微尺度换热与流动研究进展陶文铨共62页文档

微尺度流体流动的研究进展引言微尺度流体流动是涉及微观尺度领域的重要研究课题之一。

随着纳米技术的快速发展和应用的增多，对微尺度流体流动的研究越来越受到关注。

微尺度流体流动不同于传统尺度下的流体流动，其特殊的物理和化学性质对其流动行为产生了独特的影响。

本文将介绍微尺度流体流动的研究进展，并着重讨论了相关研究的最新成果和未来的发展方向。

微尺度流体流动的基本原理微尺度流体流动的基本原理包括流体的微尺度效应、流体的非线性行为和流体力学方程的修正。

在微观尺度下，流体与固体相互作用的表面效应变得更加显著，表现为接触角的变化、毛细管效应的出现等。

同时，流体在微尺度下也表现出非线性行为，如流体的剪切率增加会导致粘度的变化。

此外，流体力学方程在微尺度下也需要进行修正，以考虑微观尺度效应和非线性行为对流动的影响。

微尺度流体流动的数值模拟数值模拟在微尺度流体流动研究中发挥着重要的作用。

通过数值模拟，可以对微尺度流体流动的特性进行深入研究，并预测流动行为。

在数值模拟中，常用的方法包括分子动力学模拟、连续介质模型和混合模型等。

其中，分子动力学模拟是一种基于分子尺度的方法，可以直接模拟流体分子的运动。

连续介质模型基于连续介质假设，将流体视为连续介质，并使用流体力学方程进行数值求解。

混合模型结合了分子动力学模拟和连续介质模型的优势，既能考虑微观尺度效应，又能在较大尺度上进行模拟。

微尺度流体流动的实验研究实验研究是微尺度流体流动研究中另一个重要的手段。

通过实验可以直接观察流动行为，并验证数值模拟结果的准确性。

常用的实验方法包括微流体芯片技术、纳米流体实验和光学显微技术等。

微流体芯片技术可以制造具有微米级通道的芯片，用于观察微尺度流体流动的行为。

纳米流体实验可以通过纳米级颗粒的追踪来观察流动行为。

光学显微技术通过观察流体与光的相互作用来研究流动行为。

微尺度流体流动的应用微尺度流体流动在多个领域有着广泛的应用。

在生物医学领域，微尺度流体流动可以用于细胞分离、疾病诊断和药物传输等。

微通道换热器流动和传热特性的研究微通道换热器流动和传热特性的研究杨海明朱魁章张继宇杨萍(中国电子科技集团公司第十六研究所,合肥230043)摘要：通过对微通道换热器流动和传热特性的研究,设计了实验方案并建立了相应的实验装置,结合流动、传热特性的相关准则,得出了雷诺数Re-摩擦系数f,雷诺数Re、普郎特数Pr-努谢尔特数Nu间关系的实验模型,并对该模型进行了分析。

关键词：微通道换热器;流动特性;传热特性;实验模型1引言通道式换热器是利用传热学原理将热量从热流体传给冷流体的,冷热流体分别在固体壁面的两侧流过,热流体的热量以对流和传导的方式传给冷流体。

由于它结构紧凑、体积小、换热效果好,已广泛应用于红外探测、电子设备、生物医疗等工程领域的冷却中。

然而随着现代科技水平的不断发展,被冷却的器件、设备其功能越来越强大,体积和重量越来越小,结构趋于复杂化,散热要求越来越苛刻,迫使采用通道式换热器的制冷器件向小型化、甚至微型化的方向发展,尤其是半导体激光器、T/R收发组件、微电子集成器件等电子仪器、设备对这方面的要求更高,于是微通道换热器(特别是微型节流制冷器MMR)的研制开发已迫切地提到了议事日程上来。

所谓微通道换热器即是采用拉丝或光刻等技术在金属、玻璃等基材上刻出几十至几百微米的细微槽道来构成换热器的壁面,再采用焊接或胶粘等方式形成封闭腔体来进行冷热流体的热交换,达到制冷的目的。

