【毕业学位论文】（Word原稿）微纳系统中三类典型流动与传热机理及分析-热能工程博士论文

分类号 密级 621 编号 中国科学院研究生院 博士学位论文 微纳系统中三类典型流动与传热机理及分析 指导教师 研究员 申请学位级别 博士 学科专业名称 热能工程 论文提交日期 2009 年 5 月 论文答辩日期 2009 年 6 月 培养单位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 009 摘 要 I 摘 要 微尺度流动是研究微控制器、微反应器、微换热器、微燃料电池等微流控与微执行器件的基础。深入了解微尺度下的流动对微流控与微执行器的设计与运行有重要指导意义。通常情况下，流动可划分为单相和多相流，层流和湍流。基于微尺度流动的应用，本文把微尺度下的流动划分为连 续流，混沌流动和数字化流。通过实验、数值模拟和理论建模，对这三种典型流动的现象和机理作了深入细致的研究。 微尺度下连续流的主要应用是电子冷却。本文研究了微尺度下，利用流动和热边界的再发展概念强化换热和降低流动阻力的可能性和相关机理。 实验件为标准 0 x 7 x 硅基热沉。在热沉上分别刻蚀着普通微通道和具有周期性中断结构的微通道（水力直径 155m）。本文的数值模拟和实验数据吻合。数值模拟和实验结果表明：采用边界层中断概念制作的微通道传热性能大大提高，相应的流动阻 力却没有增加，甚至在某些情况下降低。通过数值模拟，得到了流体内部流场和温度场。研究发现在中断微通道内，流动和温度边界层出现周期性发展。当工质的 大于 1 时，热边界层发展得比流动边界层慢。因此， 是中断微通道有实用价值的必要条件。 为研究微尺度下流动和传热中的混沌现象，本文设计了几个不同尺寸的脉冲热管，获得了它们在不同工况下的温度时间序列。根据温度时间序列，计算了混沌特征量如 ，奇怪吸引子的关联维和 数，从而证实了脉冲热管里的两相流动是确定性混沌运动。通过比较不 同工况参数（加热功率、倾角、充液比和工质）下的换热效率和混沌特征量，给出了换热效果与混沌状态的关系 混沌程度越高，换热效果越好。此外，由混沌吸引子相图和关联维可以判断脉冲热管所对应的不同动力系统和流型。 最后，本文研究了利用同轴毛细管形成串联 微流控装置。这种装置可以生成高度可控的数字化流复合液滴。只需调整流量，就能改变复合液滴大小、生成频率。对这种依靠多重 成复合液滴的过程，本文进行了深入细致的数值模拟。几何参数和各种无量纲参数如 、 ，以及不同流体的粘性比 、密度比等对生成液滴的影响，都在文中作了详细讨论。本文还进一步研究了轴对称和非对称微纳系统中三类典型流动与传热机理及分析 置中生成的复合液滴的稳定性问题。此外，我们以微尺度下的低雷诺数理论为基础，建立了单一复合液滴在长毛细管里运动的理论模型。通过联合转换圆柱坐标和双球坐标，获得了这个理论模型以流函数形式表示的精确级数解，成为进一步研究数字化流复合液滴的运动的基础。 本文的研究可以为微芯片电子冷却和微流控系统的设计和运行提供科学指导。 关键词： 流控；连续流；混沌；数字化流 摘 要 in is to as It is to to of or is or to of we We by is in on of we in in of 0 x 7 x is is in of 55m. of by a in t In in of of is It is a to as is is in We in a 纳系统中三类典型流动与传热机理及分析 IV on of of 0 x 7 x is is in of 55m. in in t or of be be of as is We to in We of by we of We is By as we as we by of we a on a of in to By we of be by We on of of 要 V We In on we a a in of is be to of of of 录 录 摘 要 . I . 言 . 1 尺度概念及相关研究 . 1 统 . 1 尺度流动与传热的典型应用 . 2 微尺度流动与传热的存在的问题 . 4 尺度流动与传热的特点 . 4 尺度流动与传热的实验研究方法 . 6 尺度流动与传热的数值模拟方法 . 7 法 . 7 法 . 9 微尺度下三种典型流动的研究现状和存在问题 . 10 纳尺度的三种流动形态 . 10 续流 . 12 沌流动 . 14 液滴的数字化流动 . 14 文的研究目的和研究内容 . 16 究目的 . 16 究内容 . 16 有交错结构的微通道中单相连续流强化换热研究 . 16 于自然循环的脉冲热管混沌分析 . 17 字化流中的复合液滴的生成和稳定性分析 . 17 第二章 中断与常规微通道传热性能的数值模拟 . 18 言 . 18 验描述 . 19 个硅基上的三维数值模拟 . 21 界条件 . 22 格划分 . 22 件运行 . 