传热学-微尺度流动与换热

微尺度流动与换热 1微尺度流动与换热的一般概念 图1多尺度的客观世界 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 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 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 其内部的流动与换热就是一般的微尺度流动与换热 2热流现象的尺度范围 20 图2热流科学研究对象的时间尺度 21 图3热流科学研究对象的空间尺度 3微尺度流动与换热举例 1 微喷管内的流动 图4微喷管系统示例 微喷管 图5微喷嘴加热系统 5 微喷管 缝宽19微米 深308微米 图6微喷管 6 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1 100 m 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7PEMFC的电化学反应示意图 8 3 换热器 尺度已经跨越3个数量级 22 图7换热器的多尺度范围 4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 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 尽管通道进口当地Ma数很小 但是出口处 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 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 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8管内凝结的分子动力学模拟预测 17 a 日立Thermoexcel E d WieladGEWA SE e Trent弯翅管 图9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 24 25