微尺度流動與換熱研究進(jìn)展
Recent advances in the study on microfluid flow and heat transfer processes
何雅玲，陶文銓 西安交通大學(xué)

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(diǎn)
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(jié)論

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

大千世界的物體尺度變化跨三十余個數(shù)量級，近10余年來科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要方向之一是微型化。

愛因斯坦曾經(jīng)預(yù)言:
“未來科學(xué)的發(fā)展無非是繼續(xù)向宏觀世界和微觀世界進(jìn)軍” ；resheji.com
1959，美國物理學(xué)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(shù)的預(yù)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50－500mm的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯(lián)結(jié)件等微機(jī)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1mm－1 之間集電子、機(jī)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。
μm

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(jìn)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(jìn)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1～100μm）。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(jìn)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(xué)能轉(zhuǎn)換成為電能，不需要經(jīng)過熱機(jī)過程，效率不受卡諾循環(huán)地限制，轉(zhuǎn)化效率可達(dá)40－60％；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(rèn)為是21世紀(jì)很有希望的高效、潔凈能源。

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。

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：有的增加，有的減少，數(shù)據(jù)分歧。
Fluid: N2
Circular Channel
Dh (μm) 3~81
Roughness：
0.00017~0.0116
Kn: 0.0006~0.0185
我們的實驗與分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)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(dāng)相對粗糙度大于1％時，側(cè)高于常規(guī)通道。
難點(diǎn)：對燃料電池整體過程的建模與預(yù)測在幾何上跨3～4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(guān)聯(lián)式；我們在2年前就設(shè)想應(yīng)用分子動力學(xué)模擬或者DSMS來預(yù)測催化劑和交換膜中的遷移過程；
目前日本、美國部分作者也在進(jìn)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。
回?zé)崞鞑捎枚嗫战橘|(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(guān)重要.
已有的所謂相變換熱數(shù)值計算，都要將由實驗得出的關(guān)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(jié)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(xué)模擬的方法。

二、學(xué)科意義與工程意義
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(fēng)馬牛不相及，但是在跨尺度強(qiáng)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(xué)科：
19世紀(jì)電學(xué)與磁學(xué)統(tǒng)一于Maxwell方程；
20世紀(jì)生物學(xué)與分子研究碰撞出分子生物學(xué)。
1.4 解決跨尺度模擬與預(yù)測可以在更高層次上強(qiáng)化遷移過程
以相變換熱為例，盡管傳熱學(xué)基本原理已經(jīng)指出，尖鋒可以強(qiáng)化膜狀凝結(jié)，表面上的凹坑可以強(qiáng)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。
下一步該怎樣走？從學(xué)術(shù)上需要有更高層次的理論與研究方法來指導(dǎo)。
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(xué)的發(fā)展更需要研究跨尺度的模擬問題。

三、目前國內(nèi)外研究情況
2.1 材料科學(xué)一馬當(dāng)先
研究金屬裂縫的發(fā)生與發(fā)展采用了跨尺度模擬。
控制方程本質(zhì)上是擴(kuò)散方程，界面跨越相對難度較小

2.2 熱流學(xué)科開始起步
質(zhì)子交換膜中的遷移過程用分子動力學(xué)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(xué)模擬計算凝結(jié)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。

總體上國內(nèi)跨越研究幾近空白。
四、開展我國熱流科學(xué)跨尺度模擬研究建議跨尺度熱流科學(xué)模擬原理與方法研究是熱流科學(xué)的基礎(chǔ)研究，建議國家自然科學(xué)基金委予以積極支持；
除了每種尺度模擬方法本身的進(jìn)一步完善外，關(guān)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；

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(biāo)準(zhǔn)；

鑒于予傳熱與流動計算中有限容積法應(yīng)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(xué)中LBM－FVM跨越原理與方法，DSMC－FVM跨越原理與方法以及MD－FVM跨越原理與方法。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究兩種跨越：FVM－LBM－MD；FVMDSMC－MD，甚至三種跨越：FVM－LBM－MD－AB (abinitio,電子層次）。

基金委的材料與工程學(xué)部對應(yīng)于科學(xué)院的技術(shù)科學(xué)部；不僅數(shù)理化天地生有科學(xué)問題，技術(shù)科學(xué)也有科學(xué)問題，其重要性決不亞于理論科學(xué)問題。
以傳熱學(xué)為例，早期屬于數(shù)學(xué)家與物理學(xué)家：
Fourier， Boltzman，Planck，直到Nusselt以及俄國一批科學(xué)家建立了相似原理才從理論科學(xué)走向技術(shù)科學(xué)，在工程應(yīng)用中起到重大的作用。
相似原理就是技術(shù)科學(xué)中的科學(xué)問題。

熱設(shè)計資料下載：  西交大 微尺度流動與換熱研究wcd

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