23 数定义 . 24 果与讨论 . 26 经典理论解的比较 . 26 实验结果的对比 . 26 通道流动与传热的多通道效应 . 28 类微通道中的流动与传热 . 30 类热沉总强化传热与减小流动阻力的效 果 . 37 章小结 . 38 第三章 脉冲热管中的混沌流动分析 . 40 言 . 40 验装置 . 42 混沌分析方法 . 44 微纳系统中三类典型流动与传热机理及分析 相空间重构 . 44 空间中的奇怪吸引子 . 45 联维和 . 45 标度极差统计分析 : 数 . 46 果和讨论 . 47 间序列的常规分析 . 47 线性分析 . 51 同参数对脉冲热管的复杂度的影响 . 56 章小结 . 61 第四章 复合液滴在毛细管中的运动 理论模型 . 62 言 . 62 题描述 . 63 球坐标系 . 65 柱坐标系 . 71 坐标和双球坐标的转换 . 76 果与讨论 . 83 的验 证 . 83 场 . 84 曳力 . 85 曳力 . 86 用于内球的曳力 . 90 定性分析 . 94 章小结 . 95 第五章 复合液滴的生成和数字化流运动 数值模拟 . 96 言 . 96 题描述 . 96 法验证 . 101 果与讨论 . 101 论 . 114 第六章 结论与展望 . 115 文的主要结论 . 115 文的研究意义及创新之处 . 116 望与建议 . 117 附 录 . 125 附录 1 第二章符号表 . 125 附录 2 第三章符号表 . 127 附录 3 第四章符号表 . 128 附录 4 第五章符号表 . 129 附录 5 程序 . 130 攻读博士学位其间发表的论文目录 . 136 致 谢 . 137 引 言 1 引 言 尺度概念及相关研究 微尺度是对空间尺寸和时间尺度大小的定义。当前人类所能探测空间和时间涵盖了从原子尺寸（皮米量级）到天体距离（光年距离）；从原子核的衰变（皮秒量级）到天体的演化（百亿年量级）。然而，人类对微观尺度的认识远远落后于宏观尺度。自从第一台显微镜问世，人们对微观尺度的认识就不断 拓展。 1959 年，诺贝尔物理奖得主 美国物理协会的年会上的报告 1 “ s at 中提出了“制造微小的可移动机器”的构想，预示着微尺度研究时代的到来。近数十年来，随着微机电系统 (术的迅速发展，人们对于微观的物理现象以及物理机制有了一定的认识，并在生产和生活中得到了广泛的应用。 预言已经成为现实。半个多世纪以来，技术和产品的微型化已经从最初的微电子领域扩展到机械、能源、生化和材料等各个学科领域。 统 1988 年，加州大学伯克利分校制作了一个微型静电马达 3，开辟了人类微加工技术的新纪元。此后， 术迅速发展，应用范围也不断拓宽。仅仅 15 年后，伯克利分校的科学家又制成了世界上第一个纳米级的静电马达 4。目前，微加工技术已经渗透到生物、医药、航天以及电子等各个领域。上世纪七十年代末，硅加工和光刻信号传输和处理单元 能源供给 传感器 执行器 微系统 图 微系统结构图 微纳系统中三类典型流动与传热机理及分析 2 蚀技术被广泛用于微型机械零部件加工 2，标志着 电机系统）技术的开端。微机电系统是由电子和机械元件组成的集成化的微型器件或系统。它是以微电子加工技术为基础发展起来的，可以看作 是集成电路的扩展。通常，一套完整的微系统是把件如微传感器、微执行器和处理单元（微电子设备）封装到一个硅基片上，如图 示。这些器件完成传感、控制以及执行等任务。微传感器获得的力、热、磁、化学以及电磁等信号，经过微电子设备处理，由微执行器完成系统要求的功能。总的来说， 有如下几个特征 5： 1. 件一般为毫米到微米量级。它小于宏观机械的常规尺寸，但不属于物理上的微观尺寸（如分子、原子量级）。 2. 件一般基于硅微加工技术制造。 3. 与微电子芯片相似，可以大批量生产，因此性价比传统机 械制造技术有大幅度的提高。 4. “机械”不仅仅局限于狭义的力学中的机械。它代表一切具有能量转化、传输等功能的效应，包括力、热、声、光、磁，以及化学生物效应等。 5. 目标是“微机械”与 艺结合的微系统，并朝着智能化方向发展。 如今，技术和应用己广泛渗透到人们的生产和生活中，微传感器被用于汽车发动机和气囊 6，微型热交换器用来冷却电子电路，微热管技术应用于红外探测器以及高频流体控制系统，微型泵广泛应用在环境检测以及电子冷却等领域 .件的应用给人们的生产生活带 来很大的方便。 作为一种典型的多学科交叉的前沿研究， 术几乎涉及到自然科学和工程科学的所有领域。本文涉及到的微尺度流动和传热即为传统的基础学科流体力学和传热学与 术结合的典范。 尺度流动与传热的典型应用 随着微加工技术的发展和日益完善，更多精细的微纳米器件被制作出来，并在工程和生活得到应用。喷墨打印机喷头上的微喷管是 件最为成功的早期应用之一。如图 示，喷墨打印机的喷头上布置了上千个喷管，这些喷管的特征直径一般为 3060 微米。喷管越精细，产生的液滴越小，则 打印图片的精度越高。 引 言