【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）微納系統(tǒng)中三類典型流動(dòng)與傳熱機(jī)理及分析-熱能工程博士論文

分類號(hào) 密級(jí) 621 編號(hào) 中國(guó)科學(xué)院研究生院 博士學(xué)位論文 微納系統(tǒng)中三類典型流動(dòng)與傳熱機(jī)理及分析 指導(dǎo)教師 研究員 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 博士 學(xué)科專業(yè)名稱 熱能工程 論文提交日期 2009 年 5 月 論文答辯日期 2009 年 6 月 培養(yǎng)單位 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 學(xué)位授予單位 中國(guó)科學(xué)院研究生院 答辯委員會(huì)主席 009 摘 要 I 摘 要 微尺度流動(dòng)是研究微控制器、微反應(yīng)器、微換熱器、微燃料電池等微流控與微執(zhí)行器件的基礎(chǔ)。深入了解微尺度下的流動(dòng)對(duì)微流控與微執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與運(yùn)行有重要指導(dǎo)意義。通常情況下，流動(dòng)可劃分為單相和多相流，層流和湍流?；谖⒊叨攘鲃?dòng)的應(yīng)用，本文把微尺度下的流動(dòng)劃分為連 續(xù)流，混沌流動(dòng)和數(shù)字化流。通過(guò)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬和理論建模，對(duì)這三種典型流動(dòng)的現(xiàn)象和機(jī)理作了深入細(xì)致的研究。 微尺度下連續(xù)流的主要應(yīng)用是電子冷卻。本文研究了微尺度下，利用流動(dòng)和熱邊界的再發(fā)展概念強(qiáng)化換熱和降低流動(dòng)阻力的可能性和相關(guān)機(jī)理。 實(shí)驗(yàn)件為標(biāo)準(zhǔn) 0 x 7 x 硅基熱沉。在熱沉上分別刻蝕著普通微通道和具有周期性中斷結(jié)構(gòu)的微通道（水力直徑 155m）。本文的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用邊界層中斷概念制作的微通道傳熱性能大大提高，相應(yīng)的流動(dòng)阻 力卻沒有增加，甚至在某些情況下降低。通過(guò)數(shù)值模擬，得到了流體內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。研究發(fā)現(xiàn)在中斷微通道內(nèi)，流動(dòng)和溫度邊界層出現(xiàn)周期性發(fā)展。當(dāng)工質(zhì)的 大于 1 時(shí)，熱邊界層發(fā)展得比流動(dòng)邊界層慢。因此， 是中斷微通道有實(shí)用價(jià)值的必要條件。 為研究微尺度下流動(dòng)和傳熱中的混沌現(xiàn)象，本文設(shè)計(jì)了幾個(gè)不同尺寸的脈沖熱管，獲得了它們?cè)诓煌r下的溫度時(shí)間序列。根據(jù)溫度時(shí)間序列，計(jì)算了混沌特征量如 ，奇怪吸引子的關(guān)聯(lián)維和 數(shù)，從而證實(shí)了脈沖熱管里的兩相流動(dòng)是確定性混沌運(yùn)動(dòng)。通過(guò)比較不 同工況參數(shù)（加熱功率、傾角、充液比和工質(zhì)）下的換熱效率和混沌特征量，給出了換熱效果與混沌狀態(tài)的關(guān)系 混沌程度越高，換熱效果越好。此外，由混沌吸引子相圖和關(guān)聯(lián)維可以判斷脈沖熱管所對(duì)應(yīng)的不同動(dòng)力系統(tǒng)和流型。 最后，本文研究了利用同軸毛細(xì)管形成串聯(lián) 微流控裝置。這種裝置可以生成高度可控的數(shù)字化流復(fù)合液滴。只需調(diào)整流量，就能改變復(fù)合液滴大小、生成頻率。對(duì)這種依靠多重 成復(fù)合液滴的過(guò)程，本文進(jìn)行了深入細(xì)致的數(shù)值模擬。幾何參數(shù)和各種無(wú)量綱參數(shù)如 、 ，以及不同流體的粘性比 、密度比等對(duì)生成液滴的影響，都在文中作了詳細(xì)討論。本文還進(jìn)一步研究了軸對(duì)稱和非對(duì)稱微納系統(tǒng)中三類典型流動(dòng)與傳熱機(jī)理及分析 置中生成的復(fù)合液滴的穩(wěn)定性問(wèn)題。此外，我們以微尺度下的低雷諾數(shù)理論為基礎(chǔ)，建立了單一復(fù)合液滴在長(zhǎng)毛細(xì)管里運(yùn)動(dòng)的理論模型。通過(guò)聯(lián)合轉(zhuǎn)換圓柱坐標(biāo)和雙球坐標(biāo)，獲得了這個(gè)理論模型以流函數(shù)形式表示的精確級(jí)數(shù)解，成為進(jìn)一步研究數(shù)字化流復(fù)合液滴的運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)。 