛运用于微尺度换热器中，其独特的流变性质和热传导性能也为换热器的高效化做出了贡献。
其次，相变材料换热器在能量存储和回收方面显示出了潜力。
相变材料具有在相变温度范围内吸热或放热的特性，引入相变材料作为换热介质，可以显著增强换热器的热传递效率。
例如，蓄热式相变材料换热器可以将多余能量存储到相变材料中，在需要时释放能量，实现能量的高效利用。
此外，相变材料换热器还可以用于废热回收，在工业生产中有效地回收废热能，降低能源消耗和环境污染。
再次，换热器表面增强技术在提高换热效率方面取得了显著成果。
传统的换热器表面通常是光滑的，这导致热传递效率有限。
通过表面增强技术，可以在换热器表面引入微小的结构，如翅片、螺旋形通道等，以增加表面积和湍流运动的程度。
这种增强表面结构可以有效地提高传热和传质效率。
同时，还可以采用耐磨材料和防腐涂层等措施，增强换热器的耐久性和使用寿命。
通过这些技术手段，换热器的热传递效率可以大幅提升。
此外，计算机模拟和优化设计在新一代高效换热器设备研发中扮演了重要的角色。
借助计算机模拟软件，可以对换热器的热传递和流体运动进行精确的数值模拟和分析。
通过优化设计，可以提前预测和避免设计缺陷，优化换热器结构和工艺参数，使得换热器性能得到最大程度的改善。
《2024年微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言在科技日益发展的今天，微纳米技术的发展与纳米科学技术的广泛应用正引发科研人员极大的关注。
这其中，关于微管道中纳米流体流动与传热的研究尤为重要。
微管道的尺度缩小为纳米级别，为流体的流动与传热提供了全新的研究平台。
本文旨在深入探讨微管道中纳米流体的流动特性及其传热机制，为进一步优化微纳流体技术提供理论支持。
二、微管道中纳米流体的流动特性1. 纳米流体的定义与特性纳米流体是一种新型的流体材料，其基本特性在于其内部含有纳米级别的固体颗粒。
这些颗粒的尺寸远小于传统流体的颗粒，因此具有独特的物理和化学性质。
在微管道中，这些纳米颗粒的分布和运动对流体的整体流动特性产生重要影响。
2. 流动特性分析在微管道中，由于尺度效应和表面效应的作用，纳米流体的流动特性与传统的流体有很大的差异。
流体的速度分布、粘度变化、剪切力分布等因素均需重新考量。
研究人员利用高精度的实验设备与计算流体动力学模型（CFD）等手段，对这些特性进行深入的分析和研究。
三、微管道中纳米流体的传热机制1. 传热特性的影响因素微管道中的纳米流体由于其高比热容和优良的热导率，具有显著的传热特性。
其传热性能受多种因素影响，包括纳米颗粒的种类、大小、形状以及浓度等。
此外，流体的流动状态和微管道的材质和结构也对传热效果有重要影响。
2. 传热机制的研究方法研究人员通过实验研究和数值模拟两种方式对微管道中纳米流体的传热机制进行研究。
实验研究通过观察和分析流体的温度分布、热流密度等参数，揭示其传热机制。
数值模拟则通过建立复杂的物理模型，模拟流体的传热过程，从而预测和解释实验结果。
四、研究进展与展望随着科技的发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究已经取得了显著的进展。
研究者们通过多种方法，揭示了纳米流体在微管道中的流动特性和传热机制。
同时，新的研究方法和手段也不断涌现，如高精度测量技术的开发、新的数值模拟算法等，这些都为深入研究提供了强大的技术支持。
微尺度换热与流动研究进展陶文铨
（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
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。
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1.3 小型低温制冷机的模拟
图6 Stirling制冷机的结构简图
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1.压缩机; 2. 水冷却器; 3. 回热器; 4. 冷端换热器; 5. 脉管; 6. 热端换热器; 7. 小孔阀; 8. 气库; 9. 双 向进气阀
图7 脉管制冷机的结构简图
