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【原创】【前沿】微尺度强化换热
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本原创贴只是浅显地介绍了关于微尺度强化换热方向一些基本情况，其所叙述的内容仅代表对微尺度强化换热方向研究的个人看法，如有不妥或错误之处，请各位指教更正，谢谢了。 近几年，确切的说是近10年来，自然科学及工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，我们都知道的一个重要原因是因为传统尺度上（即我们自身所能感知的空间和时间尺度）的物理现象及其变化规律已得到较充分的认识，人们的注意力逐渐转向那些小尺度或者说是快速过程中的现象及器件上来。其中，特别是在微电子机械系统的飞速发展，更很大程度上推动了这一研究热潮。早在11年前的1998年，美国政府用于微机械系统上的研究经费就达到6亿美元左右。微尺度在微电机、微生物工程、微电子工程、航空航天、材料处理等领域都有广泛的应用前景，而流动和传热则是这些领域进一步研究所面临的非常突出而重要问题。 微尺度效应的机理研究 微尺度传热学致力于微细极限下的传热学规律的研究：一个是空间尺度的微细，其研究的几何尺度到微米或者纳米；另一个就是时间尺度的微细，即在微秒以至毫微秒内瞬时传热规律。微细尺度下的流动与传热是近几年国内外的研究热点，通过分析研究结果表明，在微尺度下的流动与传热与常规尺度下的流动与换热有许多不一样的地方，例如会出现了如下现象： （1）微细通道流动阻力与常规尺度不一样，结果甚至互相矛盾，有的认为微细通道大，有的认为微细通道小； （2）充分发展通道流的阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数，它应是雷诺数的函数； （3）微细通道层流向紊流过渡的雷诺数减小，其过渡雷诺数Re可为300～1000； （4）微细通道流传热数据很分散，充分发展通道流的Nu不等于常数，且是雷诺数的函数； （5）微细通道紊流的Nu比常规情况高5～7倍。研究认为这是由于在微尺度下由于尺寸大大降低而引起了所谓的尺寸效应导致的。 同样，微尺度下尺寸效应分为两个部分： 1）物体的特征尺度远大于载体粒子的平均自由程，即流体连续介质的假设仍然成立，也就是流动与传热仍然符合N-S方程及Fourier定律，但是由于尺度的微细，使得原来的各种影响因素的相对重要性发生了变化，从而也导致流动和传热规律的变化； 2）物体的特征尺度缩小到与载体粒子（分子、原子、电子、光子等）的平均自由程数量级及以下或者过程延续的时间达到微秒以至毫微秒时，连续介质假设不再成立，即在微槽内稀薄气体效应将变得重要，如果Kn数大于0.01，则认为流动不适用于连续性假设。现阶段微尺度的研究也主要是针对流体为连续介质的假定仍然成立的微尺度换热进行讨论的。 微尺度研究应注意以下几个方面： (1)就是流动（气体）的可压缩效应。因为我们知道微细通道内压力降很大，导致流体密度沿程有明显的变化，所以我们必须考虑流体的压缩性，它不仅会形成加速压降，而且还可能改变速度剖面。也就是说即使管子长度与管径比很大，流场和温度场也不会充分发展，它将使阻力有明显的增加和导致传热的强化，而且当尺度微细后会使雷诺数变得很小时。 (2)表面粗糙效应。在经典常规尺度下理论中认为表面粗糙度在5％以下时，对流体流动与换热的影响就可以忽略不计了。由于在微通道内的流动基本上是层流，所以研究表面粗糙度对微通道内的层流流动的影响也变的很重要。 (3)表面力的作用。在微小尺度下，我们知道许多宏观状态下的物理量都发生了变化。在微细尺度下，浮升力与粘性力的比愈来愈小，同时表面积与体积之比值增大，从而使表面作用增强等。 (4)微通道内轴向导热效应。在常规尺度下，对于有肋或者有槽的通道，沿轴向槽道壁的导热影响可以忽略，因为槽道壁的厚度相对于槽道的直径来说是非常小的。但在微尺度下，情况就不一样了。由于制造工艺的原因，微肋或微槽的壁厚与肋宽或槽道的直径相等甚至超过其直径，这样沿轴向肋或槽道壁的导热影响比较大。 (5)测量精度。由于微尺度的实验件太小，一些重要参数难以精确测量。如果提高测量的精度，减少实验误差也是实验成功的关键。 当前研究存在的缺陷 现在关于微尺度下的单相流动与换热研究的内容很多，但是人们对其机理的认识还很不充分，很多方面甚至存在自相矛盾的地方，比如说在粘性耗散对引起的温升问题及对流动和传热的影响、微通道内的摩擦阻力系数与经典理论值的关系、层流向紊流的转化临界雷诺数和轴向导热的影响等等许多方面，这一切还有待于我们的进一步研究和探索。 [ Last edited by 三个小石子 on 2010-8-24 at 22:15 ] |
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