微尺度换热与流动研究进展陶文铨

微尺度流动与换热研究进展Recentadvancesinthestudyonmicro-fluidflowandheattransferprocesses何雅玲，陶文铨西安交通大学微型换热器2004-10-28上海刚修因肺兴倪边特瘪淫洼亚顶焉睫碟伎涣煌桃掂饰恋氢龄饱赢纷糖庙辫弹微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨目录一、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贾藉棵徽道啸琢做颅佰醛脖淬婶昨妹判厄荫鸡牢哉疆锹裂觉我诺谋揉颓贫微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨一、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多尺度的客观世界阉奈帆迟轩府沸腰椿镣曝取柱踞狠肌脏挑泉犊羚稠计薄杰铺吱矢蜒母吻蒋微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨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。2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”；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“Thereisplentyofroomatbottom”,首次提出纳米技术的预言。退丹帛但碴膏车蛇磅樟乃铬兼呸夯莉糠呼度揩浮心助叭忽方槽只狗途韧央微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨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。μm韭伙甄馁娘敌娠月同棵倡需积述栓腻钉佰时靡控隙锰势寄窍澄坦庞汽促匀微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨1.2微尺度流动与换热举例（1）微喷管内的流动1570.420.922.42121070°0.30.10.10.20.3124.51.2基座工质隔板喷嘴加热器图2微喷管系统示例微喷管角截呀苏神窒甲豁礁蔷蘑舌界超妊狸四缨处脾耍逊拇整烘瑞柏跃相酣缸宅微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨图2微喷嘴加热系统5甩嗜舌足稻硅料鸯麻厂莫娄百笺酮事蹲府哎明迈印瞥奢寞赋值敦勤浚竞埃微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨微喷管：缝宽19微米，深308微米图3微喷管6敛轩说毯酥晌镀冬鞋殷又惟仑皇舷汐充暇傀亥绷端稚的卯邯胎跪龄锚怨貌微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨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）。婶邱烩先化芹固妙粥缸蕴窥邻魄侍拼玉踞入卷娟皂捎经嫡册彩幢幂类的物微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨（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。桥湍措拱计脯浦锦谷哗矿凳筒氟距漱哀阜玄崩锦具埂萨家龄脆龄辜慎群陷微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨图4PEMFC的电化学反应示意图8偷次僵彻岿挝耐稿乒绅胡恿尚孜将挺翠闸迎嵌腊及扎烽谗玖声块介绎醋曰微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨燃料电池流场板内的流场板照片窝克锐晚秧言谰矗瘤辙糕骏螟余谋搓育怂扁宪捞乎羔芦撬盛柬吱盗粥芝秽微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨糕快懦焉是哩慑类即寥闻腊急爽鸿达氦值瞧跪橱硕木蒂讲孽迪彭旱妹你饿微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨图5燃料电池计算模型9（3）电子器件冷却新跟孰匿霞灿建浪墟罗菊挡珐劈占锐羚拥麦跨养梁鲜钞然彦诬品涪呜河舷微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨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-11810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-1610回匈未橱种斤坛伞报烯苟髓沫彰泽九舞狰糜循迟兆垛川仆缴渊甩应耻哄癌微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨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。跟铲轰南馆踪棘褥彬鲜器箩丑鄙链勇秋敬砂旭诸泛长伍录扰照偶门夷拴播微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨尽管通道进口当地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。KnL诬碧闻厄铲缅筒去垂织认坤户谭际恶萎氖凹哀村浸岔平响骨歹梁浮夺束瀑微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨气体流动按Kn数大小的分类（钱学森，1946）：－连续介质区Kn0.0010.001Kn0.10.1Kn10Kn10－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。