傳熱學(xué)-學(xué)習(xí)課件-專題1-微尺度傳熱問題

傳熱學(xué)研討課

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

HeatTransferSeminar研1課前準(zhǔn)備：從研討內(nèi)容中選定匯報主題，查閱微尺度傳熱研究的相關(guān)資料（論文，圖書，專利，新聞等），制作PPT進(jìn)行課堂匯報。研討內(nèi)容：微尺度判據(jù)；微尺度傳熱特點(diǎn)；微尺度傳熱的主要問題；微尺度傳熱的應(yīng)用課前準(zhǔn)備：從研討內(nèi)容中選定匯報主題，查閱微尺度傳熱研究的相關(guān)2推薦學(xué)習(xí)資料1.微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心，網(wǎng)址：/2.微米/納米尺度傳熱學(xué)，劉靜主編3.Nano/microscaleheattransfer推薦學(xué)習(xí)資料1.微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心，網(wǎng)址：http:3微細(xì)尺度傳熱：是傳熱學(xué)的一個分支，主要研究空間尺度和時間尺度微細(xì)情況下的傳熱學(xué)規(guī)律?！拔⒓?xì)”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?？臻g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(tuán)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(shù)字系統(tǒng)如計算機(jī)的時鐘脈沖寬度的量級。什么是微尺度傳熱?微細(xì)尺度傳熱：是傳熱學(xué)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(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/V＝6m-1

將該物體分為尺度為1微米的小立方體，側(cè)面積與體積之比為A/V＝6m-1微尺度流動與傳熱的特點(diǎn)（1）面積與體積之比大大增加常規(guī)尺度的物體，例如5

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(qiáng)，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(yīng)

對氣體在微細(xì)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。微尺度流動與傳熱的特點(diǎn)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6

盡管通道進(jìn)口當(dāng)?shù)豈a數(shù)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(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。微尺度流動與傳熱的特點(diǎn)盡管通道進(jìn)口當(dāng)?shù)豈a數(shù)很小，但出口Ma可以很大;7

氣體流動按Kn數(shù)大小的分類（錢學(xué)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(dāng)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(diǎn)。微尺度流動與傳熱的特點(diǎn)氣體流動按Kn數(shù)大小的分類（錢學(xué)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(yīng)明顯：雙電層（ElectricDoubleLayer），電粘性，電滲，電泳。微尺度流動與傳熱的特點(diǎn)（3）對液體，由于面體比的變化使固體表面的界面效應(yīng)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(guī)尺度通道微細(xì)尺度通道同樣的絕對粗糙度微尺度流動與傳熱的特點(diǎn)（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10微尺度傳熱研究的主要問題微尺度導(dǎo)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(dǎo)熱11微尺度傳熱研究的主要問題微尺度導(dǎo)熱導(dǎo)熱系數(shù)的尺度效應(yīng)

導(dǎo)熱系數(shù)的尺度效應(yīng)的物理機(jī)制來自于兩個方面：一是與導(dǎo)熱問題中的特征長度有關(guān)；另一方面導(dǎo)熱能力與材料中晶粒大小有關(guān)，當(dāng)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(yùn)能力減弱，導(dǎo)熱系數(shù)降低。導(dǎo)熱的波動效應(yīng)研究導(dǎo)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(tài)導(dǎo)熱時,發(fā)現(xiàn)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(dǎo)熱方程所闡述的的能量傳遞方式有很大不同。導(dǎo)熱的輻射效應(yīng)