国外对微通道换热特性的研究较多,但主要是进行直线微通道换热器特性的研究,早期关于其流动问题的研究是在微型Joule-Thomson制冷技术中完成的,由美国斯坦福大学利特尔(W.A. Little)教授发明,采用现代半导体光刻加工技术, 在微晶玻璃薄片上刻出几微米到几十微米的细微直线槽道,并采用胶粘技术构成气流的微型换热器、节流元件和蒸发器,从而获得了一种结构新颖的微型平面节流制冷技术以及一定的成果和专利。

目前已经开发成微型制冷器,用于低温电子器件的冷却,产品照片如图3所示。

微通道换热器流体流动传热研究刘庆荣，山东豪迈化工技术有限公司摘要:微小型化是当代科技发展的重要方向之一。

近些年来微小通道紧凑式产品在汽车、宇航、电子和制冷等行业内的应用越来越广，但是对于微小型通道内的流动传热机理等问题仍然还存在着很多争论，这方面的基础研究仍然处于初步阶段。

本文从流体流动角度总结了近年来学者对微通道内的流动和传热的研究成果，适当分析了不同结构的微通道内流动传热机理的差异。

为设计出比较适合的微通道产品，提供了流动特性的定性分析;引言微尺度科学中物质和能量的输运均发生在一个受限的微小结构内，而物质的输运和相互作用必然涉及到流动和能量的转换，据热力学第二定律可知，任何不可逆过程中能量的耗散必然有一部分是以热的形式体现的。

因此，不仅在微通道中的流动、传热方面，对于其他所有微系统的设计及应用来说，全面了解系统在特定尺寸内的行为已经成为迫在眉睫的任务。

一般来讲，所谓“微尺度”并没有严格的界定，只是一个相对大小的概念。

随着研究对象的不同，出现微尺度效应的空间尺度范围也不相同。

通常所指的空间微尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:微米—亚微米—纳米—团簇—原子。

在微尺度中的流动和传热的规律已明显不同于常规尺度条件下的流动和传热，换言之，当研究对象微细到一定程度以后，出现了流动和传热的尺度效应。

目前需要着重讨论研究的是尺度微细化后出现的力学、热学等现象和规律的变化，以及微细到什么程度才出现变化等。

尺度效应中下列情况值得注意:（1）由于尺度的微细，面体比增大，从而使表面作用增强，表面作用包括粘性力、表面张力和换热等。

（2）对于微尺度的物体，流动和传热的边缘效应和端部效应特别明显，其三维效应不能忽略，所以一般情况下，微细尺度物体不能简化为二维、一维问题来处理。

1.通道结构型式根据常规换热器的结构以及微通道换热器研究的文献资料，微通道换热器结构形式可以归纳为两种:一是单一通道（类似于蛇形盘管，不需要对流体工质进行分液处理，如图1)，二是并排通道(须考虑对流体工质的分配问题)。

《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着微纳科技的飞速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究逐渐成为科研领域的热点。

微管道由于其独特的小尺度效应，对流体流动及传热特性产生显著影响，尤其是在加入纳米粒子后形成的纳米流体，其热导率及流动性都得到显著增强，为许多领域如微电子冷却、生物医学、能源开发等提供了新的可能性。