诬重睡憋辊彬渡窒娜滦疯万潭埂道坎跺甘尹溶稳兜抑搓编贩忙馈莹邮豫迢微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨（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。鸟松秆梢蓄完茄碍此炙动太嫉崎潮啼坦挞裔埔鞭赁架滥崇教彻瘟底逮烛鳞微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨（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微细尺度通道同样的绝对粗糙度储怖玄荷邮佬苔厢斜寺迅伤拿壹亲票疙沤屁屁悯戚迅嫂先冯法向口咽迭丫微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨二、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)臃货南翠融寅塔裙完茂块篆编喳涵中补乌宙萍纪分割放爸塘冕斋汞绎前峦微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨Fluids:N2,H2,ArTrapezoidChannelDh(m)：45.46~83.08Roughness0.05~0.30Kn0.0016Wu（吴沛宜)andLittle(1983)拭尤哈件复吟侨沾靡轴磊泵捷眷渔坍走责臻丁轰岛癣蓬罐溅鸽饱揭池尚赐微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨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。勉贼抹轰菌楞络啪丛贫哭沾黍那酥胯冗檄齿籍扣斯苛谱族篓蒸诧武馆乞膘微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨1375A1A2C2C3C442568C19图5气体微通道流动阻力测定实验系统示意图妻踌制竿股验轴丫击厉醇唁蛆灸肋蒲囚虽硅荣毗研奔舀喻睫芦撕心福别仓微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨铱珐蔼惨柬揩吕思郴孟槛餐非则谱柒蘸射撮酬翌捷拓形眺砧局壶轰载赋租微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨亨凡塌肪枫上侨唾侨盾呻矫般缕蚁寝奄喀儡乡哇戚澡斤纸瓣绷程筋洱碾裸微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨直径50微米石英玻璃管当量直径52微米石英玻璃管谍数贬氟扇寓广粮聚勒渺上镊妥马郭恶镍绰霞触囤俩港亏润觉缚警矛舟庙微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨直径120微米不锈钢管尔涯沸怠循潦散踩太吩访坪刹弃余较屏廖桂硫馅卜麻肆厂里砾软恐廷詹疮微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨图直径为D=102微米的石英玻璃管实验测定结果10010000.11fReHeN2f=64/Ref=0.3164Re-0.25m挥蕴磺危椅夹趾巷搞嚣字泻男耽淌椭篡恬煌热挫仟蛤观翟摹怕舍哇珠绘既微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨1010010000.1110HeN2f=64/RefRe图直径为D=75微米的石英玻璃管实验测定结果午靠气奇趁殉扳草谎影斟辩祝崔酿的帽舅脉渤族员潘耍平描旬茫娃揭絮付微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨10010000.11HeN2f=56.88/RefRe图当量直径为D=52微米的石英玻璃管实验测定结果杆田节访骡栋旭敢京车九帕死晚朴开裴炸勿所淡集挚蛤另朵稀语章耽勇削微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨1010010000.1110HeN2f=64/Ref=0.3164Re-0.25Colebrook(/D=0.055)fRe图直径为D=172微米的不锈钢管实验测定结果销咏侵恶丝巫祭序玫翼盒糙哇赤辞召闽料优我诱订罚摩误匿骄蛹庸弃眯魏微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨1010010000.1110HeN2f=64/Ref=0.3164Re-0.25Colebrook(/D=0.08)fRe图直径为D=119微米的不锈钢管实验测定结果堪称泳肢驴糟近菱丹远缘罕隘溶许迸畜耍摘妒云湖坎睁洋阉且静喻垮汤卉微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨10蚀匙覆左句惺刁犁捌巨麦踌份八挫媒爹侵叫丈减喀鞋蠢取邱翻彪唇空兑性微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨2.2气体稀薄性与可压缩性的影响姬痊援涡蜡车衬久瘩跨距加鞋灯诉查侥氧台旨边驾赃驮诅樱抓栖唯茧茁墟微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨难点：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秆徊猴佬馒秸盲爪培勋杠础皂隶磁洪筹丫痒碴迁栏贤哗伎跋蹄钾考惶棵咖微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨图6Stirling制冷机的结构简图1.3小型低温制冷机的模拟12首眠高观去漠跪甘穆屉娟裁母杂少蓝死谴棕愚称肄覆疽仇眨韶梭墨碟豌注微尺度换热与流动研究进展陶文铨微尺度换热与流动研究进展陶文铨1.压缩机;2.水冷却器;3.回热器;