最新微尺度传热及其研究进展

微细尺度对流换热影响因素
2.界面效应ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
在微细管道中液体表面张力将起更为重要的影响，当反映重 力与表面张力之比的Bond数小于2 时, 表面张力起主导作用。
其中σ是表面张力. 此时, 管道为毫米量级时, 重力即可忽略。 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。
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。
•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。
• (2 ) 充分发展通道流的 f·R≠const。认为阻力因子 与雷诺数的乘积不再是常数, 它应是雷诺数的函数。
• (3 ) 微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小, 其过 渡雷诺数R e 可为300~1000.
• (4) 微细通道流传热数据很分散, 充分发展的通道 流的Nu ≠ const且是雷诺数的函数.
1.导热系数的尺度效应
现有实验和理论研究表明, 当物体尺寸减小，例如薄膜的厚 度小到一定程度时，其导热系数将随膜厚的减小而降低, 有 的甚至可降低1~ 2 个数量级。
100K下硅薄膜法向导热系数随薄膜厚度的变化
导热系数的尺度效应原因
①特征长度L：设λ是粒子的平均自由程， λc为载热 粒子波长。
L>> λ 傅里叶定律适用，宏观区
微细尺度对流换热影响因素
3.气体稀薄效应
通常用克努曾数来表示气体稀薄的程度
当Kn<<1 ,连续介质区；Kn>>1,自由分子流区；0.01<Kn<0.1,滑流区；0.1<Kn<1,过渡区
气体的稀薄性一般导致气体流动阻力降低和换热减弱。
THE END
② 物体的特征尺度远大于载体粒子的平均自由程, 即连续介 质的假定仍能成立, 但是由于尺度的微细, 使原来的各种影响 因素的相对重要性发生了变化, 从而导致流动和传热规律的 变化。
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
Г 称之为松弛时间.
的物理意义是热流随时间的变化对温度变化的影
响
由于在一般情况下松弛时间Г的值很小（ Г 为10 -10 s~10-14 s)，
方程退化为傅里叶定律
微细尺度流动和对流换热
• ( l) 微细通道流动阻力规律与常规尺寸条件下不同, 不同作者的实验数据不仅在定量上,而且在定性上 互相矛盾(有的认为微细通道中流动阻力大, 有的 则认为微细通道中流动阻力小)。
高运行速度
热流密度大 60-100 w/cm2
微尺度传热产生背景
随着信息工业、生命科学与技术、航天技术、能源 工程、材料工业及现代毫微米制造技术、高集成度 微电子器件、高功率短脉冲激光器、微加工技术和 微电子机械系统（MEMS ) 在工程上的应用, 人工 合成高精尖新材料、超导技术等都有惊人的进展。
L< λ
傅里叶定律不适用，微观1区
L< λc
必须考虑量子效应，微观2区
②晶粒大小：随着尺寸减小，工艺方面的因素，晶粒 随之减小，晶粒界面变大，其运输能力减弱，导热系 数降低
微细尺度导热
2.导热的波动效应
研究导热问题时, 最常用的傅立叶定律, 即热流与温度梯度成 正比, 然而, 快速瞬态导热时, 发现傅立叶定律不再适用,于是 建立了热流滞后于温度梯度的C-V模型。
• (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。
微尺度传热及其研究进展
• 微尺度传热定义 • 微尺度传热产生背景 • 微尺度传热形成原因 • 微尺度传热研究内容及进展
微尺度传热定义
微细尺度传热 研究空间尺度和时间尺度 微细情况下的传热学规律
高集成度
温度敏感性电子器件
（器件温度在7o0 oC 至800 oC 水平上每增 加10 oC , 其可靠性将 下降5%）