本文将围绕微管道中纳米流体的流动及传热展开研究，分析其特性与影响。

二、微管道中纳米流体的流动特性在微管道中，纳米流体的流动特性与常规流体有着显著差异。

纳米流体的流动性增强主要源于纳米粒子的高导热性及流体的纳米尺度效应。

纳米粒子的加入可以有效地减小流体分子间的摩擦力，从而提高流体的流动性。

同时，在微管道中，由于尺度效应，流体的速度分布、流动状态等都受到较大影响。

2.1 速度分布与流动状态在微管道中，纳米流体的速度分布与常规流体有所不同。

由于纳米粒子的存在，流体在微管道中的流动更加均匀，速度梯度减小。

此外，纳米流体的非线性流动特性在微管道中表现得更为明显，对流体的传输效率及稳定性有着重要影响。

2.2 摩擦力与泵送功率由于纳米粒子的高导热性及良好的润滑性，纳米流体在微管道中的摩擦力减小，从而降低了泵送功率。

这为许多需要高效率、低能耗的领域提供了新的解决方案。

三、微管道中纳米流体的传热特性纳米流体的传热特性相较于常规流体有显著提高，这主要归因于纳米粒子的高导热性及纳米尺度的特殊效应。

在微管道中，这种优势更加明显。

3.1 热导率提升纳米粒子的加入可以显著提高流体的热导率，使流体在传热过程中具有更高的热传导能力。

此外，纳米粒子的布朗运动也能增强流体的热传导效果。

3.2 传热速度与效率由于微管道的特殊结构，纳米流体在其中的传热速度更快，传热效率更高。

同时，纳米流体的均匀流动性使得热量能够更快速地在流体中传递，降低温度梯度。

四、影响纳米流体流动及传热的因素影响微管道中纳米流体流动及传热的因素众多，包括纳米粒子的种类、浓度、粒子大小及形状、微管道的结构及尺寸等。

微纳米尺度流动实验研究的问题与进展李战华;郑旭【摘要】微纳米实验流体力学研究的流动特征尺度在1mm～1nm范围，处于宏观流动到分子运动的过渡区。

连续介质力学与量子力学这两个经典理论的衔接，提出了诸如连续性假设适用性、边界滑移等基本理论问题。

同时从微纳米尺度研究界面处液/固/气的耦合，化学、电学性质对流动的影响值得关注。

微纳米实验测量仪器融入了力、电等测量手段，要求测量空间精度达到nm量级，力的测量精度达到pN，时间分辨率达到ns。

本文围绕连续性假设适用性、边界滑移、微纳米粒子布朗运动及微尺度涡旋测量等问题，介绍了 Micro/Nano PIV、示踪粒子流场显示等技术应用于微纳流场观测的进展与难点。

目前微纳米流动测量仍然沿着经典流体力学测量“小型化”的思路开展，而纳尺度的测量期待着新的实验方法与技术的提出。

%The micro/nanoscale experimental fluid mechanics studies the fluid flow with the typical dimension from about 1mm to 1nm,which is also the transition range from the macro-scopic flow to molecular motion.The combination of the two classical theories:the continuum mechanics and the quantum mechanics,pusts forward some basic theoretical problems like the validity of the continuity hypothesis and the boundary slip.In the mean time,due to the coupling of the liquid/solid/gas phases inmicro/nanoscale,it is worthy considering the influence of inter-facial chemistry and electric properties on the flow.Therefore,micro/nano experimental devices should integrate force and electricity measurements,and require a nanometer measuring space resolution,a pN force precision and a nano-second time resolution.This paper focuses onthe problems of validity of the continuity hypothesis,boundaryslip,Brownian motion of micro/nano-particles and micro-vortex flow,and introduces the progresses and difficulties of micro/nano flow measurement by Micro/Nano PIV and micro/nanoscale flow visualization using trac-ers.Up to date,the study of micro/nano flow is still following the idea of “miniaturization”of the classi cal fluid mechanics measurement,however,the nano flow measurement urgently needs new techniques and methods.【期刊名称】《实验流体力学》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】11页(P1-11)【关键词】微/纳流动;实验测量;Micro/Nano PIV;界面【作者】李战华;郑旭【作者单位】中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京 100190;中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室，北京 100190【正文语种】中文【中图分类】O363.21 微纳米流动研究的尺度范围和测量仪器1.1 微纳流动的尺度范围微纳米流动的尺度范围从1mm～1nm，跨越了从宏观尺度到分子尺度的6个数量级。

流体动力学中的微尺度流动问题研究引言流体动力学是研究流体力学规律的科学，其应用范围广泛，包括大尺度和微尺度的流动问题。

本文将重点研究流体动力学中的微尺度流动问题，探讨其研究现状、挑战与前景。

1. 微尺度流动问题的研究背景微尺度流动指的是流体在微米尺度下的运动行为，主要包括纳米尺度的流动和微米尺度的流动。

随着纳米技术的发展和应用，微尺度流动问题受到了越来越多的关注。

微尺度流动具有许多特殊的物理现象和力学行为，与传统的宏观流体动力学存在很大差异，因此需要深入研究微尺度流动问题。

2. 微尺度流动问题的研究现状目前，微尺度流动问题的研究主要集中在以下几个方面：2.1 界面效应在纳米尺度下，由于表面张力和壁面效应的存在，流体的流动行为受到界面效应的显著影响。