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回热器采用多空介质做填料时，采用格子－ Boltzmann (LBM) 方法（介观模型）比较理想；如 何将介观模型与宏观模型有效地耦合，是急待解决 的问题。
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 ）。
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图9 经验关联式 对结果的影响
《微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着纳米科技的快速发展，纳米流体作为一种新型的传热介质，因其高导热性、良好的稳定性和较大的比表面积等特性，在微管道流动与传热领域得到了广泛的研究和应用。
微管道中纳米流体的流动及传热研究，不仅有助于理解纳米流体在微观尺度下的流动规律和传热机制，还能为纳米流体的实际应用提供理论依据和技术支持。
二、微管道中纳米流体的流动特性1. 流动模型微管道中纳米流体的流动受多种因素影响，包括流体本身的物理性质、管道尺寸、形状以及流动条件等。
为了准确描述纳米流体在微管道中的流动特性，研究者们建立了多种流动模型。
这些模型主要基于纳米流体的导热系数、粘度等物理性质，以及微管道的几何尺寸和形状进行描述。
2. 流动特性分析在微管道中，纳米流体的流动特性主要表现为层流和湍流两种形式。
在层流状态下，纳米颗粒在流体中呈现有序排列，有利于提高传热效率。
而在湍流状态下，纳米颗粒的随机运动增强了流体与管道壁面的热量交换。
此外，纳米流体的粘度、表面张力等物理性质也会对流动特性产生影响。
三、微管道中纳米流体的传热特性1. 传热机制微管道中纳米流体的传热机制主要包括对流换热和导热。
对流换热主要发生在流体与管道壁面之间，而导热则主要发生在纳米颗粒之间以及纳米颗粒与流体之间的热量传递。
此外，纳米流体的高导热性和较大的比表面积也有助于提高传热效率。
2. 传热特性分析纳米流体的传热特性受多种因素影响，包括纳米颗粒的种类、浓度、大小以及形状，流体的物理性质（如导热系数、粘度等），以及微管道的几何尺寸和形状等。
通过实验和数值模拟等方法，研究者们发现纳米流体的传热性能在一定范围内随着纳米颗粒浓度的增加而提高，但当浓度过高时，纳米颗粒之间的团聚现象会降低传热效率。
四、研究方法及进展1. 实验研究实验研究是微管道中纳米流体流动及传热研究的重要手段。
通过搭建实验平台，研究者们可以观察纳米流体在微管道中的流动状态，测量传热性能等相关参数。
《2024年微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着微纳科技的快速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究成为了当前科研的热点领域。
纳米流体的独特性质，如高导热性、良好的稳定性以及优异的传热性能，使其在微尺度传热领域具有广泛的应用前景。
本文旨在探讨微管道中纳米流体的流动特性及其传热机制，为相关领域的研究与应用提供理论支持。
二、纳米流体的基本性质纳米流体是由纳米级颗粒在基础流体中分散形成的悬浮液。
其独特的物理性质，如高导热性、良好的稳定性以及优异的传热性能，使得纳米流体在微尺度传热领域具有显著优势。
此外，纳米流体的流动特性受其颗粒大小、形状、浓度以及基础流体的性质等多种因素影响。
三、微管道中纳米流体的流动特性在微管道中，纳米流体的流动特性受多种因素影响。
首先，纳米颗粒的加入会改变流体的粘度和表面张力，从而影响流体的流动特性。
其次，微管道的尺寸对纳米流体的流动也有显著影响。
随着管道尺寸的减小，纳米流体的流动特性将发生显著变化，如层流与湍流的转变等。
此外，磁场、电场等外部因素也会对纳米流体的流动产生影响。
四、微管道中纳米流体的传热机制在微管道中，纳米流体的传热机制主要包括对流传热和导热。
对流传热主要依赖于流体的流动特性，而导热则与纳米颗粒的导热性能以及其在流体中的分布密切相关。
纳米流体的高导热性主要归因于纳米颗粒的高导热性能以及其在流体中的良好分散性。
此外，微管道的尺寸、形状以及表面性质等也会对纳米流体的传热性能产生影响。
五、实验研究方法与结果分析为了研究微管道中纳米流体的流动及传热特性，可以采用实验与数值模拟相结合的方法。
实验方面，可以制备不同浓度、不同种类纳米颗粒的纳米流体，并通过可视化实验装置观察其在微管道中的流动情况。
