传热学-微尺度流动与换热

西交《传热学》第六章单相对流传热的关联式前言各位同学，以下是西交《传热学》第六章单相对流传热的关联式的，单相对流传热试验关联式，这个标题提醒了我们这一章的主要学习内容：单相状态，对流传热，试验，关联式。

单相是指没有相变的发生，怎么理解呢，就是在传热过程中传热的双方的状态没有变化，比如说在一块冰融化的过程中就存在状态的变化。

试验，每一个理论的产生和技术的应用都要经过研究人员在大量试验的基础上加以总结，因此试验是一种的重要的研究手段，从实验中可以推算出该项试验现象遵循的试验方程式即试验关联式。

主要介绍单相对流传热的实验结果，本章将按内部流动、外部流动、大空间自然对流及有限空间自然对流的顺序展开讨论。

为了通过有限次数的实验测定而得出具有一定通用性的换热规律，在进行实验以及整理实验数据时，都必须遵循一定的原则，即相似原理。

本章将先对相似原理进行较深入的介绍基础上，再逐一介绍各类具体的实验关联式。

一、微细尺度通道内的流动与换热及纳米流体换热简介产生背景：20世纪80年代初期由于高新科学技术的发展在机械、电子、控制与能源领域，一门新兴交叉学科－微机电系统（micro-electro-mechanical system-MEMS）迅速崛起。

这里的所谓“微”是指工作部件的特征尺度在1毫米（10－3 m）到微米（10－6 m）的尺度范围。

目前微型热交换器、微尺度作用器、微尺度控制器件、微尺度生物芯片等不少已经成为商业产品。

在这样微细尺度的通道内，流体的流动与热交换出现了许多与常规尺度通道中的流动与传热过程不同的特点（统称为尺度效应，size effects）。

微细尺度传热学的研究也成为传热学研究的一个前沿重要分支领域。

气体在微细尺度通道中流动时，气体分子的平均自由程λ与通道的特征尺度L（对圆管取为直径）之比称为Knudsen（努森）数，是表征流动区域的重要参数：KnLλ=根据Kn数大小的不同，可以将气体的流动划分为以下四个区域连续介质区(continuum region)：0.001Kn≤根据Kn数大小的不同，可以将气体的流动划分为以下四个区域连续介质区(continuum region)：0.001Kn≤速度滑移与温度跳跃区(velocity slip and temperature jump r egion)：0.0010.1Kn<<过渡区(transition region)： 0.110Kn <<自由分子区(free-molecular region)： 10Kn ≥Navier －Stokes 方程与能量方程以及无速度滑移（即固体壁面上流体速度等于当地的固体表面速度）与无温度跳跃即（固体壁面上流体的温度等于当地的固体表面的温度）边界条件仅适用于Knudsen 数小于 的连续介质区；在 0.0010.1Kn <<的范围内，上述控制方程仍然适用，但必须采用速度滑移与温度跳跃的条件；在过渡区与自由分子区基于连续介质假定而导出的Navier －Stokes 方程与能量方程不再适用，对流动与传热过程的数学描述需要采用基于分子动力论的有关原理与方程。

1《微尺度流动与传热》课程教学大纲课程名称：微尺度流动与传热课程代码：PO6013学分/学时：3学分/48学时开课学期：春季学期适用专业：工程热物理、热能动力工程、制冷与低温工程、核科学与工程、航空航天工程先修课程：工程热力学，流体力学，传热学后续课程：无开课单位：机械与动力工程学院一、课程性质和教学目标（需明确各教学环节对人才培养目标的贡献，专业人才培养目标中的知识、能力和素质见附表）课程性质：微尺度流动与传热学是近些年传热学领域形成的一个新的学科分支。

当尺度微细化后，其流动和传热的规律已经明显不同于常规尺度条件下的流动和传热现象，出现了流动和传热的尺度效应。

同时，微尺度还包括时间尺度上的微细。

本课程就微尺度流动与传热的尺度效应开展讲解和探讨，对其物理机制展开分析。

主要内容包括微尺度的多相流，沸腾和凝结换热，以及微尺度换热器加工、设计和性能分析等。

其中将相变传热中的微尺度传热问题分为两大类：一是常规尺度沸腾或凝结中存在的微细尺度传热问题：如汽泡、液滴的成核和相变过程中的微液膜换热等等。

另一类是当容器或通道尺寸缩小至与成核临界直径具有同一量级时，相变及其换热规律的变化。

教学目标：本课程的目的在于使研究生了解国际传热界的最新研究成果，培养学生的创新意识。

在讲授求解微尺度流动与传热问题的方法时，强调对传热现象物理机制的分析，训练学生从工程或科研的实际问题中抽象概括出典型微尺度传热问题的能力。

通过本课程学习，使学生进一步掌握传热学的基本规律，并能运用这些规律进行基本热学过程分析。

掌握空间微尺度和时间微尺度条件下的流动和传热科学的核心问题，具有正确分析和提高系统传热效率的能力。

二、课程教学内容及学时分配（含实践、自学、作业、讨论等的内容及要求）1. 微尺度传热学的发展（4学时/课堂教学）2内容：20世纪60年代，以田长霖教授为代表的热物理学家开始注意到工程中传热问题的尺寸效应，于是微尺度传热学逐渐兴起，并于80年代后期得到迅速发展。

