微尺度流动与换热研究进展

图2 微喷管系 统示例
12
4.5 0.2 0.3 10
加热器 喷嘴 隔板
基座 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） 。
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。
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。
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 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。
1.2 微尺度流动与换热举例 （1）微喷管内的流动
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
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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 1018 小立方体，
侧面积与体积之比为
A/V＝6106 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。
Fluid: N2
Choi et al. (1991)
Circular Channel
Dh (m) 3~81 Roughness：
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 ）。
10
He
N
2
1
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
He
1
N
2
f=56.88/Re
0.1
f
100
Re
1000
图 当量直径为 D=52微米的石英玻璃管实验测定结果
10
He
N 2
f=64/Re
二、wenku.baidu.com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
2004-10-28 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
（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
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： Kn
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）：
Kn 0.001 －连续介质区
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/Re
f=0.3164Re-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
0.001 Kn 0.1 －速度滑移、温度跳跃区
0.1 Kn 10 －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。