本文的研究可以為微芯片電子冷卻和微流控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供科學(xué)指導(dǎo)。 關(guān)鍵詞： 流控；連續(xù)流；混沌；數(shù)字化流 摘 要 in is to as It is to to of or is or to of we We by is in on of we in in of 0 x 7 x is is in of 55m. of by a in t In in of of is It is a to as is is in We in a 納系統(tǒng)中三類典型流動(dòng)與傳熱機(jī)理及分析 IV on of of 0 x 7 x is is in of 55m. in in t or of be be of as is We to in We of by we of We is By as we as we by of we a on a of in to By we of be by We on of of 要 V We In on we a a in of is be to of of of 錄 錄 摘 要 . I . 言 . 1 尺度概念及相關(guān)研究 . 1 統(tǒng) . 1 尺度流動(dòng)與傳熱的典型應(yīng)用 . 2 微尺度流動(dòng)與傳熱的存在的問(wèn)題 . 4 尺度流動(dòng)與傳熱的特點(diǎn) . 4 尺度流動(dòng)與傳熱的實(shí)驗(yàn)研究方法 . 6 尺度流動(dòng)與傳熱的數(shù)值模擬方法 . 7 法 . 7 法 . 9 微尺度下三種典型流動(dòng)的研究現(xiàn)狀和存在問(wèn)題 . 10 納尺度的三種流動(dòng)形態(tài) . 10 續(xù)流 . 12 沌流動(dòng) . 14 液滴的數(shù)字化流動(dòng) . 14 文的研究目的和研究?jī)?nèi)容 . 16 究目的 . 16 究?jī)?nèi)容 . 16 有交錯(cuò)結(jié)構(gòu)的微通道中單相連續(xù)流強(qiáng)化換熱研究 . 16 于自然循環(huán)的脈沖熱管混沌分析 . 17 字化流中的復(fù)合液滴的生成和穩(wěn)定性分析 . 17 第二章 中斷與常規(guī)微通道傳熱性能的數(shù)值模擬 . 18 言 . 18 驗(yàn)描述 . 19 個(gè)硅基上的三維數(shù)值模擬 . 21 界條件 . 22 格劃分 . 22 件運(yùn)行 . 23 數(shù)定義 . 24 果與討論 . 26 經(jīng)典理論解的比較 . 26 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比 . 26 通道流動(dòng)與傳熱的多通道效應(yīng) . 28 類微通道中的流動(dòng)與傳熱 . 30 類熱沉總強(qiáng)化傳熱與減小流動(dòng)阻力的效 果 . 37 章小結(jié) . 38 第三章 脈沖熱管中的混沌流動(dòng)分析 . 40 言 . 40 驗(yàn)裝置 . 42 混沌分析方法 . 44 微納系統(tǒng)中三類典型流動(dòng)與傳熱機(jī)理及分析 相空間重構(gòu) . 44 空間中的奇怪吸引子 . 45 聯(lián)維和 . 45 標(biāo)度極差統(tǒng)計(jì)分析 : 數(shù) . 46 果和討論 . 47 間序列的常規(guī)分析 . 47 線性分析 . 51 同參數(shù)對(duì)脈沖熱管的復(fù)雜度的影響 . 56 章小結(jié) . 61 第四章 復(fù)合液滴在毛細(xì)管中的運(yùn)動(dòng) 理論模型 . 62 言 . 62 題描述 . 63 球坐標(biāo)系 . 65 柱坐標(biāo)系 . 71 坐標(biāo)和雙球坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換 . 76 果與討論 . 83 的驗(yàn) 證 . 83 場(chǎng) . 84 曳力 . 85 曳力 . 86 用于內(nèi)球的曳力 . 90 定性分析 . 94 章小結(jié) . 95 第五章 復(fù)合液滴的生成和數(shù)字化流運(yùn)動(dòng) 數(shù)值模擬 . 96 言 . 96 題描述 . 96 法驗(yàn)證 . 101 果與討論 . 101 論 . 114 第六章 結(jié)論與展望 . 115 文的主要結(jié)論 . 115 文的研究意義及創(chuàng)新之處 . 116 望與建議 . 117 附 錄 . 125 附錄 1 第二章符號(hào)表 . 125 附錄 2 第三章符號(hào)表 . 127 附錄 3 第四章符號(hào)表 . 128 附錄 4 第五章符號(hào)表 . 129 附錄 5 程序 . 130 攻讀博士學(xué)位其間發(fā)表的論文目錄 . 136 致 謝 . 137 引 言 1 引 言 尺度概念及相關(guān)研究 微尺度是對(duì)空間尺寸和時(shí)間尺度大小的定義。當(dāng)前人類所能探測(cè)空間和時(shí)間涵蓋了從原子尺寸（皮米量級(jí)）到天體距離（光年距離）；從原子核的衰變（皮秒量級(jí)）到天體的演化（百億年量級(jí)）。