微尺度流换热

对内径8 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 液体大约需要6百万 个分子。 个分子。
图10 管内凝结的 分子动力学模拟 预测
17
Leabharlann Baidu
二、 学科意义与工程意义
1.1 客观世界本来是多尺度的
图11 多尺度的客观世界
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客观世界存在多种跨尺度现象， 客观世界存在多种跨尺度现象，这些现象表面 上似乎风马牛不相及， 上似乎风马牛不相及，但是在跨尺度强耦合方面存 在惊人的类似性：非平衡、非线性等。 在惊人的类似性：非平衡、非线性等。 对于某一类问题的统一的处理方法可能使跨尺 度现象研究过程中派生出新的学科： 度现象研究过程中派生出新的学科： 19世纪电学与磁学统一于 世纪电学与磁学统一于Maxwell方程； 方程； 世纪电学与磁学统一于 方程 20世纪生物学与分子研究碰撞出分子生物学。 世纪生物学与分子研究碰撞出分子生物学。 世纪生物学与分子研究碰撞出分子生物学
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－ 回热器采用多空介质做填料时，采用格子－ 方法（介观模型）比较理想； 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， 何将介观模型与宏观模型有效地耦合，是急待解决 的问题。 的问题。 MEMS系统中液体在微尺度通道内流动时， MEMS系统中液体在微尺度通道内流动时，产 系统中液体在微尺度通道内流动时 生电渗流， 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， LBM方法与连续介质方法，其间的跨越与耦合至关 方法与连续介质方法 重要. 重要. 13
(a) 日立 日立Thermoexcel-E
微尺度流动与换热研究进展
微型换热器
目
1.1 1.2 1.3
录
一、 什么叫微尺度流动及其例子
微尺度流动与换热一般概念 微尺度流动与换热举例 微尺度流动与换热基本特点
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
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1.2 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
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1.3 换热器尺度已经跨越 个数量级 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
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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， 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， 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， 以强化沸腾换热，但是尖峰与凹坑的形状又是千 奇百怪， 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， 表面。究竟哪一种形式最好，目前完全依靠经验 与实验。 与实验。 23
图4 PEMFC的电化学反应示意图 的电化学反应示意图
8
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， 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， 面积为6米平方，面积/体积之比， A/V＝ A/V＝6m-1 将该物体分为尺度为1 小立方体， 将该物体分为尺度为1微米的 1018 小立方体， A/V＝ A/V＝6 ×106 m-1
（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。 早期研究：有的增加，有的减少，数据分歧。
Choi et al. (1991)
Fluid: N2 Circular Channel
Kn =
λ
L
为气体分子平均自由程； λ 为气体分子平均自由程； L 为通道特征尺度。 为通道特征尺度。
气体流动按Kn数大小的分类（钱学森，1946）： 气体流动按Kn数大小的分类（钱学森，1946）： Kn数大小的分类
Kn ≤ 0.001
－连续介质区
速度滑移、 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 当气体流动的Kn数大于0.001以后连续介质 Kn数大于0.001 的假定失效，流动与换热呈现出许多新的特点。 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 ）对液体， 效应明显：双电层（ ），电粘 效应明显：双电层（Electric Double Layer），电粘 ）， 性，电渗，电泳。 电渗，电泳。
Dh (µm) 3~81 Roughness： 0.00017~0.0116 Kn: 0.0006~0.0185
Wu （吴沛宜 and Little(1983) 吴沛宜) Fluids: N2, H2, Ar Trapezoid Channel
Dh (µm) ： 45.46~83.08 Roughness 0.05~0.30 Kn<0.0016
1962年 第一个硅微型压力传感器问世， 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、 开发出尺寸为50－500mm的齿轮、齿轮泵、气动涡 50 的齿轮 轮及联结件等微机械 （里程碑 ）。 1989年 在美国盐湖城会议上， 1989年，在美国盐湖城会议上，首次提出 MEMS概念：Micro-Electro-Mechanical MEMS概念：Micro-Electro概念 Systems， 1mm－ 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。 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， 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。 般的微尺度流动与换热。
1.4 相变换热的模拟 一个十分简单又极难回答的问题： 一个十分简单又极难回答的问题：要使蒸汽 完全凝结，管子要多长？ 完全凝结，管子要多长？
图8 管内凝结
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已有的所谓相变换热数值计算， 已有的所谓相变换热数值计算，都要将由实验得 出的关联式耦合到流场计算中去， 出的关联式耦合到流场计算中去，例如大型电站凝 气器的计算(Zhang C.),或者管内凝结的分析 气器的计算(Zhang C.),或者管内凝结的分析 H),均如此 均如此。 计)(Wang H S, Honda H),均如此。商业软件 PHOENICS， FLUENT， STAR也不能幸免。 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， 方程是没法模拟的，必须采用分子动力学模拟的方 法。 15
图1 多尺度的客观世界
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大千世界的物体尺度变化跨三十余个数量级， 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。 余年来科学技术发展的重要方向之一是微型化。 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: 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 未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界 进军” 进军” ； 1959，美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德 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 bottom”, “There is plenty of room at bottom ,首次提出 纳米技术的预言。 纳米技术的预言。 2
我们的实验与分析结果发现， 我们的实验与分析结果发现，当壁面 相现对粗糙都小于1％ 相现对粗糙都小于 ％时，层流的理论解 f=64/Re 一直到直径为 微米的通道仍然适 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 但是当相对粗糙度大于 ％ 常规通道。 常规通道。
9 2
1.2 微尺度流动与换热举例 （1）微喷管内的流动 ） 图2 微喷管系 统示例
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： 微喷管： 缝宽19微米， 19微米 缝宽19微米， 308微米 深308微米 图3 微喷管
（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， 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， 诺循环地限制，转化效率可达40－60％；环境友好， 40 ％；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 几乎不排放氮氧化合物与硫化物， 量也必火电厂减少40％ 以上被认为是21 21世纪很有希 量也必火电厂减少40％ 以上被认为是21世纪很有希 40 望的高效、洁净能源。 望的高效、洁净能源。
6
微喷管用于自由分子微电阻加热推力器中， 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。 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） 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， 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（ 喷管喷出，产生推力。推力器尺寸很小（通道宽度 100μm）。 ）。它要求加热元件与出口缝隙之间的空 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， 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（ 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（ 最高温度），提高总效率，从而获得最高的比冲（单 ），提高总效率 位质量推进剂所产生的冲量称为比冲量） 位质量推进剂所产生的冲量称为比冲量） 。
Stirling制冷机的结构简图 图6 Stirling制冷机的结构简图
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1.压缩机; 水冷却器; 回热器; 冷端换热器; 1.压缩机; 2. 水冷却器; 3. 回热器; 4. 冷端换热器; 压缩机 脉管; 热端换热器; 小孔阀; 气库; 5. 脉管; 6. 热端换热器; 7. 小孔阀; 8. 气库; 9. 双 向进气阀
尽管通道进口当地Ma数很小，但是出口处 尽管通道进口当地Ma数很小，但是出口处， Ma数很小 但出口Ma可以很大;必须考虑可压缩性； Ma可以很大 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。 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） 气体的稀薄性用无量纲数Kn（Knudsen）数 Kn 表示： 表示：
侧面积与体积之比为
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： 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， 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。 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 ）对气体可压缩性大大增加， 对气体在微细通道中的受迫对流， 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， 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。 生显著变化。
C1 C
2 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 直径50微米石英玻璃管 50
当量直径52微米石英玻璃管 当量直径52微米石英玻璃管 52
直径120微米不锈钢管 直径120微米不锈钢管 120
1.3 小型低温制冷机的模拟