傳熱學研討課

HeatTransferSeminar研討主題：微尺度傳熱問題主講老師：王舫傳熱學研討課

HeatTransferSeminar研1課前準備：從研討內容中選定匯報主題，查閱微尺度傳熱研究的相關資料（論文，圖書，專利，新聞等），制作PPT進行課堂匯報。研討內容：微尺度判據；微尺度傳熱特點；微尺度傳熱的主要問題；微尺度傳熱的應用課前準備：從研討內容中選定匯報主題，查閱微尺度傳熱研究的相關2推薦學習資料1.微尺度物質科學國家研究中心，網址：/2.微米/納米尺度傳熱學，劉靜主編3.Nano/microscaleheattransfer推薦學習資料1.微尺度物質科學國家研究中心，網址：http:3微細尺度傳熱：是傳熱學的一個分支，主要研究空間尺度和時間尺度微細情況下的傳熱學規律。“微細”只是一個相對的概念,而不是指某一特定尺度,只是一個相對大小的概念，它不僅包括空間尺度，還包括時間尺度。通常空間微尺度是跨越微米到原子尺度的寬廣范圍:

-微米-亞微米-納米-團簇-原子-（<100um）通常時間微尺度的范圍是:-ns(10-9s)–ps(10-12s)-fs(10-15s)-其中ns是目前數字系統如計算機的時鐘脈沖寬度的量級。什么是微尺度傳熱?微細尺度傳熱：是傳熱學的一個分支，主要研究空間尺度和時間尺度4（1）面積與體積之比大大增加

常規尺度的物體，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/V＝6m-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/V＝6m-1微尺度流動與傳熱的特點（1）面積與體積之比大大增加常規尺度的物體，例如5

在微尺度系統中作用在流體上的體積力與表面力的相對重要性發生了巨大的變化：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生顯著變化。微尺度流動與傳熱的特點在微尺度系統中作用在流體上的體積力與表面力的相對6

盡管通道進口當地Ma數很小，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，稀薄性影響逐漸顯露。

氣體的稀薄性用無量綱數Kn（Knudsen）數表示：

為氣體分子平均自由程；

L為通道特征尺度。微尺度流動與傳熱的特點盡管通道進口當地Ma數很小，但出口Ma可以很大;7

氣體流動按Kn數大小的分類（錢學森，1946）：

－連續介質區－過渡區－自由分子流－速度滑移、溫度跳躍區

當氣體流動的Kn數大于0.001以后連續介質的假定失效，流動與換熱呈現出許多新的特點。微尺度流動與傳熱的特點氣體流動按Kn數大小的分類（錢學森，1946）：8（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（ElectricDoubleLayer），電粘性，電滲，電泳。微尺度流動與傳熱的特點（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9（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尺度通道微細尺度通道同樣的絕對粗糙度微尺度流動與傳熱的特點（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尺度10微尺度傳熱研究的主要問題微尺度導熱微尺度流動和對流換熱微尺度熱輻射微尺度的相變傳熱

微尺度傳熱研究的主要問題微尺度導熱11微尺度傳熱研究的主要問題微尺度導熱導熱系數的尺度效應

導熱系數的尺度效應的物理機制來自于兩個方面：一是與導熱問題中的特征長度有關；另一方面導熱能力與材料中晶粒大小有關，當尺寸減小時，晶粒尺寸會隨之減小，由于晶粒界面增大，所以輸運能力減弱，導熱系數降低。導熱的波動效應研究導熱問題時，最常用的是傅立葉定律，即熱流與溫度梯度成正比，然而,在研究快速瞬態導熱時,發現傅立葉定律不再適用，此時熱量溫度傳播是以波動方式傳播，這與基于傅立葉定律的拋物型導熱方程所闡述的的能量傳遞方式有很大不同。導熱的輻射效應