研究人员通过理论模拟和实验测试，探究了界面效应对微尺度流动行为的影响，并提出了相应的理论模型和数值计算方法。

2.2 湍流效应与宏观流体动力学不同，纳米尺度下的流体流动通常是属于稳态流动，很少出现湍流现象。

然而，在特定条件下，纳米尺度流动中的湍流效应仍然存在，并且具有一些特殊的现象和行为。

研究人员通过实验观测和数值模拟，探索了纳米尺度流动中湍流效应的机制和规律。

2.3 分子扩散效应由于纳米尺度流动中分子的热运动，分子扩散效应在微尺度流动问题中起着重要作用。

研究人员通过理论推导和数值计算，研究了纳米尺度下的分子扩散行为，并提出了相应的模型和方法。

2.4 液体晶体流动液体晶体是一种介于晶体和液体之间的形态，具有特殊的流动行为和力学性质。

研究人员通过实验和理论模拟，研究了液体晶体在微尺度下的流动行为，并提出了相应的理论描述和数值计算方法。

2.5 生物流体力学微尺度流动问题在生物学和医学领域中具有重要的应用价值。

研究人员通过实验和理论研究，探究了微尺度流动在生物体内的行为和作用机制，以及其在疾病诊断和治疗中的应用前景。

3. 微尺度流动问题研究的挑战尽管微尺度流动问题受到了广泛的关注，但在研究过程中仍然存在许多挑战：3.1 实验条件的限制由于微尺度流动问题是在纳米或微米尺度下进行研究，需要使用高精度的实验设备和技术。

《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言在科技日益发展的今天，微纳米技术的发展与纳米科学技术的广泛应用正引发科研人员极大的关注。

这其中，关于微管道中纳米流体流动与传热的研究尤为重要。

微管道的尺度缩小为纳米级别，为流体的流动与传热提供了全新的研究平台。

本文旨在深入探讨微管道中纳米流体的流动特性及其传热机制，为进一步优化微纳流体技术提供理论支持。

二、微管道中纳米流体的流动特性1. 纳米流体的定义与特性纳米流体是一种新型的流体材料，其基本特性在于其内部含有纳米级别的固体颗粒。

这些颗粒的尺寸远小于传统流体的颗粒，因此具有独特的物理和化学性质。

在微管道中，这些纳米颗粒的分布和运动对流体的整体流动特性产生重要影响。

2. 流动特性分析在微管道中，由于尺度效应和表面效应的作用，纳米流体的流动特性与传统的流体有很大的差异。

流体的速度分布、粘度变化、剪切力分布等因素均需重新考量。

研究人员利用高精度的实验设备与计算流体动力学模型（CFD）等手段，对这些特性进行深入的分析和研究。

三、微管道中纳米流体的传热机制1. 传热特性的影响因素微管道中的纳米流体由于其高比热容和优良的热导率，具有显著的传热特性。

其传热性能受多种因素影响，包括纳米颗粒的种类、大小、形状以及浓度等。

此外，流体的流动状态和微管道的材质和结构也对传热效果有重要影响。

2. 传热机制的研究方法研究人员通过实验研究和数值模拟两种方式对微管道中纳米流体的传热机制进行研究。

实验研究通过观察和分析流体的温度分布、热流密度等参数，揭示其传热机制。

数值模拟则通过建立复杂的物理模型，模拟流体的传热过程，从而预测和解释实验结果。

四、研究进展与展望随着科技的发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究已经取得了显著的进展。

研究者们通过多种方法，揭示了纳米流体在微管道中的流动特性和传热机制。

同时，新的研究方法和手段也不断涌现，如高精度测量技术的开发、新的数值模拟算法等，这些都为深入研究提供了强大的技术支持。

《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着纳米科技的快速发展，纳米流体作为一种新型的传热介质，因其高导热性、良好的稳定性和较大的比表面积等特性，在微管道流动与传热领域得到了广泛的研究和应用。

