1、微尺度流動與換熱研究進展 Recent advances in the study on micro- fluid flow and heat transfer processes 何雅玲，陶文銓 西安交通大學,微型換熱器,2004-10-28 上海,目 錄 一、 什么叫微尺度流動及其例子 1.1 微尺度流動與換熱一般概念 1.2 微尺度流動與換熱舉例 1.3 微尺度流動與換熱基本特點 二、氣體的微尺度流動與換熱 三、液體的微尺度流動與換熱 四、微尺度相變換熱 五、結論,1,一、什么叫微尺度流動及其例子 1.1 微尺度流動與換熱的一般概念,2,圖1 多尺度的客觀世界,大千世界的物體尺度變化跨三

2、十余個數(shù)量級，近10余年來科學技術發(fā)展的重要方向之一是微型化。,2,愛因斯坦曾經(jīng)預言: “未來科學的發(fā)展無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進軍” ；,1959，美國物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德 弗曼在美國西海岸會議上宣讀了一篇經(jīng)典論文“There is plenty of room at bottom”,首次提出納米技術的預言。,1962年，第一個硅微型壓力傳感器問世，其后 開發(fā)出尺寸為50500mm的齒輪、齒輪泵、氣動渦 輪及聯(lián)結件等微機械 （里程碑 ）。 1989年，在美國鹽湖城會議上，首次提出MEMS概念：Micro-Electro-Mechanical Systems，這是指特征尺度在

3、1mm1 之間集電子、機械于一身的器件。在這樣的器件中有氣體或者液體作為工作介質(zhì)，其內(nèi)內(nèi)的流動與換熱就是一般的微尺度流動與換熱。,1.2 微尺度流動與換熱舉例 （1）微噴管內(nèi)的流動,圖2 微噴管系 統(tǒng)示例,微噴管,圖2 微噴嘴加熱系統(tǒng),5,微噴管： 縫寬19微米， 深308微米,圖3 微噴管,6,微噴管用于自由分子微電阻加熱推力器中，可為微型航天器姿態(tài)控制提供動力。其工作原理是采用薄膜電阻做加熱器，通過推進劑分子（水蒸氣或氬氣）與加熱器壁面的碰撞，將能量傳遞給推進劑，再經(jīng)過噴管噴出，產(chǎn)生推力。推力器尺寸很小（通道寬度1100m）。它要求加熱元件與出口縫隙之間的空間等于氣體的平均自由程，從而減少

4、分子之間的碰撞，保證噴出氣體的分子動能等于加熱器的溫度（系統(tǒng)內(nèi)最高溫度），提高總效率，從而獲得最高的比沖（單位質(zhì)量推進劑所產(chǎn)生的沖量稱為比沖量） 。,（2）燃料電池流場板內(nèi)的流動,燃料電池流場板內(nèi)的流動燃料電池等溫地將化學能轉換成為電能，不需要經(jīng)過熱機過程，效率不受卡諾循環(huán)地限制，轉化效率可達4060；環(huán)境友好，幾乎不排放氮氧化合物與硫化物，二氧化碳地排放過量也必火電廠減少40 以上被認為是21世紀很有希望的高效、潔凈能源。,圖4 PEMFC的電化學反應示意圖,8,燃料電池流場板內(nèi)的流場板照片,圖5 燃料電池計算模型,9,（3）電子器件冷卻,1.3 微尺度流動與換熱基本特點,（1）面積與體積之

5、比大大增加,常規(guī)尺度的物體，例如1米立方的體積，其表面積為6米平方，面積/體積之比， A/V6m-1,將該物體分為尺度為1微米的 小立方體， 側面積與體積之比為,A/V6 m-1,在微尺度系統(tǒng)中作用在流體上的體積力與表面 力的相對重要性發(fā)生了巨大的變化：表面力的地位 上升： 隨著尺度減小，粘性力相對作用增強，慣性力作用變小，越靠近壁面這種規(guī)律越明顯。,（2）對氣體可壓縮性大大增加，引起稀薄效應,對氣體在微細通道中的受迫對流，由于單位通道長度流體壓降很大，沿通道長度流體密度發(fā)生顯著變化。,盡管通道進口當?shù)豈a數(shù)很小，但是出口處，但出口Ma可以很大;必須考慮可壓縮性；同時流體沿通道劇烈加速，稀薄性