同时，可以利用热传导实验装置测量纳米流体在微管道中的传热性能。
数值模拟方面，可以通过建立数学模型，模拟纳米流体在微管道中的流动及传热过程，进一步分析其流动与传热的机理。
通过对实验结果的分析，可以得出以下结论：首先，纳米流体的加入可以显著提高微管道中的传热性能；其次，纳米颗粒的浓度、种类以及微管道的尺寸等因素对传热性能有着重要影响；最后，通过优化纳米流体的制备工艺和调整微管道的结构，可以实现更高效的传热过程。
最新微尺度传热及其研究进展
微尺度传热研究内容及进展
• 微细尺度导热 • 微细尺度流动和对流换热 • 微细尺度热辐射 • 维系尺度相变传热
微细尺度导热
微尺度传热产生背景
由于它们的特征尺度与载热体( 分子、电子、声子、光子) 等的 平均自由程处于同一量级甚至更低, 导热的Fourier 定律、流动 的N 一S 方程已不再适用,微结构表面的辐射性质亦出现奇特的 变化, 已经不能的效地用传统的传热传质理论及传统的实验方 法加以解决, 导致了热现象由宏观研究到微观研究的历史性转 变, 促使微细尺度传热学这一学科的出现和形成。
• (5) 微细通道湍流的Nu比常规情况高5 ~7 倍.
微细尺度对流换热影响因素
1.气体压缩性影响
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. 也就是说即使管子长度与管径比很大， 流场和温度场也不会充分发展, 它将使阻力有明显的增加和 导致传热的强化。
•空间尺度极限：其研究的几何尺度可以到微米或毫微米级; •时间尺度极限：即在微秒以至毫微秒内瞬时传热规律的研究.
微尺度传热形成原因
① 当物体的特征尺度缩小至与载体粒子〔分子、原子、电 子、光子等〕的平均自由程同一量级或者过程延续的时间达 到微秒以至毫微秒量级时, 基于连续介质假设而建立的许多 宏观概念和规律就不再适用, 如粘性系数、导热系数等概念 需要重新定义, N 一S 方程和Fourier导热方程等也不再适用。
L< λ
傅里叶定律不适用，微观1区
《2024年微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着微纳科技的飞速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究已成为当今科学研究的热点。
微管道作为一种微型化、高效率的传输系统，其内部纳米流体的流动与传热特性直接关系到众多领域如微电子冷却、生物医疗、能源转换等的技术进步。
因此，深入探讨微管道中纳米流体的流动及传热行为，不仅具有深厚的理论价值，更具有广阔的实践意义。
二、纳米流体在微管道中的流动特性纳米流体，由于其高导热性、高稳定性等特性，在微管道中具有独特的流动行为。
在微尺度下，纳米流体的流动受到多种因素的影响，包括管道尺寸、流体性质、流速等。
研究显示，纳米流体的流动特性与其粒径大小、形状及分布密切相关。
在微管道中，由于尺寸效应的存在，纳米粒子更容易与管道壁面发生相互作用，这直接影响到流体的流动状态。
研究方法上，我们采用分子动力学模拟和实验相结合的方式，对不同条件下的纳米流体在微管道中的流动进行深入研究。
模拟结果表明，在微尺度下，纳米流体的流动呈现出明显的层流特性，且随着流速的增加，流动逐渐趋于稳定。
同时，我们通过实验观察到了纳米流体在微管道中的速度分布，以及其对温度变化的响应。
三、微管道中纳米流体的传热特性传热特性是纳米流体在微管道中应用的关键因素之一。
研究表明，纳米流体的加入可以显著提高微管道的传热性能。
这主要是由于纳米粒子的高导热性以及其在流体中的布朗运动所引起的热传导增强效应。
我们通过实验和模拟的方法，对纳米流体在微管道中的传热过程进行了深入研究。
实验结果显示，在一定的流速和温度条件下，纳米流体的传热效率明显高于普通流体。
同时，我们还发现，纳米粒子的浓度对传热效率有显著影响，存在一个最优浓度使得传热性能达到最佳。
模拟结果进一步证实了这些发现，并提供了更深入的机理分析。
四、影响因素及优化策略影响微管道中纳米流体流动及传热的因素众多，包括管道尺寸、流体性质、流速、纳米粒子浓度等。
针对这些因素，我们提出了一系列的优化策略。
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
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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
