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微流动与传热研究 1、目 的及意义 2、国内外研现状 目的及意义 微电子领域是最早提出微尺度流动和传热问题的工程领域之一。随着电子计算机容量和速度的快速发展以及导弹、卫星和军用雷达对高性能模块和高可靠大功率器件的要求，一方面器件的特征尺寸越小越好，已从微米量级向亚微米量级发展，另一方面，器件的集成度自1959年以来每年以40％～50％高速度递增。80年代中期，每一个芯片上就已有106个元件，虽然每个元件的功率很小，但这样高的集成度使热流密度高达5×105W／m2，它已相当于飞行器返回大气层高速气动加热形成的高热流密度。要在毫米甚至微米量级的器件尺度上把这样高的热量带走，传统的冷却技术和传热关系式已不在适用。 目的及意义 特别是微电子器件的可靠性对温度十分敏感，器件温度在70℃～80℃水平上每增加l℃，其可靠性将下降5％。所以微尺度流动与传热的研究，可为超大规模集成电路的芯片层叠与封装技术克服高发热率的“热障”提供理论依据和开发实用的冷却新途径，也可为纳米加工、微传感器和微执行器等微机电系统的设计和运行、纳米材料的制备和表面处理等提供新的冷却或加热技术。 国内外研究现状 1、单相流体的流动与传热特性 2、流体相变的流动与传热特性 （1、流型 2、压降 3、传热系数） 单相流体的流动与传热特性 对于充分发展的紊流(Re10000)： Nu=0.023Re0.8Pr0.4 对于充分发展的层流(Re2200)： Nu=1.86(RePr)0.33(d/L)0.33(μf/μw)0.14 对于过渡区域(Re=2200到10000)： Nu=0.116(Re2/3-125)Pr1/3(1+(d／L))2/3(μf/μw)0.14 其中d为管径，L为管长度，uf为流体粘度 Tuckerman和Pease于1981年研究了水受迫流过直接加工在电子芯片背面的微矩形槽道的冷却性能，微槽道宽为50μm，高度为300μm，槽间距为50μm，流动为层流(Re1000)，热流密度高达1000W／cm2，压力差为345kPa以下，其研究发现流体在微槽道中的摩擦阻力系数比经典理论预计的要高，并且认为，要显著增加介质的对流换热系数，主要的途径是减小槽道的当量直径。 Wu和Little对氮气通过4种不同构造微槽道的情况进行了实验研究，微槽道深89～979m，宽度为312～5749m。实验发现有三个不同的传热区域： 1、Re1000是层流区，此时的传热特性与微槽道的尺寸有很大的关系。 2、1000Re3000是转变区，传热关系很复杂，无法用单一的经验表达式描述。 3、Re3000是紊流区，单边加热时有： Nu=0.0022Pr0.4Re0.9 Re相同时双边加热的Nu数比单边加热情况下大，二者间的差别随着Re数的提高而增大。 流体相变的流动与传热特性 相变是自然界最普遍的现象之一，它是指工质在固、液、气三相或两相之间的转换，伴随有潜热的吸收或释放。相变传热和单相传热最重要的区别在于能量转换可以发生在均匀的温度条件下，它具有以下明显的优势：(1)在传递高热流负荷时，相变使得沿流程方向比单相具有好的多的温度均匀性；(2)在同等温差下，传递同样的热负荷，相变换热器比单相换热器所需的冷却工质流量小的多，使流程压差也相应减小。 1、流型 表征着两相系统中的流动结构，它受力学因素所制约。但反过来极大地影响传热，两相系统中的压降、传热系数、CI-IF等均与流型息息相关。对于大通道中的流型已进行了深入的实验及理论研究，但对于直径在2mm以下的毛细管及更小尺寸的微通道中的流型研究相当少 随着当量直径的减小，表面张力的作用越来越显著，从而导致了流型出现一些新的特点。然而，到目前为止，在受热通道中两相流流型的研究方面却非常少。 2、压降 压降对于微换热器的设计具有重要意义，它决定了液体循环系统所需的压头。减小通道的尺寸可以获得很高的传热系数，但与此同时却使得压降增加、压力脉动增大。对于大通道中的两相压降，采用现有的模型或关联式来进行预测，其误差为±30％左右。而将其用于微通道时，其误差则更大。由于两相流的复杂性及考虑到工业应用的方便，通常采用半理论的关联式来对两相压降进行估计。这些关联式的共同特点是所有的变量均采用其时均值，假设总压降由摩擦压降、加速压降和重位压降三部分组成，并将两相压降表示成单相摩擦压降与两相倍率乘积的形式。从而将两相压降的问题转化为确定两相倍率的问题 3、石墨泡沫内流动与传热的分析 泡沫是一种新型的多孔材料，具有低密度、高导热、耐高温、耐腐蚀等优点，已被应用于航空航天、汽车、通讯和信息等领域 1、流动特性分析 2、导热特性分析。 流动特性分析 早期法国物理学家Darcy研究了水在多孔土壤内部的流动，得