6、影響逐漸顯露。,氣體的稀薄性用無量綱數(shù)Kn（Knudsen）數(shù)表示： 為氣體分子平均自由程； L 為通道特征尺度。,氣體流動按Kn數(shù)大小的分類（錢學森，1946）： 連續(xù)介質(zhì)區(qū),過渡區(qū),自由分子流,速度滑移、溫度跳躍區(qū),當氣體流動的Kn數(shù)大于0.001以后連續(xù)介質(zhì)的假定失效，流動與換熱呈現(xiàn)出許多新的特點。,（3）對液體，由于面體比的變化使固體表面的界面效應明顯：雙電層（Electric Double Layer），電粘性，電滲，電泳。,（4）固體表面的絕對粗糙度在微尺度通道中影響更加明顯,常規(guī)尺度通道,微細尺度通道,同樣的絕對粗糙度,二、氣體的微尺度流動與換熱,2.1 氣體的流動阻力,早期研究

7、：有的增加，有的減少，數(shù)據(jù)分歧。,Fluid: N2 Circular Channel Dh (m) 381 Roughness： 0.000170.0116 Kn: 0.00060.0185,Choi et al. (1991),Fluids: N2, H2, Ar Trapezoid Channel Dh (m) ： 45.4683.08 Roughness 0.050.30 Kn0.0016,Wu （吳沛宜) and Little(1983),我們的實驗與分析結果發(fā)現(xiàn)，當壁面相現(xiàn)對粗糙都小于1時，層流的理論解 f=64/Re 一直到直徑為20微米的通道仍然適用；但是當相對粗糙度大于1時，

8、側高于常規(guī)通道。,圖5 氣體微通道流動阻力測定實驗系統(tǒng)示意圖,直徑50微米石英玻璃管,當量直徑52微米石英玻璃管,直徑120微米不銹鋼管,圖 直徑為 D=102微米的石英玻璃管實驗測定結果,圖 直徑為 D=75微米的石英玻璃管實驗測定結果,圖 當量直徑為 D=52微米的石英玻璃管實驗測定結果,圖 直徑為 D=172微米的不銹鋼管實驗測定結果,圖 直徑為 D=119微米的不銹鋼管實驗測定結果,10,2.2 氣體稀薄性與可壓縮性的影響,難點：對燃料電池整體過程的建模與預測在幾何上跨34個數(shù)量級；目前多數(shù)人仍用連續(xù)介質(zhì)模型加上經(jīng)驗關聯(lián)式；我們在2年前就設想應用分子動力學模擬或者DSMS來預測催化劑和

9、交換膜中的遷移過程；目前日本、美國部分作者也在進行這一工作；但是如何從連續(xù)介質(zhì)跨到不連續(xù)介質(zhì)，仍然是一個沒有解決的問題。,11,圖6 Stirling制冷機的結構簡圖,1.3 小型低溫制冷機的模擬,12,壓縮機; 2. 水冷卻器; 3. 回熱器; 4. 冷端換熱器; 5. 脈管; 6. 熱端換熱器; 7. 小孔閥; 8. 氣庫; 9. 雙向進氣閥,圖7 脈管制冷機的結構簡圖,13,回熱器采用多空介質(zhì)做填料時，采用格子Boltzmann (LBM) 方法（介觀模型）比較理想；如何將介觀模型與宏觀模型有效地耦合，是急待解決的問題。 MEMS系統(tǒng)中液體在微尺度通道內(nèi)流動時，產(chǎn)生電滲流，壁面附近的電滲

10、流與主流可分別采用LBM方法與連續(xù)介質(zhì)方法，其間的跨越與耦合至關重要.,13,1.4 相變換熱的模擬,一個十分簡單又極難回答的問題：要使蒸汽完全凝結，管子要多長？,圖8 管內(nèi)凝結,14,已有的所謂相變換熱數(shù)值計算，都要將由實驗得出的關聯(lián)式耦合到流場計算中去，例如大型電站凝氣器的計算(Zhang C.),或者管內(nèi)凝結的分析計)(Wang H S, Honda H),均如此。商業(yè)軟件 PHOENICS， FLUENT， STAR-CD 也不能幸免。因為蒸汽如何變成液體的過程連續(xù)介質(zhì)模型的控制方程是沒法模擬的，必須采用分子動力學模擬的方法。,15,圖9 經(jīng)驗關聯(lián)式對結果的影響,16,對內(nèi)徑8毫米的管

