传热学-学习课件-专题1-微尺度传热问题

传热学研讨课

HeatTransferSeminar研讨主题：微尺度传热问题主讲老师：王舫课前准备：从研讨内容中选定汇报主题，查阅微尺度传热研究的相关资料（论文，图书，专利，新闻等），制作PPT进行课堂汇报。研讨内容：微尺度判据；微尺度传热特点；微尺度传热的主要问题；微尺度传热的应用推荐学习资料1.微尺度物质科学国家研究中心，网址：/2.微米/纳米尺度传热学，刘静主编3.Nano/microscaleheattransfer微细尺度传热：是传热学的一个分支，主要研究空间尺度和时间尺度微细情况下的传热学规律。“微细”只是一个相对的概念,而不是指某一特定尺度,只是一个相对大小的概念，它不仅包括空间尺度，还包括时间尺度。通常空间微尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:

-微米-亚微米-纳米-团簇-原子-（<100um）通常时间微尺度的范围是:-ns(10-9s)–ps(10-12s)-fs(10-15s)-其中ns是目前数字系统如计算机的时钟脉冲宽度的量级。什么是微尺度传热?（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微尺度流动与传热的特点

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。微尺度流动与传热的特点

尽管通道进口当地Ma数很小，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。微尺度流动与传热的特点

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。微尺度流动与传热的特点（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。微尺度流动与传热的特点（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微尺度流动与传热的特点微尺度传热研究的主要问题微尺度导热微尺度流动和对流换热微尺度热辐射微尺度的相变传热

微尺度传热研究的主要问题微尺度导热导热系数的尺度效应

导热系数的尺度效应的物理机制来自于两个方面：一是与导热问题中的特征长度有关；另一方面导热能力与材料中晶粒大小有关，当尺寸减小时，晶粒尺寸会随之减小，由于晶粒界面增大，所以输运能力减弱，导热系数降低。导热的波动效应研究导热问题时，最常用的是傅立叶定律，即热流与温度梯度成正比，然而,在研究快速瞬态导热时,发现傅立叶定律不再适用，此时热量温度传播是以波动方式传播，这与基于傅立叶定律的抛物型导热方程所阐述的的能量传递方式有很大不同。导热的辐射效应

电子器件和电子封装中的介电薄膜材料的导热行为可能产生异常情况，当膜厚很小时，可以用辐射传递问题来分析和讨论晶格振动。微尺度传热研究的主要问题微尺度流动和对流换热流动阻力规律与常规尺寸条件下的不同充分发展通道流的阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数，而应是雷诺数的函数。微细通道湍流的Nu比常规情况高微细通道流传热数据很分散微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小微尺度传热研究的主要问题微细尺度热辐射在微尺度条件下热辐射主要与声子自由程、光子波长和光子相干长度有关。辐射性质与微尺度的关系,几何光学区、电磁微尺度区、电子传输微尺度区、量子尺寸区的辐射特性,微尺度辐射与传统几何光学区辐射的偏离;薄膜、微槽表面的热辐射特性及其制造过程中的热控制;微多孔材料内的辐射热传输。微尺度传热研究的主要问题微细尺度的相变传热相变传热中的微细尺度传热问题可分成两大类：一是常规尺度容器中的沸腾或凝结中尚有很多微细尺度的传热问题：如有关汽泡、液滴的成核和相变过程中的薄液膜换热等等，核的存活直径和液膜厚度都具有亚毫米至微米量级另一类是当容器或通道尺寸缩小至与核的临界直径具有同一量级时,相变及其换热规律必会发生变化。微纳尺度传热学的基本分析方法按照从连续介质现象到量子现象的特征尺寸，迄今比较适合于分析微传热和流动问题的主要方法有如下几类：Boltzmann方程方法分子动力学方法直接Monte-Carlo模拟方法量子分子动力学方法微尺度传热的基本分析方法Boltzmannn方法被公认为是一种极具普适性和有效性的工具；分子动力学方法则用于揭示那些量子力学效应不明显时的物理现象的分子特征，它们也对分子统计理论，如Boltzmann方法及直接Monte-Carlo模拟法，提供分子碰撞动力学方面的知识；直接Monte-Carlo模拟则是一种计算微尺度器件内(通常其Knudsen数较大)尤其是稀薄气体流的流动和传热问题的方法；对于具有量子效应的物理过程，如光与物质的相互作用、金属材料中的热传导问题等，应采用量子分子动力学方法。微尺度传热的应用1、薄膜中的热传导1987年,瑞士科学家发现YBa2Cu3O7陶瓷在温度35K以上具有超导电性即高温超导性。人们第一次认识到自然界存在一个超导体及半导体均可工作的温度范围,于是一种集超导体-半导体于一身的功能强大的复合器件应运而生。这类器件的基本单元是一种沉积在硅或镓砷化物基底上的高温超导薄膜,其内外的传热问题与超导的研究和应用密切相关,因而对薄膜热物性及其热输运规律进行研究自然就成为提高仪器性能的关键所在。微尺度传热的应用2、计算机元器件及其传热问题

近年来,微电子工业发展的一个显著特点是个人计算机和工作站呈爆炸般增长,MEMS的影响遍及仪器、医疗、生物系统、机器人、设计、导航及计算机应用等几乎所有现代科技领域。我国也开展这一学科的研究,并在纳米科学的某些领域如定向碳纳米管阵列、一维纳米线等还取得了引人注目的成就。

微尺度传热的应用3、微型换热器及其传热问题微型换热器涉及相当广泛的领域,在电子器件、微电子机械系统、一些现代最先进的生物技术和微医疗仪器等方面都得到了充分的应用。随着当前微系统与纳米技术的飞速发展,各种令人耳目一新的微型换热器层出不穷。现代微制造技术的进展已经使得加工由多个水力学直径在10～1000μm之间的微型管道组成的换热器成为可能。微热管运行示意图微尺度传热的应用4、微尺度热驱动技术在某些环境下,热信号被认为是控制一些“微小”机器的最合适