然而，人類對(duì)微觀尺度的認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于宏觀尺度。自從第一臺(tái)顯微鏡問(wèn)世，人們對(duì)微觀尺度的認(rèn)識(shí)就不斷 拓展。 1959 年，諾貝爾物理獎(jiǎng)得主 美國(guó)物理協(xié)會(huì)的年會(huì)上的報(bào)告 1 “ s at 中提出了“制造微小的可移動(dòng)機(jī)器”的構(gòu)想，預(yù)示著微尺度研究時(shí)代的到來(lái)。近數(shù)十年來(lái)，隨著微機(jī)電系統(tǒng) (術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)于微觀的物理現(xiàn)象以及物理機(jī)制有了一定的認(rèn)識(shí)，并在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用。 預(yù)言已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，技術(shù)和產(chǎn)品的微型化已經(jīng)從最初的微電子領(lǐng)域擴(kuò)展到機(jī)械、能源、生化和材料等各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。 統(tǒng) 1988 年，加州大學(xué)伯克利分校制作了一個(gè)微型靜電馬達(dá) 3，開辟了人類微加工技術(shù)的新紀(jì)元。此后， 術(shù)迅速發(fā)展，應(yīng)用范圍也不斷拓寬。僅僅 15 年后，伯克利分校的科學(xué)家又制成了世界上第一個(gè)納米級(jí)的靜電馬達(dá) 4。目前，微加工技術(shù)已經(jīng)滲透到生物、醫(yī)藥、航天以及電子等各個(gè)領(lǐng)域。上世紀(jì)七十年代末，硅加工和光刻信號(hào)傳輸和處理單元 能源供給 傳感器 執(zhí)行器 微系統(tǒng) 圖 微系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 微納系統(tǒng)中三類典型流動(dòng)與傳熱機(jī)理及分析 2 蝕技術(shù)被廣泛用于微型機(jī)械零部件加工 2，標(biāo)志著 電機(jī)系統(tǒng)）技術(shù)的開端。微機(jī)電系統(tǒng)是由電子和機(jī)械元件組成的集成化的微型器件或系統(tǒng)。它是以微電子加工技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的，可以看作 是集成電路的擴(kuò)展。通常，一套完整的微系統(tǒng)是把件如微傳感器、微執(zhí)行器和處理單元（微電子設(shè)備）封裝到一個(gè)硅基片上，如圖 示。這些器件完成傳感、控制以及執(zhí)行等任務(wù)。微傳感器獲得的力、熱、磁、化學(xué)以及電磁等信號(hào)，經(jīng)過(guò)微電子設(shè)備處理，由微執(zhí)行器完成系統(tǒng)要求的功能。總的來(lái)說(shuō)， 有如下幾個(gè)特征 5： 1. 件一般為毫米到微米量級(jí)。它小于宏觀機(jī)械的常規(guī)尺寸，但不屬于物理上的微觀尺寸（如分子、原子量級(jí)）。 2. 件一般基于硅微加工技術(shù)制造。 3. 與微電子芯片相似，可以大批量生產(chǎn)，因此性價(jià)比傳統(tǒng)機(jī) 械制造技術(shù)有大幅度的提高。 4. “機(jī)械”不僅僅局限于狹義的力學(xué)中的機(jī)械。它代表一切具有能量轉(zhuǎn)化、傳輸?shù)裙δ艿男?yīng)，包括力、熱、聲、光、磁，以及化學(xué)生物效應(yīng)等。 5. 目標(biāo)是“微機(jī)械”與 藝結(jié)合的微系統(tǒng)，并朝著智能化方向發(fā)展。 如今，技術(shù)和應(yīng)用己廣泛滲透到人們的生產(chǎn)和生活中，微傳感器被用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和氣囊 6，微型熱交換器用來(lái)冷卻電子電路，微熱管技術(shù)應(yīng)用于紅外探測(cè)器以及高頻流體控制系統(tǒng)，微型泵廣泛應(yīng)用在環(huán)境檢測(cè)以及電子冷卻等領(lǐng)域 .件的應(yīng)用給人們的生產(chǎn)生活帶 來(lái)很大的方便。 作為一種典型的多學(xué)科交叉的前沿研究， 術(shù)幾乎涉及到自然科學(xué)和工程科學(xué)的所有領(lǐng)域。本文涉及到的微尺度流動(dòng)和傳熱即為傳統(tǒng)的基礎(chǔ)學(xué)科流體力學(xué)和傳熱學(xué)與 術(shù)結(jié)合的典范。 尺度流動(dòng)與傳熱的典型應(yīng)用 隨著微加工技術(shù)的發(fā)展和日益完善，更多精細(xì)的微納米器件被制作出來(lái)，并在工程和生活得到應(yīng)用。噴墨打印機(jī)噴頭上的微噴管是 件最為成功的早期應(yīng)用之一。如圖 示，噴墨打印機(jī)的噴頭上布置了上千個(gè)噴管，這些噴管的特征直徑一般為 3060 微米。噴管越精細(xì)，產(chǎn)生的液滴越小，則 打印圖片的精度越高。 引 言