微尺度换热与流动研究进展陶文微尺度换热与流动研究进展陶文铨铨 目目 录录一、一、 什么叫微尺度流动及其例子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微尺度流动与换热一般概念 1.2 微尺度流动与换热举例微尺度流动与换热举例 1.3 微尺度流动与换热基本特点微尺度流动与换热基本特点二、气体的微尺度流动与换热二、气体的微尺度流动与换热 三、液体的微尺度流动与换热三、液体的微尺度流动与换热 四、微尺度相变换热四、微尺度相变换热五、结论五、结论1 1 微喷管用于自由分子微电阻加热推力器中，可为微喷管用于自由分子微电阻加热推力器中，可为微型航天器姿态控制提供动力。其工作原理是采用薄微型航天器姿态控制提供动力。其工作原理是采用薄膜电阻做加热器，通过推进剂分子（水蒸气或氩气）膜电阻做加热器，通过推进剂分子（水蒸气或氩气）与加热器壁面的碰撞，将能量传递给推进剂，再经过与加热器壁面的碰撞，将能量传递给推进剂，再经过喷管喷出，产生推力。推力器尺寸很小（通道宽度喷管喷出，产生推力。推力器尺寸很小（通道宽度1 1100m100m）。它要求加热元件与出口缝隙之间的空）。它要求加热元件与出口缝隙之间的空间等于气体的平均自由程，从而减少分子之间的碰撞，间等于气体的平均自由程，从而减少分子之间的碰撞，保证喷出气体的分子动能等于加热器的温度（系统内保证喷出气体的分子动能等于加热器的温度（系统内最高温度），提高总效率，从而获得最高的比冲（单最高温度），提高总效率，从而获得最高的比冲（单位质量推进剂所产生的冲量称为比冲量）位质量推进剂所产生的冲量称为比冲量） 。 （2）燃料电池流场板内的流动）燃料电池流场板内的流动 燃料电池流场板内的流动燃料电池等温地将化学燃料电池流场板内的流动燃料电池等温地将化学能转换成为电能，不需要经过热机过程，效率不受卡能转换成为电能，不需要经过热机过程，效率不受卡诺循环地限制，转化效率可达诺循环地限制，转化效率可达40406060；环境友好，；环境友好，几乎不排放氮氧化合物与硫化物，二氧化碳地排放过几乎不排放氮氧化合物与硫化物，二氧化碳地排放过量也必火电厂减少量也必火电厂减少4040 以上被认为是以上被认为是2121世纪很有希世纪很有希望的高效、洁净能源。望的高效、洁净能源。 图图4 PEMFC的电化学反应示意图的电化学反应示意图8 8 燃料电池流场板内的流场板照片燃料电池流场板内的流场板照片 图图5 5 燃料电池计算模型燃料电池计算模型9 9（3）电子器件冷却）电子器件冷却 1.3 微尺度流动与换热基本特点微尺度流动与换热基本特点（1）面积与体积之比大大增加）面积与体积之比大大增加 常规尺度的物体，例如常规尺度的物体，例如1 1米立方的体积，其表米立方的体积，其表面积为面积为6 6米平方，面积米平方，面积/ /体积之比，体积之比， A/V A/V6m6m-1 -1 将该物体分为尺度为将该物体分为尺度为1 1微米的微米的 小立方体，小立方体，侧面积与体积之比为侧面积与体积之比为A/VA/V6 m6 m-1-1 在微尺度系统中作用在流体上的体积力与表面在微尺度系统中作用在流体上的体积力与表面力的相对重要性发生了巨大的变化：表面力的地位力的相对重要性发生了巨大的变化：表面力的地位上升：上升： 随着尺度减小，粘性力相对作用增强，惯随着尺度减小，粘性力相对作用增强，惯性力作用变小，越靠近壁面这种规律越明显。性力作用变小，越靠近壁面这种规律越明显。（2）对气体可压缩性大大增加，引起稀薄效应）对气体可压缩性大大增加，引起稀薄效应 对气体在微细通道中的受迫对流，由于单位对气体在微细通道中的受迫对流，由于单位通道长度流体压降很大，沿通道长度流体密度发通道长度流体压降很大，沿通道长度流体密度发生显著变化。生显著变化。 尽管通道进口当地尽管通道进口当地MaMa数很小，但是出口处数很小，但是出口处，但出口但出口MaMa可以很大可以很大; ;必须考虑可压缩性；同时流体必须考虑可压缩性；同时流体沿通道剧烈加速，稀薄性影响逐渐显露。沿通道剧烈加速，稀薄性影响逐渐显露。 气体的稀薄性用无量纲数气体的稀薄性用无量纲数KnKn（KnudsenKnudsen）数）数表示：表示： 为气体分子平均自由程；为气体分子平均自由程； L L 为通道特征尺度。为通道特征尺度。 气体流动按气体流动按KnKn数大小的分类（钱学森，数大小的分类（钱学森，19461946）：）： 连续介质区连续介质区 过渡区过渡区自由分子流自由分子流速度滑移、温度跳跃区速度滑移、温度跳跃区 当气体流动的当气体流动的KnKn数大于数大于0.0010.001以后连续介质以后连续介质的假定失效，流动与换热呈现出许多新的特点。的假定失效，流动与换热呈现出许多新的特点。 （3）对液体，由于面体比的变化使固体表面的界面）对液体，由于面体比的变化使固体表面的界面效应明显：效应明显：双电层（双电层（Electric Double Layer），电粘），电粘性，电渗，电泳性，电渗，电泳。 （4）固体表面的绝对粗糙度在微尺度通道中影响更）固体表面的绝对粗糙度在微尺度通道中影响更加明显加明显常规尺度通道常规尺度通道微细尺度通道微细尺度通道同样的绝对粗糙度同样的绝对粗糙度 二、气体的微尺度流动与换热二、气体的微尺度流动与换热2.1 气体的流动阻力气体的流动阻力早期研究：有的增加，有的减少，数据分歧。早期研究：有的增加，有的减少，数据分歧。Fluid: N2Circular ChannelDh (m) 381Roughness： 0.000170.0116Kn: 0.00060.0185Choi et al. (1991) Fluids: N2, H2, ArTrapezoid Channel Dh (m) ： 45.4683.08Roughness 0.050.30Kn0.0016Wu （吴沛宜（吴沛宜) and Little(1983) 我们的实验与分析结果发现，当壁面我们的实验与分析结果发现，当壁面相现对粗糙都小于相现对粗糙都小于1时，层流的理论解时，层流的理论解 f=64/Re 一直到直径为一直到直径为20微米的通道仍然适微米的通道仍然适用；但是当相对粗糙度大于用；但是当相对粗糙度大于1时，侧高于时，侧高于常规通道。