電子器件和電子封裝中的介電薄膜材料的導熱行為可能產生異常情況，當膜厚很小時，可以用輻射傳遞問題來分析和討論晶格振動。微尺度傳熱研究的主要問題微尺度導熱導熱系數的尺度效應12微尺度傳熱研究的主要問題微尺度流動和對流換熱流動阻力規律與常規尺寸條件下的不同充分發展通道流的阻力因子與雷諾數的乘積不再是常數，而應是雷諾數的函數。微細通道湍流的Nu比常規情況高微細通道流傳熱數據很分散微細通道層流向湍流過渡的雷諾數減小微尺度傳熱研究的主要問題微尺度流動和對流換熱流動阻力規律與常13微尺度傳熱研究的主要問題微細尺度熱輻射在微尺度條件下熱輻射主要與聲子自由程、光子波長和光子相干長度有關。輻射性質與微尺度的關系,幾何光學區、電磁微尺度區、電子傳輸微尺度區、量子尺寸區的輻射特性,微尺度輻射與傳統幾何光學區輻射的偏離;薄膜、微槽表面的熱輻射特性及其制造過程中的熱控制;微多孔材料內的輻射熱傳輸。微尺度傳熱研究的主要問題微細尺度熱輻射在微尺度條件下熱輻射主14微尺度傳熱研究的主要問題微細尺度的相變傳熱相變傳熱中的微細尺度傳熱問題可分成兩大類：一是常規尺度容器中的沸騰或凝結中尚有很多微細尺度的傳熱問題：如有關汽泡、液滴的成核和相變過程中的薄液膜換熱等等，核的存活直徑和液膜厚度都具有亞毫米至微米量級另一類是當容器或通道尺寸縮小至與核的臨界直徑具有同一量級時,相變及其換熱規律必會發生變化。微尺度傳熱研究的主要問題微細尺度的相變傳熱相變傳熱中的微細尺15微納尺度傳熱學的基本分析方法按照從連續介質現象到量子現象的特征尺寸，迄今比較適合于分析微傳熱和流動問題的主要方法有如下幾類：Boltzmann方程方法分子動力學方法直接Monte-Carlo模擬方法量子分子動力學方法微納尺度傳熱學的基本分析方法按照從連續介質現象到量子現象的特16微尺度傳熱的基本分析方法Boltzmannn方法被公認為是一種極具普適性和有效性的工具；分子動力學方法則用于揭示那些量子力學效應不明顯時的物理現象的分子特征，它們也對分子統計理論，如Boltzmann方法及直接Monte-Carlo模擬法，提供分子碰撞動力學方面的知識；直接Monte-Carlo模擬則是一種計算微尺度器件內(通常其Knudsen數較大)尤其是稀薄氣體流的流動和傳熱問題的方法；對于具有量子效應的物理過程，如光與物質的相互作用、金屬材料中的熱傳導問題等，應采用量子分子動力學方法。微尺度傳熱的基本分析方法Boltzmannn方法被公認為是一17微尺度傳熱的應用1、薄膜中的熱傳導1987年,瑞士科學家發現YBa2Cu3O7陶瓷在溫度35K以上具有超導電性即高溫超導性。人們第一次認識到自然界存在一個超導體及半導體均可工作的溫度范圍,于是一種集超導體-半導體于一身的功能強大的復合器件應運而生。這類器件的基本單元是一種沉積在硅或鎵砷化物基底上的高溫超導薄膜,其內外的傳熱問題與超導的研究和應用密切相關,因而對薄膜熱物性及其熱輸運規律進行研究自然就成為提高儀器性能的關鍵所在。微尺度傳熱的應用1、薄膜中的熱傳導1987年,瑞士科學家18微尺度傳熱的應用2、計算機元器件及其傳熱問題

近年來,微電子工業發展的一個顯著特點是個人計算機和工作站呈爆炸般增長,MEMS的影響遍及儀器、醫療、生物系統、機器人、設計、導航及計算機應用等幾乎所有現代科技領域。我國也開展這一學科的研究,并在納米科學的某些領域如定向碳納米管陣列、一維納米線等還取得了引人注目的成就。

微尺度傳熱的應用2、計算機元器件及其傳熱問題近年來,微電19微尺度傳熱的應用3、微型換熱器及其傳熱問題微型換熱器涉及相當廣泛的領域,在電子器件、微電子機械系統、一些現代最先進的生物技術和微醫療儀器等方面都得到了充分的應用。隨著當前微系統與納米技術的飛速發展,各種令人耳目一新的微型換熱器層出不窮。現代微制造技術的進展已經使得加工由多個水力學直徑在10～1000μm之間的微型管道組成的換熱器成為可能。微熱管運行示意圖微尺度傳熱的應用3、微型換熱器及其傳熱問題微型換熱器涉及相當20微尺度傳熱的應用4、微尺度熱驅動技術在某些環境下,熱信號被認為是控制一些“微小”機器的最合適的工具之一,除電場之外,溫度或溫度梯度可對一定成型表面上的微小流體流動起到