11、子在壁面上產(chǎn)生0.1 微米厚的凝結液體大約需要6百萬個分子。,圖10 管內(nèi)凝結的分子動力學模擬預測,17,二、 學科意義與工程意義,1.1 客觀世界本來是多尺度的,18,圖11 多尺度的客觀世界,客觀世界存在多種跨尺度現(xiàn)象，這些現(xiàn)象表面上似乎風馬牛不相及，但是在跨尺度強耦合方面存在驚人的類似性：非平衡、非線性等。 對于某一類問題的統(tǒng)一的處理方法可能使跨尺度現(xiàn)象研究過程中派生出新的學科： 19世紀電學與磁學統(tǒng)一于Maxwell方程； 20世紀生物學與分子研究碰撞出分子生物學。,19,1.2 熱流現(xiàn)象的尺度范圍,20,圖12 熱流科學研究對象的時間尺度,21,圖13 熱流科學研究對象的空間尺度,1

12、.3 換熱器尺度已經(jīng)跨越3個數(shù)量級,22,圖14 換熱器的多尺度范圍,1.4 解決跨尺度模擬與預測可以在更高層次上強化遷移過程 以相變換熱為例，盡管傳熱學基本原理已經(jīng)指出，尖鋒可以強化膜狀凝結，表面上的凹坑可以強化沸騰換熱，但是尖峰與凹坑的形狀又是千奇百怪，目前國內(nèi)外已經(jīng)開發(fā)出多種形式的這類表面。究竟哪一種形式最好，目前完全依靠經(jīng)驗與實驗。,23,(a) 日立Thermoexcel-E,(d) Wielad GEWA-SE,(e) Trent 彎翅管,圖15 部分商用沸騰換熱強化表面結構示意圖,(b) Wieland GEWA-TW,(c) Wolverine-Turbo-B,(f) 燒結表面

13、,24,25,圖16 雙側強化管,Hitachi Review, 1975, 24(8):329-334,圖 17 日立Thermoexcel-C,26,27,圖18 二維微肋管,28,圖19 三維微肋管,下一步該怎樣走？從學術上需要有更高層次的理論與研究方法來指導。 研究跨尺度模擬原理與高效方法是重要途徑之一。 微納米傳熱學的發(fā)展更需要研究跨尺度的模擬問題。,29,三、 目前國內(nèi)外研究情況,2.1 材料科學一馬當先 研究金屬裂縫的發(fā)生與發(fā)展采用了跨尺度模擬?？刂品匠瘫举|(zhì)上是擴散方程，界面跨越相對難度較小。,30,圖20 材料裂縫 的跨尺度模擬,31,圖21 交界區(qū)的耦合,2.2 熱流學科開始

14、起步,質(zhì)子交換膜中的遷移過程用分子動力學模擬，但尚 未跨越；,微尺度液體電滲流采LBM及連續(xù)介質(zhì)的跨越 （2004）；,分子動力學模擬計算凝結系數(shù)也有不少研究，但是尚未跨越；,流動過程的對流項使得尺度的跨越難度大為增加。,32,總體上國內(nèi)跨越研究幾近空白。,四、 開展我國熱流科學跨尺度模擬研究建議,跨尺度熱流科學模擬原理與方法研究是熱流科學的基礎研究，建議國家自然科學基金委予以積極支持；,除了每種尺度模擬方法本身的進一步完善外，關鍵要從過程的第一原理出發(fā)，發(fā)展處理跨越區(qū)內(nèi)的各種耦合的原理與方法；,33,對于幾種典型的跨尺度情形，獲得可靠的實驗數(shù)據(jù)，以作為檢驗跨越計算正確性的標準；,鑒于予傳熱與流動計算中有限容積法應用最廣，因此作為連續(xù)介質(zhì)的模擬方法建議以FVM為主。,建議首先分別研究熱流科學中LBMFVM跨越原理與方法，DSMCFVM跨越原理與方法以及MDFVM跨越原理與方法。在此基礎上，進一步研究兩種跨越：FVMLBMMD；FVMDSMCMD，甚至三種跨越：