有关微细尺度传热问题的研究进展1有关微细尺度传热问题的研究进展余益松(常州大学石油工程学院常州213002)摘要：随着科技的进步，以及技术应用的需求，工程学在微观领域取得了长足的发展。

一方面器件的特征尺度越来越小，已经从微米量级向亚微米量级发展。

另一方面器件的集成度也不断增大。

高的集成度不仅对技术要求提出了挑战，而且可以想象，如此多的集成元件会使热流密度很大。

这样的矛盾充分体现在高密度的微电子领域。

如此多的热量如何能够快速的传递的出去，以保证机械的正常运转。

这给工程师们造成了很大的困扰。

微细尺度传热问题便是在这种背景下发展起来的。

无论是在国内还是在国外，这个问题已经成为制约微型电子机械系统发展的一大障碍。

工业、国防、航空、航海、医学、生物工程以及农业的“微型化”发展，迫切需要解决散热这一基础性的问题。

为此国内外的许多学者对这方面做了很多的研究工作，但经过三四十年的发展其所取得的成果依然很少，甚至不同的学者对这一问题持有相反的观点。

至今对这一问题仍然没有形成一个统一的认识。

本文通过简要的介绍微尺度传热问题的由来、特点、内部机理、所遇到的问题、发展前景及其所涉及主要的研究方向，使读者对这一问题有一个初步的认识和了解。

关键词：特征尺度；集成；微细尺度；散热；传递Research progress of the micro-scale heat transfer problems Yu yisong（Changzhou University of Petroleum Engineering, Changzhou, 213002, China;）Abstract：With the advancement of technology, and technology applications demand, the engineering has made considerable development in the microscopic field. On the one hand, the characteristic scale of the device is getting smaller andsmaller, from microns to submicron development. The other hand, the device integration is also increasing. The high degree of integration is not only a challenge on the technical requirements, but you can imagine, so many integrated components cause the heat flux. This fully reflects the contradictions in the field of high-density microelectronic. How so much heat can be quickly passed out, in order to ensure the normal operation of the machinery? This caused a lot of distress to the engineers. A micro-scale heat transfer problem is developed in this context. Whether at home or abroad, this issue has become a major obstacle restricting the development of micro-electro-mechanical systems. Industrial, defense, aviation, marine, medical, bio-engineering, and agriculture "miniaturization" development, there is an urgent need to address the basic problem of the heat. This home and abroad many scholars in this area to do a lot of research work is still very small, but after three or four decades the development of their achievements, and even different scholars hold the opposite point of view on this issue. So far on this issue is still not formed a unified understanding. In this paper, a brief introduction to micro scale heat transfer problem the origin, characteristics, internal mechanism, the problems encountered, the prospects for the development its main research direction, so that readers have a preliminary knowledge and understanding of this issue.Keywords：Characteristic scale；Integrated；Fine-scale；Radiating；Transfer1 引言20世纪60年代著名物理学家Richard Feynman[1]提出了微型机械的设想，这开辟了工程学的一个新的领域-微电子机械系统。