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28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——孔子
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29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
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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。
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谢谢！
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微尺度传热学进展_陈玉凤
中的非金属薄膜材料 传热机 理的研 究将会 促成一 些新的 工
程应用 , 有可能开辟新的 市场 , 并为有 关基础 探索 提供了 崭
新的研究手段 。
关键词 :微尺度 ;传输模型 ;非金属薄膜
中图分类号 :TKI24
文献标识码 :A
随着器件向集成化 、小型化方向发展 , 空间微尺 度和时间微尺度条件下的流动和传热问题的研究显 得十分重要 。 1997 年国际传热传质中心首次召开 了微传热的国际会议 , 成为微尺度传热这一学科正 式建立的标志 [ 1] 。 此后各地相继建 立了关于微尺 度研究的学术刊物 。现在 , 微流体和传热器件的商 业化进程正于其发展初期 , 具有广阔的工程应用背 景并备受众多领域专家的关注 。
此模型揭示了金属中通过电子进行的能量交换 的双曲特性 , 说明热流不仅依赖于自身的变化率且 与温度梯度有关 。适用于具有高耦合因子的薄膜材 料 , 强调空间微尺度效应 。 1.2.4 声子辐射传输模型
1995年 , Majumdar研究电介质薄膜热传导时提 出的 [ 14] , 该模型 用于描述 声学薄介 质 , h≤l=vsτ。
系[ 5] Q※(CvT0 /3)u, 结合能量方程 Cv Tt+ · Q=
0可得声子散射热传输方程 :
2 T+9τN 5
t(
2
T)=τR3v2s
Tt+τR3v2s
2T t2
此模型用于介质膜 、绝缘体和半导体中 , 考虑的
重点是通过声子散射 (碰撞 )来传递热量 。 忽略了
电子气对导热的贡献 , 也忽略了声子系统中其他相
3 计算机模拟
目前常用的计算机模拟技术主要有两种 :蒙特 卡罗法和分子动力学 (MD)算法 。
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。
微尺度流体动力学与能源转换研究
微尺度流体动力学与能源转换研究1. 引言微尺度流体动力学是研究微观尺度下流体力学性质的学科，这一领域的发展对于现代科学与工程领域的许多重要应用具有重要意义。
能源转换是指将一种形式的能源转化为另一种形式的能源的过程，而微尺度流体动力学在能源转换领域中发挥着重要的作用。
本文将介绍微尺度流体动力学与能源转换的研究进展和应用。
2. 微尺度流体动力学的基础知识微尺度流体动力学是研究微观尺度下流体运动行为的学科，主要涉及微观尺度的流体流动、传质、热传递、反应动力学等过程。
与传统的宏观流体力学相比，微尺度流体动力学考虑了分子尺度上的各种相互作用和非平衡现象，因此更加准确地描述了微观流体系统的动力学行为。
微尺度流体动力学的基础知识主要包括以下内容：2.1 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种基于牛顿力学原理和分子运动规律的模拟方法，通过对分子间相互作用力的描述，可以模拟微观尺度下流体的运动行为。
分子动力学模拟能够提供丰富的流体动力学信息，如分子速度、密度分布、压力、热传导等，为微尺度流体动力学研究提供了基础。
2.2 界面动力学界面动力学研究的是介于两种不同相的界面上的流体行为，如气液、液液和气固界面等。
在微观尺度下，界面处存在着相互作用力的不平衡，这导致了界面的特殊性质和现象，如表面张力、界面扩散、润湿性等。
