[理学]传热学-教学研讨-微尺度研究.ppt

图 当量直径为 D=52微米的石英玻璃管实验测定结果 图 直径为 D=172微米的不锈钢管实验测定结果 图 直径为 D=119微米的不锈钢管实验测定结果 10 2.2 气体稀薄性与可压缩性的影响 难点：对燃料电池整体过程的建模与预测在几何上跨3～4个数量级；目前多数人仍用连续介质模型加上经验关联式；我们在2年前就设想应用分子动力学模拟或者DSMS来预测催化剂和交换膜中的迁移过程；目前日本、美国部分作者也在进行这一工作；但是如何从连续介质跨到不连续介质，仍然是一个没有解决的问题。 11 图6 Stirling制冷机的结构简图 1.3 小型低温制冷机的模拟 12 压缩机; 2. 水冷却器; 3. 回热器; 4. 冷端换热器; 5. 脉管; 6. 热端换热器; 7. 小孔阀; 8. 气库; 9. 双向进气阀 图7 脉管制冷机的结构简图 13 回热器采用多空介质做填料时，采用格子－Boltzmann (LBM) 方法（介观模型）比较理想；如何将介观模型与宏观模型有效地耦合，是急待解决的问题。 MEMS系统中液体在微尺度通道内流动时，产生电渗流，壁面附近的电渗流与主流可分别采用LBM方法与连续介质方法，其间的跨越与耦合至关重要. 13 1.4 相变换热的模拟 一个十分简单又极难回答的问题：要使蒸汽完全凝结，管子要多长？ 图8 管内凝结 14 已有的所谓相变换热数值计算，都要将由实验得出的关联式耦合到流场计算中去，例如大型电站凝气器的计算(Zhang C.),或者管内凝结的分析计)(Wang H S, Honda H),均如此。商业软件 PHOENICS， FLUENT， STAR-CD 也不能幸免。因为蒸汽如何变成液体的过程连续介质模型的控制方程是没法模拟的，必须采用分子动力学模拟的方法。 15 图9 经验关联式对结果的影响 16 对内径8毫米的管子在壁面上产生0.1 微米厚的凝结液体大约需要6百万个分子。 图10 管内凝结的分子动力学模拟预测 17 二、 学科意义与工程意义 1.1 客观世界本来是多尺度的 18 图11 多尺度的客观世界 客观世界存在多种跨尺度现象，这些现象表面上似乎风马牛不相及，但是在跨尺度强耦合方面存在惊人的类似性：非平衡、非线性等。 对于某一类问题的统一的处理方法可能使跨尺度现象研究过程中派生出新的学科： 19世纪电学与磁学统一于Maxwell方程； 20世纪生物学与分子研究碰撞出分子生物学。 19 * 微尺度流动与换热研究进展 Recent advances in the study on micro- fluid flow and heat transfer processes 何雅玲，陶文铨 西安交通大学 微型换热器 2004-10-28 上海 目 录 一、 什么叫微尺度流动及其例子 1.1 微尺度流动与换热一般概念 1.2 微尺度流动与换热举例 1.3 微尺度流动与换热基本特点 二、气体的微尺度流动与换热 三、液体的微尺度流动与换热 四、微尺度相变换热 五、结论 1 一、什么叫微尺度流动及其例子 1.1 微尺度流动与换热的一般概念 2 图1 多尺度的客观世界 大千世界的物体尺度变化跨三十余个数量级，近10余年来科学技术发展的重要方向之一是微型化。 2 爱因斯坦曾经预言: “未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界进军” ； 1959，美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 弗曼在美国西海岸会议上宣读了一篇经典论文“There is plenty of room at bottom”,首次提出纳米技术的预言。 1962年，第一个硅微型压力传感器问世，其后 开发出尺寸为50－500mm的齿轮、齿轮泵、气动涡 轮及联结件等微机械 （里程碑 ）。 1989年，在美国盐湖城会议上，首次提出MEMS概念：Micro-Electro-Mechanical Systems，这是指特征尺度在 1mm－1 之间集电子、机械于一身的器件。在这样的器件中有气体或者液体作为工作介质，其内内的流动与换热就是一般的微尺度流动与换热。 1.2 微尺度流动与换热举例 （1）微喷管内的流动 图2 微喷管系 统示例 微喷管 图2 微喷嘴