微纳米尺度流动与传热传质基础
微纳米尺度的流动与传热传质基础是一个复杂的学科领域，它涵
盖了不同的领域如微流体力学、传热传质、生物化学、材料科学等。

这个领域的研究对科技领域有着巨大的影响，因为它可以给人们带来
更小、更快、更有效的技术方案。

首先，我们来谈谈微纳米尺度的流动。

在微纳米尺度下，流体遵
循的是微观运动学原理，与宏观流体力学不同。

流动的介质是极小的、具有高表面活性和流体分子之间相互作用的物质，如气体、液体和悬
浮液。

微观尺度下，一些特殊现象如界面现象、毛细现象和饱和悬浮
等在流动中变得更加明显。

流体与控制介质界面的形状和内部运动也
是微观尺度流动的重要特征。

其次，微纳米尺度的传热传质也是一个重要的领域。

在微观尺度下，热传递是通过分子间的能量传递来实现的。

在微观尺度下，物态
变化也会对热传递产生巨大影响，如气态、液态和固态之间的相变。

热传递方式包括传导、对流和辐射。

同时，由于微纳米尺度下表面积
相对较大，因此表面效应和相互作用在传热传质过程中也是非常重要的。

最后，我们谈论微纳米尺度流动与传热传质的应用。

微纳米科技
在生物医学和环境监测方面有着广泛的应用，例如微型分析仪器、悬
浮液调制和细胞操作体系等。

在电子学和热管理领域，微纳米技术也
具有很高的价值，例如光纤通讯、光电处理和半导体热管理等。

综上所述，微纳米尺度流动与传热传质基础是一个复杂的学科领域，从理论研究到实际应用都具有非常重要的意义。

我们可以预见这
个领域在未来将对科技进步和产业发展产生更多的贡献。

第二章实验设计
恒温控制单元
图２．１实验系统图（单微通道）
图２．２单微通道实验段结构图
实验过程如下：
●向储液容器中装入去离子水，约占容器总容积的８０％。

·设定恒温控制单元的温度为９５。

Ｃ，如此高的温度可使液体中的不凝结性气体排出。

●密闭储液容器，从液面顶部通入高压氮气，由精密压力调节阀控制所需
的实验压力，容器中的液体温度由恒温控制单元ＰＩＤ控制。

●打开系统管路阀门，使液体流过实验段，逐渐增加加热功率。

质量流速
通过精密电子天平由称重法得到，加热功率由功率计直接读出。

２３
中国科学技术大学博士学位论文
图２．５微槽道换热器立体结构图
§２．２测试技术
实验需要测量的主要参数有：微尺度通道的壁面温度，工质的进出口温度，工质流量，电加热功率，实验段的压力等‘”。

温度的测量：
均由Ｋ型热电偶测得，热电偶的精度为Ｏ．１℃，所有热电偶在安装前都经过校验。

压力和压差的测量：
采用压力传感器（ｓｅ仃ａｓｙｓｔｅｍＭｏｄｅｌ２０６）测量实验段的进口压力，精度为Ｏ．５％ＦＳ。

采用压差变送器（ＤＰｌ３００一ＤＰ５５Ｅ２２Ｍ４Ｄ１）测量实验段的进出口压差，精度为０．５％ＦＳ。

流量的测量：
采用转子流量计和电子天平。

转子流量计读数经高精度电子天平（ＪＪｌ０００）
２６。

微尺度流体液力学与传热特性研究第一章引言流体力学和传热学是物理学的两个分支，它们分别研究流体的运动和与物体之间的热传递。

在微尺度下，流体的流动和传热特性往往与传统尺度下的情况有很大不同，这使得微尺度流体力学和传热学成为了一个热点研究领域。

第二章微尺度流体力学微尺度流体力学研究的主要是微观尺度下的流体行为，主要包括微通道流、微纳米颗粒悬浮体、微纳米流动和微纳米流体特性研究等。

微尺度流体力学与传统流体力学的不同之处在于，微尺度下的流体运动主要受到分子效应和表面效应的影响。

微尺度流体力学研究中的主要问题包括：纳米通道流体的输运机理和性质、纳米尺度的流体相变、微尺度下的流体稳定性和混合、微通道流中的传热过程以及微纳米流动中的流动稳定性等。

第三章微尺度传热学微尺度传热学主要研究微尺度下的传热特性，包括对于微观物质热传递机理的研究以及针对微观传热问题的解决方案。

在微尺度下，分子热传递是十分重要的。

微尺度传热学的主要问题包括：微流混合中的传热增强、纳米流体的相变传热、微观尺度下的液-液传热、界面传热，以及微观传热与微观流体力学的耦合等。

第四章微尺度流体力学与传热特性的重要性微尺度流体力学和传热学的研究对于微纳米器件和系统的设计和制造具有非常重要的意义，因为这些器件和系统的效率往往受到微观尺度下的流体力学和传热特性的影响。

比如，在微纳米元件中，微通道的增强传热和制冷效果是非常重要的。

研究微通道流中传热特性的机理和提高热传递效率是这一领域关注的重点。

此外，还可以应用微纳米流体力学和传热学的知识来设计高效的微纳米传感器和微纳米能量转换器等。

第五章结论微尺度流体力学和传热学的研究领域涉及到多个方面，包括微纳米元件、微纳米系统、生物体系等，发展非常迅速，对于推动微纳米技术的发展具有重要意义。

未来我们可以通过更多的理论和实验研究来深入挖掘微尺度流体力学和传热学的奥秘，进一步开发和设计出更加智能化、有效率的微纳米器件和系统。