界面动力学的研究对于研究微尺度流体动力学和能源转换过程中的相变、界面传热等问题具有重要意义。
2.3 纳米流体力学纳米流体力学是研究纳米尺度下流体力学行为的学科，主要涉及纳米流体的流动、传质、热传递等过程。
由于纳米尺度下分子之间相互作用的特殊性质，纳米流体具有许多独特的流体性质，如纳米粒子悬浮体系的流动行为、纳米尺度下的边界效应等。
纳米流体力学的研究对于微尺度流体动力学和能源转换领域的发展具有深远的影响。
3. 流体动力学与能源转换的关系流体动力学和能源转换密切相关，流体动力学的基本方程可以描述能源转换过程中的流体流动、传质和热传递等现象。
《微管道中纳米流体流动及传热研究》范文
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着微纳科技的飞速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究逐渐成为科研领域的热点。
纳米流体作为一种新型的传热介质，因其具有优异的导热性能和良好的稳定性，在微电子、生物医疗、航空航天等领域具有广泛的应用前景。
本文旨在探讨微管道中纳米流体的流动特性及传热机制，以期为相关领域的应用提供理论支持。
二、纳米流体概述纳米流体，顾名思义，是以纳米尺度粒子为基础的流体。
这些纳米粒子通常具有高导热性、大比表面积等特点，能够显著提高流体的导热性能。
通过将纳米粒子添加到基础流体中，可以制备出具有优异性能的纳米流体。
由于其优异的性能，纳米流体在微电子冷却、太阳能利用、生物医学等领域具有广泛的应用。
三、微管道中纳米流体的流动特性微管道中纳米流体的流动特性受多种因素影响，包括纳米粒子的性质、浓度、管道尺寸、流速等。
首先，纳米粒子的存在会改变流体的粘度、表面张力等物理性质，进而影响流动特性。
其次，管道尺寸对流动的影响也不可忽视。
在微尺度下，流体与管道壁面的相互作用增强，流动表现出明显的层流和湍流特性。
此外，流速也是影响流动特性的重要因素，高流速下纳米流体的流动更加稳定。
四、微管道中纳米流体的传热机制微管道中纳米流体的传热机制涉及流体与管道壁面的热量传递、纳米粒子的导热作用以及流体内部的湍流扩散等因素。
首先，纳米粒子的高导热性使得流体内部热量传递更加迅速。
其次，在微尺度下，流体与管道壁面的热量传递效率显著提高，有利于提高整个系统的传热性能。
此外，湍流扩散也有助于增强流体内的热量传递。
这些传热机制共同作用，使得纳米流体在微管道中具有优异的传热性能。
五、实验研究与数值模拟为了深入探究微管道中纳米流体的流动及传热特性，实验研究与数值模拟是两种常用的研究方法。
实验研究主要通过搭建实验平台，观察和分析纳米流体在微管道中的流动及传热现象。
数值模拟则借助计算机软件，建立数学模型，对纳米流体的流动及传热过程进行模拟和分析。
微尺度流动与传热基本规律的研究
第二章实验设计
恒温控制单元
图２．１实验系统图（单微通道）
图２．２单微通道实验段结构图
实验过程如下：
●向储液容器中装入去离子水，约占容器总容积的８０％。
·设定恒温控制单元的温度为９５。
Ｃ，如此高的温度可使液体中的不凝结性气体排出。
●密闭储液容器，从液面顶部通入高压氮气，由精密压力调节阀控制所需
的实验压力，容器中的液体温度由恒温控制单元ＰＩＤ控制。
●打开系统管路阀门，使液体流过实验段，逐渐增加加热功率。
质量流速
通过精密电子天平由称重法得到，加热功率由功率计直接读出。
２３
中国科学技术大学博士学位论文
图２．５微槽道换热器立体结构图
§２．２测试技术
实验需要测量的主要参数有：微尺度通道的壁面温度，工质的进出口温度，工质流量，电加热功率，实验段的压力等‘”。
温度的测量：
均由Ｋ型热电偶测得，热电偶的精度为Ｏ．１℃，所有热电偶在安装前都经过校验。
压力和压差的测量：
采用压力传感器（ｓｅ仃ａｓｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌ２０６）测量实验段的进口压力，精度为Ｏ．５％ＦＳ。
采用压差变送器（ＤＰｌ３００一ＤＰ５５Ｅ２２Ｍ４Ｄ１）测量实验段的进出口压差，精度为０．５％ＦＳ。
流量的测量：
采用转子流量计和电子天平。
转子流量计读数经高精度电子天平（ＪＪｌ０００）
２６。
微尺度传热学进展
2.面临的挑战和解决方案
