微尺度换热与流动研究进展陶文铨课件

微尺度流动与换热研究进展Recentadvancesinthestudyonmicro-fluidflowandheattransferprocesses何雅玲，陶文铨微型换热器

2004-10-28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2

图1多尺度的客观世界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）。1989年，在美国盐湖城会议上，首次提出MEMS概念：Micro-Electro-MechanicalSystems，这是指特征尺度在1mm－1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）微喷管内的流动图2微喷管系统示例微喷管图2微喷嘴加热系统5

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）。（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4PEMFC的电化学反应示意图8图5燃料电池计算模型9（3）电子器件冷却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微米的小立方体，侧面积与体积之比为A/V＝6m-1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：

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）：－连续介质区－过渡区－自由分子流－速度滑移、温度跳跃区当气体流动的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（ElectricDoubleLayer），电粘性，电渗，电泳。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:N2CircularChannelDh(m)3~81Roughness：0.00017~0.0116Kn:0.0006~0.0185Choietal.(1991)Fluids:N2,H2,ArTrapezoidChannelDh(m)：45.46~83.08Roughness0.05~0.30Kn<0.0016Wu（吴沛宜)andLittle(1983)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。

图直径为D=102微米的石英玻璃管实验测定结果

图直径为D=75微米的石英玻璃管实验测定结果

图当量直径为D=52微米的石英玻璃管实验测定结果

图直径为D=172微米的不锈钢管实验测定结果

图直径为D=119微米的不锈钢管实验测定结果102.2气体稀薄性与可压缩性的影响难点：对燃料电池整体过程的建模与预测在几何上跨3～4个数量级；目前多数人仍用连续介质模型加上经验关联式；我们在2年前就设想应用分子动力学模拟或者DSMS来预测催化剂和交换膜中的迁移过程；目前日本、美国部分作者也在进行这一工作；但是如何从连续介质跨到不连续介质，仍然是一个没有解决的问题。11图6Stirling制冷机的结构简图1.3小型低温制冷机的模拟12压缩机;2.水冷却器;3.回热器;4.冷端换热器;5.脉管;6.热端换热器;7.小孔阀;8.气库;9.双向进气阀图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－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，是急待解决的问题。MEMS系统中液体在微尺度通道内流动时，产生电渗流，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，其间的跨越与耦合至关重要.131.4相变换热的模拟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？图8管内凝结14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，例如大型电站凝气器的计算(ZhangC.),或者管内凝结的分析计)(WangHS,HondaH),均如此。商业软件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，必须采用分子动力学模拟的方法。15图9经验关联式对结果的影响16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6百万个分子。图10管内凝结的分子动力学模拟预测17二、学科意义与工程意义1.1客观世界本来是多尺度的18

图11多尺度的客观世界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，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。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：19世纪电学与磁学统一于Maxwell方程；20世纪生物学与分子研究碰撞出分子生物学。191.2热流现象的尺度范围20

图12热流科学研究对象的时间尺度21

图13热流科学研究对象的空间尺度1.3换热器尺度已经跨越3个数量级22

图14换热器的多尺度范围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，尽管传热学基本原理已经指出，尖锋可以强化膜状凝结，表面上的凹坑可以强化沸腾换热，但是尖峰与凹坑的形状又是千奇百怪，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，目前完全依靠经验与实验。23(a)日立Thermoexcel-E(d)WieladGEWA-SE(e)Trent弯翅管图15部分商用沸腾换热强化表面结构示意图

(b)WielandGEWA-TW(c)Wolverine-Turbo-B(f)烧结表面2425

图16双侧强化管

HitachiReview,

1975,24(8):329-334

图17日立Thermoexcel-C2627

图18二维微肋管28

图19三维微肋管下一步该怎样走？从学术上需要有更高层次的理论与研究方法来指导。研究跨尺度模拟原理与高效方法是重要途径之一。

微纳米传热学的发展更需要研究跨尺度的模拟问题。29三、目前国内外研究情况2.1材料科学一马当先

研究金属裂缝的发生与发展采用了跨尺度模拟。控制方程本质上是扩散方程，界面跨越相对难度较小。30图20材料裂缝的跨尺度模拟31

图21交界区的耦合2.2热流学科开始起步质子交换膜中的迁移过程用分子动力学模拟，但尚未跨越；微尺度液体电渗流采LBM及连续介质的跨越（2004）；分子动力学模拟计算凝结系数也有不少研究，但是尚未跨越；流动过程的对流项使得尺度的跨越难度大为增加。32总体上国内跨越研究几近空白。四、开展我国热流科学跨尺度模拟研究建议跨尺度热流科学模拟原理与方法研究是热流科学的基础研究，建议国家自然科学基金委予以积极支持；除了每种尺度模拟方法本身的进一步完善外，关键要从过程的第一原理出发，发展处理跨越区内的各种耦合的原理与方法；33对于几种典型的跨尺度情形，获得可靠的实验数据，以作为检验跨越计算正确性的标准；鉴于予传热与流动计算中有限容积法应用最广，因此作为连续介质的模拟方法建议以FVM为主。建议首先分别研究热流科学中LBM－FVM跨越原理与方法，DSMC－FVM跨越原理与方法以及MD－FVM跨越原理与方法。在此基础上，进一步研究两种跨越：FVM－LBM－MD；FVM－DSMC－MD，甚至三种跨越：FVM－LBM－MD－AB(abi