微尺度传热及其研究进展
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
热流密度大 60-100 w/cm2 高运行速度 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%）
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
Байду номын сангаас
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
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。
微细尺度对流换热影响因素
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。
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 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。
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 L< λ
傅里叶定律适用，宏观区 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
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
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
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。
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)。 • (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. • (5) 微细通道湍流的Nu比常规情况高5 ~7 倍.
2.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，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
热流密度大 60-100 w/cm2 高运行速度 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%）
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
Байду номын сангаас
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
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。
微细尺度对流换热影响因素
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。
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 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。
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 L< λ
傅里叶定律适用，宏观区 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
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
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
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。
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)。 • (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. • (5) 微细通道湍流的Nu比常规情况高5 ~7 倍.
2.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，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。