尽管微尺度传热学已经取得了显著的进展，但仍存在许多挑战，如纳米尺度 下热导率的测量和预测、跨尺度传热的准确模拟等。为了解决这些挑战，未来研 究可能需要从以下几个方确地描述和预测微尺度下的传热过程； （2）利用先进的实验技术和设备，深入探究微尺度下的传热机制； （3）加强 跨学科合作，共同解决微尺度传热学面临的问题。
1.可能的发展方向和趋势
随着科技的不断发展，微尺度传热学将迎来更多的发展机遇和挑战。未来， 该领域可能的发展趋势包括：
（1）新型材料和技术的持续涌现将为微尺度传热学的发展提供更多可能性； （2）跨学科的合作和交流将进一步加强，推动微尺度传热学的理论和实践发展； （3）实验设备和技术的不断升级将使研究者们能更深入地研究微尺度传热现象。
2.理论方面的突破和进展
在理论方面，研究者们不断探索新的理论模型，以更好地描述和预测微尺度 传热现象。例如，基于量子力学和分子动力学的多尺度传热模型取得了重要突破， 为从微观层面理解传热过程提供了有力支持。此外，跨学科的合作也推动了微尺 度传热学的理论发展，如物理、数学、化学等多学科的交叉融合为微尺度传热学 提供了新的研究视角和方法。
微尺度传热学进展
01 一、引言
目录
02
二、微尺度传热学的 研究现状
03
三、微尺度传热学的 进展
04
四、微尺度传热学的 未来展望
05 五、结论
一、引言
微尺度传热学是一门研究微小尺度范围内热传递现象的学科，其在诸多领域， 如能源、电子、生物医学等具有广泛的应用价值。随着科技的不断发展，微尺度 传热学取得了显著的进步，本次演示将介绍微尺度传热学的研究现状、进展以及 未来展望。
3.最终实现的目标和应用前景
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微尺度液体电渗流采LBM及连续介质的跨越
（2004）；
分子动力学模拟计算凝结系数也有不少研究，但
是尚未跨越；
总体上国内跨越研究几近空白。
32
四、 开展我国热流科学跨尺度模拟研究建议
跨尺度热流科学模拟原理与方法研究是热流科
学的基础研究，建议国家自然科学基金委予以积极
支持； 除了每种尺度模拟方法本身的进一步完善外， 关键要从过程的第一原理出发，发展处理跨越区内
20世纪生物学与分子研究碰撞出分子生物学。
19
1.ห้องสมุดไป่ตู้ 热流现象的尺度范围
图12 热流科学研究对象的时间尺度
20
图13 热流科学研究对象的空间尺度 21
1.3 换热器尺度已经跨越3个数量级
图14 换热器的多尺度范围
22
1.4 解决跨尺度模拟与预测可以在更高层次上强化 迁移过程 以相变换热为例，尽管传热学基本原理已经 指出，尖锋可以强化膜状凝结，表面上的凹坑可 以强化沸腾换热，但是尖峰与凹坑的形状又是千 奇百怪，目前国内外已经开发出多种形式的这类 表面。究竟哪一种形式最好，目前完全依靠经验 与实验。 23
PHOENICS， FLUENT， STAR-CD 也不能幸免。 因为蒸汽如何变成液体的过程连续介质模型的控制 方程是没法模拟的，必须采用分子动力学模拟的方 法。 15
图9 经验关联式 对结果的影响
16
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10 管内凝结的 分子动力学模拟 预测
Hitachi Review, 1975, 24(8):329-334
图18 二维微肋管
27
图19 三维微肋管
28
下一步该怎样走？从学术上需要有更高层次
的理论与研究方法来指导。
研究跨尺度模拟原理与高效方法是重要途径
之一。 微纳米传热学的发展更需要研究跨尺度的模 拟问题。
29
三、 目前国内外研究情况
f
0.1 10
100
1000
Re
图
直径为 D=172微米的不锈钢管实验测定结果
10
1
He N2 f=64/Re -0.25 f=0.3164Re Colebrook(/D=0.08)
f
0.1 10
100
1000
Re
图
直径为 D=119微米的不锈钢管实验测定结果
10
2.2 气体稀薄性与可压缩性的影响
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） 。
10
1
He N2 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
1
He N2 f=56.88/Re
f
0.1
100
1000
Re
图
当量直径为 D=52微米的石英玻璃管实验测定结果
10
1
He N2 f=64/Re -0.25 f=0.3164Re Colebrook(/D=0.055)
