传热学-学习课件-专题1-微尺度传热问题.pptx

1、传热学传热学研讨课研讨课 Heat Transfer Seminar研讨主题：研讨主题：微尺度传热微尺度传热问题问题主讲老师：王舫课课前准备：前准备：从研讨内容中选定汇报主题，从研讨内容中选定汇报主题，查阅微尺度传热研究的查阅微尺度传热研究的相关资料（论文，图书，专利，新闻等），相关资料（论文，图书，专利，新闻等），制作制作PPT进行课堂进行课堂汇报汇报。研讨内容：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：http:/ heat transfer 微细微细尺度尺度传热传热：是传热学的一个分支，主要研究空间尺度和

2、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-（10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以后连续介质的假定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。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微尺度流动与传热的特点（3 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）对液体，由于面

3、体比的变化使固体表面的界面效应明显：双电层（Electric Double LayerElectric Double Layer），电粘性，电渗，电泳。），电粘性，电渗，电泳。微尺度流动与传热的特点微尺度流动与传热的特点（4 4）固体表面的绝对粗糙度在微尺度通道中影响更加明显）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微尺度流动与传热的特点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传热研究的主要

4、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

5、尺度传热研究的主要问题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尺度传热研究的主要问题 微细尺度热辐射p 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。p 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

6、辐射热传输。微尺度传热研究的主要问题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：问题的

7、主要方法有如下几类：BoltzmannBoltzmann方程方法方程方法 分子动力学方法分子动力学方法 直接直接Monte-CarloMonte-Carlo模拟方法模拟方法 量子分子动力学方法量子分子动力学方法微尺度传热的基本分析方法微尺度传热的基本分析方法BoltzmannnBoltzmannn方法被公认为是一种方法被公认为是一种极具普适性和有效性的工具极具普适性和有效性的工具；分子动力学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，如理现象的分子特征，它们也对分子统计理论，如BoltzmannBoltz

8、mann方法及直接方法及直接Monte-CarloMonte-Carlo模拟法，提供分子碰撞动力学方面模拟法，提供分子碰撞动力学方面的知识的知识；直接直接Monte-CarloMonte-Carlo模拟则是一种计算微尺度器件内模拟则是一种计算微尺度器件内(通常其通常其KnudsenKnudsen数较大数较大)尤其是稀薄气体流的流动和传热问题的方法尤其是稀薄气体流的流动和传热问题的方法；对于对于具有量子效应的物理过程，如光与物质的相互作用、金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属材料中的热传导问题等，应采用量子分子动力学方法。方法。微尺度传

9、热的应用微尺度传热的应用1、薄膜中的热传导 1987年,瑞士科学家发现 YBa2Cu3O7陶瓷在温度35 K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

10、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 101000m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”机器的最合适的工具之一,除电场之外,温度或温度梯度可对一定成型表面上的微小流体流动起到导向作用。汽泡驱动的微型热效应管(悬臂末端的平板可随微小汽泡的形成而朝上移动)微尺度传热的应用微尺度传热的应用5、微尺度生物传热微尺度下的生物传热问题实际上是形形色色的，如在生命个体中，一些生物体与生俱来的天然结构就包含着独特的微质量和能量输运机理。Thanks