微管道中纳米流体的流动及传热研究，不仅有助于理解纳米流体在微观尺度下的流动规律和传热机制，还能为纳米流体的实际应用提供理论依据和技术支持。

二、微管道中纳米流体的流动特性1. 流动模型微管道中纳米流体的流动受多种因素影响，包括流体本身的物理性质、管道尺寸、形状以及流动条件等。

为了准确描述纳米流体在微管道中的流动特性，研究者们建立了多种流动模型。

这些模型主要基于纳米流体的导热系数、粘度等物理性质，以及微管道的几何尺寸和形状进行描述。

2. 流动特性分析在微管道中，纳米流体的流动特性主要表现为层流和湍流两种形式。

在层流状态下，纳米颗粒在流体中呈现有序排列，有利于提高传热效率。

而在湍流状态下，纳米颗粒的随机运动增强了流体与管道壁面的热量交换。

此外，纳米流体的粘度、表面张力等物理性质也会对流动特性产生影响。

三、微管道中纳米流体的传热特性1. 传热机制微管道中纳米流体的传热机制主要包括对流换热和导热。

对流换热主要发生在流体与管道壁面之间，而导热则主要发生在纳米颗粒之间以及纳米颗粒与流体之间的热量传递。

此外，纳米流体的高导热性和较大的比表面积也有助于提高传热效率。

2. 传热特性分析纳米流体的传热特性受多种因素影响，包括纳米颗粒的种类、浓度、大小以及形状，流体的物理性质（如导热系数、粘度等），以及微管道的几何尺寸和形状等。

通过实验和数值模拟等方法，研究者们发现纳米流体的传热性能在一定范围内随着纳米颗粒浓度的增加而提高，但当浓度过高时，纳米颗粒之间的团聚现象会降低传热效率。

四、研究方法及进展1. 实验研究实验研究是微管道中纳米流体流动及传热研究的重要手段。

通过搭建实验平台，研究者们可以观察纳米流体在微管道中的流动状态，测量传热性能等相关参数。

《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着微纳科技的快速发展，微管道中纳米流体的流动与传热研究成为了当前科研的热点领域。

纳米流体的独特性质，如高导热性、良好的稳定性以及优异的传热性能，使其在微尺度传热领域具有广泛的应用前景。

本文旨在探讨微管道中纳米流体的流动特性及其传热机制，为相关领域的研究与应用提供理论支持。

二、纳米流体的基本性质纳米流体是由纳米级颗粒在基础流体中分散形成的悬浮液。

其独特的物理性质，如高导热性、良好的稳定性以及优异的传热性能，使得纳米流体在微尺度传热领域具有显著优势。

此外，纳米流体的流动特性受其颗粒大小、形状、浓度以及基础流体的性质等多种因素影响。

三、微管道中纳米流体的流动特性在微管道中，纳米流体的流动特性受多种因素影响。

首先，纳米颗粒的加入会改变流体的粘度和表面张力，从而影响流体的流动特性。

其次，微管道的尺寸对纳米流体的流动也有显著影响。

随着管道尺寸的减小，纳米流体的流动特性将发生显著变化，如层流与湍流的转变等。

此外，磁场、电场等外部因素也会对纳米流体的流动产生影响。

四、微管道中纳米流体的传热机制在微管道中，纳米流体的传热机制主要包括对流传热和导热。

对流传热主要依赖于流体的流动特性，而导热则与纳米颗粒的导热性能以及其在流体中的分布密切相关。

纳米流体的高导热性主要归因于纳米颗粒的高导热性能以及其在流体中的良好分散性。

此外，微管道的尺寸、形状以及表面性质等也会对纳米流体的传热性能产生影响。

五、实验研究方法与结果分析为了研究微管道中纳米流体的流动及传热特性，可以采用实验与数值模拟相结合的方法。

实验方面，可以制备不同浓度、不同种类纳米颗粒的纳米流体，并通过可视化实验装置观察其在微管道中的流动情况。

同时，可以利用热传导实验装置测量纳米流体在微管道中的传热性能。

数值模拟方面，可以通过建立数学模型，模拟纳米流体在微管道中的流动及传热过程，进一步分析其流动与传热的机理。

通过对实验结果的分析，可以得出以下结论：首先，纳米流体的加入可以显著提高微管道中的传热性能；其次，纳米颗粒的浓度、种类以及微管道的尺寸等因素对传热性能有着重要影响；最后，通过优化纳米流体的制备工艺和调整微管道的结构，可以实现更高效的传热过程。