10 12
微喷管
15 12
加热器 喷嘴
70°
0.1
0.92 0.2
隔板
1.2
4.5
0.3
0.1 0.3
0.42
2.42 7
基座
工质
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
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 ）。
1989年，在美国盐湖城会议上，首次提出
（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
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。
－连续介质区
0.001 Kn 0.1 －速度滑移、温度跳跃区 0.1 Kn 10 Kn>10
－过渡区 －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
9 2
C1 C2
4 3 1 5
6 5 7 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
1
He N2 f=64/Re -0.25 f=0.3164Re
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
(a) 日立Thermoexcel-E
(b) Wieland GEWA-TW
(c) Wolverine-Turbo-B
(d) Wielad GEWA-SE
(e) Trent 弯翅管
(f) 烧结表面
图15 部分商用沸腾换热强化表面结构示意图
24
图16 双侧强化管
25
图 17
日立Thermoexcel-C 26
1.3 小型低温制冷机的模拟
图6 Stirling制冷机的结构简图
12
1.压缩机; 2. 水冷却器; 3. 回热器; 4. 冷端换热器; 5. 脉管; 6. 热端换热器; 7. 小孔阀; 8. 气库; 9. 双 向进气阀
图7 脉管制冷机的结构简图
13
回热器采用多空介质做填料时，采用格子－ Boltzmann (LBM) 方法（介观模型）比较理想；如 何将介观模型与宏观模型有效地耦合，是急待解决 的问题。 MEMS系统中液体在微尺度通道内流动时，产 生电渗流，壁面附近的电渗流与主流可分别采用 LBM方法与连续介质方法，其间的跨越与耦合至关
2.1 材料科学一马当先
研究金属裂缝的发生与发展采用了跨尺度模拟。
控制方程本质上是扩散方程，界面跨越相对难度较小。
图20 材料裂缝 的跨尺度模拟
30
图21 交界区的耦合
31
2.2 热流学科开始起步 流动过程的对流项使得尺度的跨越难度大为增加。
质子交换膜中的迁移过程用分子动力学模拟，但尚
未跨越；
性，电渗，电泳。
（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。
Choi et al. (1991)
Fluid: N2 Circular Channel
Dh (m) 3~81 Roughness： 0.00017~0.0116
的各种耦合的原理与方法；
数据，以作为检验跨越计算正确性的标准；
对于几种典型的跨尺度情形，获得可靠的实验
33
鉴于予传热与流动计算中有限容积法应用最广，
因此作为连续介质的模拟方法建议以FVM为主。
越原理与方法，DSMC－FVM跨越原理与方法以及
MD－FVM跨越原理与方法。在此基础上，进一步 研究两种跨越：FVM－LBM－MD；FVM－
建议首先分别研究热流科学中LBM－FVM跨
DSMC－MD，甚至三种跨越：FVM－LBM－MD
－AB (abinitio,电子层次）。 34
基金委的材料与工程学部对应于科学院的技术
科学部；不仅数理化天地生有科学问题，技术科学
也有科学问题，其重要性决不亚于理论科学问题。
以传热学为例，早期属于数学家与物理学家：
8
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
侧面积与体积之比为
将该物体分为尺度为1微米的 1018 小立方体， A/V＝6 106 m-1
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，其内内的流动与换热就是一 般的微尺度流动与换热。