微尺度传热课件-peakchina microscale-ncov

1、Microscale and miniscale Natural ConvectionBackgroundThermal design of MEMS, for example, micro convective accelerometer Cooling of micro electronic component Others器件结构研究状况微尺度与小尺度自然对流研究的需求不足，研究尚不深入；与大尺度自然对流的联系和区别没有得到较好的澄清；实验研究很少，数值分析以椭圆型方程为基础进行计算。FeaturesSmaller Gr, difficult to reach turbulentBoun

2、dary (3-D) effect es strongerBoundary layer equations are not validEffect of variable property should be consideredSmaller velocity corresponds to smaller inertial effect 基本机制1. 边界层假设不再成立，边缘效应增强；2. Gr 越小，导热作用越强，对流作用越弱； 数学表现： Nu 和 Gr的关系越来越弱；3. 热和流动区域分成两部分：内区为导热区，外区为导热和对流共同作用区；边界层假设不再成立，边缘效应增强1.边缘效应 实

3、验装置：基底绝 热的竖窄条边界层方程不再适用边缘效应增强，换热发生了很大变化 对竖直细丝的自然对流来说，等壁温和等热流条件的结果没有多少差别。其原因就在于边缘效应或三维效应的增强。Gr 越小，导热作用越强，对流作用越弱表面温度恒定的球置于静止流体中, Nu=2 （特征尺度，d)平板间导热，特征尺度为板的厚度 Nu=1导热和对流的对比发生了变化从上述小尺寸竖直平板（壁面温度随着板高周期变化）的流线图和等温图可以看出： 随着Gr的增大，导热的作用变小，对流 作用增大；相应数学表达式为： 点加热源的Nu 与 Gr数的关系3.热和流动存在的分区 实线代表流线，虚线代表 等温线；从图中可以看出， 接近加

4、热点源附近的是 导热区，而外面则既有导 热又有对流； 作用力的相对重要性可能会发生变化 Macroscale Natural ConvectionIsothermal vertical plate Nu(GrPr)1/4 laminar flow Nu(GrPr)1/3 turbulent flow Heat transfer coefficient is independent on height Physical meaning of Gr Inertial force Buoyancy force Viscous forceFor laminar flow, inertial force

5、 and viscous force may be of same order or inertial force may dominate the fluid flow, nevertheless, viscous force may be much larger than inertial force due to very large turbulent viscosity for turbulent flow. Which leads to different relation for Nu to Gr.Effect of viscous force relative to inert

6、ial force will increase with characteristic scale decrease Inertial force L2Viscous force LMicroscale natural convectionMomentum equationFor natural convection around normal-sized object:buoyancy driving forceinertial is dominant over viscous force as ratio of inertial to viscous forceratio of conve

7、ction to conductionFor small sized objectbuoyancy driving forceviscous is dominant over inertial force asratio of inertial to viscous forceratio of convection to conductionRelative importance of forcesNu versus Gr微尺度自然对流的应用范例 热对流加速度计的热分析 和热设计线性度：量程和灵敏度：结 论N-S方程虽然依旧成立；边缘效应增强，边界层假设不成立；导热作用随Gr的减小而增强；粘性力与惯性力的相对重要性发生了变