传热学-微尺度流动与换热

1、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微尺度流动与换热的一般概念 图图1 多尺度的客观世多尺度的客观世界界 大千世界的物体大千世界的物体尺度变化跨三十余个尺度变化跨三十余个数量级，近数量级，近10余年来余年来科学技术发展的重要科学技术发展的重要方向之一是微型化。方向之一是微型化。 爱因斯坦曾经预言爱因斯坦曾经预言: :“未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军进军” ” ； 1959 1959，美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德，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弗曼在美国西海岸

2、会议上宣读了一篇经典论文“There is plenty of room at bottom”,There is plenty of room at bottom”,首次提出首次提出纳米技术的预言。纳米技术的预言。 1962 1962年，第一个硅微型压力传感器问世，其后年，第一个硅微型压力传感器问世，其后开发出尺寸为开发出尺寸为5050500mm500mm的齿轮、齿轮泵、气动涡的齿轮、齿轮泵、气动涡轮及联结件等微机械轮及联结件等微机械 （里程碑（里程碑 ）。）。 19891989年，在美国盐湖城会议上，首次提出年，在美国盐湖城会议上，首次提出MEMSMEMS概念：概念：Micro-Electr

3、o-Mechanical Micro-Electro-Mechanical SystemsSystems，这是指特征尺度在，这是指特征尺度在 1mm1mm1 1 之间之间集电子、机械于一身的器件。在这样的器件中有气体集电子、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。般的微尺度流动与换热。m2 热流现象的尺度范围热流现象的尺度范围2020 图图2 热流科学研究对象的时间尺度热流科学研究对象的时间尺度2121 图图3 热流科学研究对象的空间尺度热流科学研究对象的空间尺度 3 微尺度流动与换

4、热举例微尺度流动与换热举例（1）微喷管内的流动）微喷管内的流动1570.420.922.421210700.30.10.10.20.3124.51.2基座工质隔板喷嘴加热器图图4 4 微喷管系微喷管系 统示例统示例微喷管微喷管图图5 5 微喷嘴加热系统微喷嘴加热系统5 5 微喷管：微喷管： 缝宽缝宽1919微米，微米， 深深308308微米微米图图6 6 微喷管微喷管6 6 微喷管用于自由分子微电阻加热推力器中，可为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）

5、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（通道宽度喷管喷出，产生推力。推力器尺寸很小（通道宽度1 1100m100m）。它要求加热元件与出口缝隙之间的空）。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，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（单最高温度），提高总效率，从而获得最高的比冲（单

6、位质量推进剂所产生的冲量称为比冲量）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）燃料电池流场板内的流动动 燃料电池流场板内的流动燃料电池等温地将化学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，转化效率可达诺循环地限制，转化效率可达40406060；环境友好，；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量也必火电厂减少4040 以上被认为是以上被认为是2121世纪很有希世纪很有希望的高效、洁净能

7、源。望的高效、洁净能源。 图图7 PEMFC的电化学反应示意图的电化学反应示意图8 8（3）换热器：尺度已经跨越）换热器：尺度已经跨越3个数量级个数量级2222 图图7 换热器的多尺度范围换热器的多尺度范围4 微尺度流动与换热基本特点微尺度流动与换热基本特点（1）面积与体积之比大大增加）面积与体积之比大大增加 常规尺度的物体，例如常规尺度的物体，例如1 1米立方的体积，其表米立方的体积，其表面积为面积为6 6米平方，面积米平方，面积/ /体积之比，体积之比， A/VA/V6m6m-1 -1 1810 将该物体分为尺度为将该物体分为尺度为1 1微米的微米的 小立方体，小立方体，侧面积与体积之比为

8、侧面积与体积之比为A/VA/V6 m6 m-1-1610 在微尺度系统中作用在流体上的体积力与表面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：表面力的地位力的相对重要性发生了巨大的变化：表面力的地位上升：上升： 随着尺度减小，粘性力相对作用增强，惯随着尺度减小，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。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通道长度

9、流体压降很大，沿通道长度流体密度发生显著变化。生显著变化。 尽管通道进口当地尽管通道进口当地MaMa数很小，但是出口处数很小，但是出口处，MaMa可以很大可以很大; ;必须考虑可压缩性；同时流体沿通道必须考虑可压缩性；同时流体沿通道剧烈加速，稀薄性影响逐渐显露。剧烈加速，稀薄性影响逐渐显露。 气体的稀薄性用无量纲数气体的稀薄性用无量纲数KnKn（KnudsenKnudsen）数）数表示：表示： 为气体分子平均自由程；为气体分子平均自由程； L L 为通道特征尺度。为通道特征尺度。KnL 气体流动按气体流动按KnKn数大小的分类（钱学森，数大小的分类（钱学森，19461946）：）： 连续介质区

10、连续介质区 Kn0.0010.001Kn0.10.1Kn10Kn10过渡区过渡区自由分子流自由分子流速度滑移、温度跳跃区速度滑移、温度跳跃区 当气体流动的当气体流动的KnKn数大于数大于0.0010.001以后连续介质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。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）对液体，由于面体比的变化使固体表面的界面效应明显：效应明显：双电层（双电层（Electric Double Layer），电粘），电粘性，电渗，电泳性，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）固体表面的绝对粗糙度在微尺度通道中影响更加明显加明显常规尺度通道常规尺度通道微细尺度通道微细尺度通道同样的绝对粗糙度同样的绝对粗糙度 对内径对内径8 8毫米的毫米的管子在壁面上产生管子在壁面上产生0.1 0.1 微米厚的凝结微米厚的凝结液体大约需要液体大约需要6 6百百万个分子。万个分子。图图8 8 管内凝结的管内凝结的分子动力学模拟分子动力学模拟预测预测1717(a) 日立日立Thermoexcel-E(d) Wielad GEWA-SE (e) Trent 弯翅管弯翅管图图9 部分商用沸腾换热强化表面结构示意图部分商用沸腾换热强化表面结构示意图 (b) Wiel