電子器件和電子封裝中的介電薄膜材料的導(dǎo)熱行為可能產(chǎn)生異常情況，當(dāng)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(dǎo)熱導(dǎo)熱系數(shù)的尺度效應(yīng)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(guī)律與常規(guī)尺寸條件下的不同充分發(fā)展通道流的阻力因子與雷諾數(shù)的乘積不再是常數(shù)，而應(yīng)是雷諾數(shù)的函數(shù)。微細(xì)通道湍流的Nu比常規(guī)情況高微細(xì)通道流傳熱數(shù)據(jù)很分散微細(xì)通道層流向湍流過渡的雷諾數(shù)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(guī)律與常13微尺度傳熱研究的主要問題微細(xì)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(guān)。輻射性質(zhì)與微尺度的關(guān)系,幾何光學(xué)區(qū)、電磁微尺度區(qū)、電子傳輸微尺度區(qū)、量子尺寸區(qū)的輻射特性,微尺度輻射與傳統(tǒng)幾何光學(xué)區(qū)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(nèi)的輻射熱傳輸。微尺度傳熱研究的主要問題微細(xì)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(xì)尺度的相變傳熱相變傳熱中的微細(xì)尺度傳熱問題可分成兩大類：一是常規(guī)尺度容器中的沸騰或凝結(jié)中尚有很多微細(xì)尺度的傳熱問題：如有關(guān)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(dāng)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(guī)律必會發(fā)生變化。微尺度傳熱研究的主要問題微細(xì)尺度的相變傳熱相變傳熱中的微細(xì)尺15微納尺度傳熱學(xué)的基本分析方法按照從連續(xù)介質(zhì)現(xiàn)象到量子現(xiàn)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(xué)方法直接Monte-Carlo模擬方法量子分子動力學(xué)方法微納尺度傳熱學(xué)的基本分析方法按照從連續(xù)介質(zhì)現(xiàn)象到量子現(xiàn)象的特16微尺度傳熱的基本分析方法Boltzmannn方法被公認(rèn)為是一種極具普適性和有效性的工具；分子動力學(xué)方法則用于揭示那些量子力學(xué)效應(yīng)不明顯時的物理現(xiàn)象的分子特征，它們也對分子統(tǒng)計理論，如Boltzmann方法及直接Monte-Carlo模擬法，提供分子碰撞動力學(xué)方面的知識；直接Monte-Carlo模擬則是一種計算微尺度器件內(nèi)(通常其Knudsen數(shù)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(yīng)的物理過程，如光與物質(zhì)的相互作用、金屬材料中的熱傳導(dǎo)問題等，應(yīng)采用量子分子動力學(xué)方法。微尺度傳熱的基本分析方法Boltzmannn方法被公認(rèn)為是一17微尺度傳熱的應(yīng)用1、薄膜中的熱傳導(dǎo)1987年,瑞士科學(xué)家發(fā)現(xiàn)YBa2Cu3O7陶瓷在溫度35K以上具有超導(dǎo)電性即高溫超導(dǎo)性。人們第一次認(rèn)識到自然界存在一個超導(dǎo)體及半導(dǎo)體均可工作的溫度范圍,于是一種集超導(dǎo)體-半導(dǎo)體于一身的功能強(qiáng)大的復(fù)合器件應(yīng)運(yùn)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(dǎo)薄膜,其內(nèi)外的傳熱問題與超導(dǎo)的研究和應(yīng)用密切相關(guān),因而對薄膜熱物性及其熱輸運(yùn)規(guī)律進(jìn)行研究自然就成為提高儀器性能的關(guān)鍵所在。微尺度傳熱的應(yīng)用1、薄膜中的熱傳導(dǎo)1987年,瑞士科學(xué)家18微尺度傳熱的應(yīng)用2、計算機(jī)元器件及其傳熱問題

近年來,微電子工業(yè)發(fā)展的一個顯著特點(diǎn)是個人計算機(jī)和工作站呈爆炸般增長,MEMS的影響遍及儀器、醫(yī)療、生物系統(tǒng)、機(jī)器人、設(shè)計、導(dǎo)航及計算機(jī)應(yīng)用等幾乎所有現(xiàn)代科技領(lǐng)域。我國也開展這一學(xué)科的研究,并在納米科學(xué)的某些領(lǐng)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(yīng)用2、計算機(jī)元器件及其傳熱問題近年來,微電19微尺度傳熱的應(yīng)用3、微型換熱器及其傳熱問題微型換熱器涉及相當(dāng)廣泛的領(lǐng)域,在電子器件、微電子機(jī)械系統(tǒng)、一些現(xiàn)代最先進(jìn)的生物技術(shù)和微醫(yī)療儀器等方面都得到了充分的應(yīng)用。隨著當(dāng)前微系統(tǒng)與納米技術(shù)的飛速發(fā)展,各種令人耳目一新的微型換熱器層出不窮?，F(xiàn)代微制造技術(shù)的進(jìn)展已經(jīng)使得加工由多個水力學(xué)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(yùn)行示意圖微尺度傳熱的應(yīng)用3、微型換熱器及其傳熱問題微型換熱器涉及相當(dāng)20微尺度傳熱的應(yīng)用4、微尺度熱驅(qū)動技術(shù)在某些環(huán)境下,熱信號被認(rèn)為是控制一些“微小”機(jī)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