常规通道。 图图5 5 气体微通道流动阻力测定实验系统示意图气体微通道流动阻力测定实验系统示意图 直径直径5050微米石英玻璃管微米石英玻璃管当量直径当量直径5252微米石英玻璃管微米石英玻璃管 直径直径120120微米不锈钢管微米不锈钢管 图图 直径为直径为 D=102微米的石英玻璃管实验测定结果微米的石英玻璃管实验测定结果 图图 直径为直径为 D=75微米的石英玻璃管实验测定结果微米的石英玻璃管实验测定结果 图图 当量直径为当量直径为 D=52微米的石英玻璃管实验测定结果微米的石英玻璃管实验测定结果 图图 直径为直径为 D=172微米的不锈钢管实验测定结果微米的不锈钢管实验测定结果 图图 直径为直径为 D=119微米的不锈钢管实验测定结果微米的不锈钢管实验测定结果 1010 2.2 气体稀薄性与可压缩性的影响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难点：对燃料电池整体过程的建模与预测在几何上跨上跨3 34 4个数量级；个数量级；目前多数人仍用连续介质模型加目前多数人仍用连续介质模型加上经验关联式；我们在上经验关联式；我们在2 2年前就设想应用分子动力学模年前就设想应用分子动力学模拟或者拟或者DSMSDSMS来预测催化剂和交换膜中的迁移过程；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；目前日本、美国部分作者也在进行这一工作；但是如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。的问题。1111 图图6 Stirling6 Stirling制冷机的结构简图制冷机的结构简图1.3 小型低温制冷机的模拟小型低温制冷机的模拟1212 1.1.压缩机压缩机; 2. ; 2. 水冷却器水冷却器; 3. ; 3. 回热器回热器; 4. ; 4. 冷端换热器冷端换热器; 5. ; 5. 脉管脉管; 6. ; 6. 热端换热器热端换热器; 7. ; 7. 小孔阀小孔阀; 8. ; 8. 气库气库; 9. ; 9. 双向进双向进气阀气阀图图7 7 脉管制冷机的结构简图脉管制冷机的结构简图1313 回热器采用多空介质做填料时，采用格子回热器采用多空介质做填料时，采用格子Boltzmann (LBM) Boltzmann (LBM) 方法（介观模型）比较理想；如方法（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，是急待解决何将介观模型与宏观模型有效地耦合，是急待解决的问题。的问题。 MEMS MEMS系统中液体在微尺度通道内流动时，产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生电渗流，壁面附近的电渗流与主流可分别采用LBMLBM方法与连续介质方法，其间的跨越与耦合至关方法与连续介质方法，其间的跨越与耦合至关重要重要. .1313 1.4 相变换热的模拟相变换热的模拟 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？完全凝结，管子要多长？图图8 8 管内凝结管内凝结1414 已有的所谓相变换热数值计算，都要将由实验得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气器的计算(Zhang C.),(Zhang C.),或者管内凝结的分析计或者管内凝结的分析计)(Wang H S, Honda H),)(Wang H S, Honda H),均如此。商业软件均如此。商业软件 PHOENICSPHOENICS， FLUENT FLUENT， STAR-CD STAR-CD 也不能幸免。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方程是没法模拟的，必须采用分子动力学模拟的方法。法。1515 图图9 9 经验关联式经验关联式对结果的影响对结果的影响1616 对内径对内径8 8毫米的毫米的管子在壁面上产生管子在壁面上产生0.1 0.1 微米厚的凝结微米厚的凝结液体大约需要液体大约需要6 6百万百万个分子。个分子。图图10 10 管内凝结的管内凝结的分子动力学模拟分子动力学模拟预测预测1717 二、二、 学科意义与工程意义学科意义与工程意义1.1 客观世界本来是多尺度的客观世界本来是多尺度的1818 图图11 多尺度的客观世界多尺度的客观世界 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。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：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世纪电学与磁学统一于Maxwell方程；方程； 20世纪生物学与分子研究碰撞出分子生物学。世纪生物学与分子研究碰撞出分子生物学。1919 1.2 热流现象的尺度范围热流现象的尺度范围2020 图图12 热流科学研究对象的时间尺度热流科学研究对象的时间尺度 2121 图图13 热流科学研究对象的空间尺度热流科学研究对象的空间尺度 1.3 换热器尺度已经跨越换热器尺度已经跨越3个数量级个数量级2222 图图14 换热器的多尺度范围换热器的多尺度范围 1.4 解决跨尺度模拟与预测可以在更高层次上强化解决跨尺度模拟与预测可以在更高层次上强化迁移过程迁移过程 以相变换热为例，尽管传热学基本原理已经以相变换热为例，尽管传热学基本原理已经指出，尖锋可以强化膜状凝结，表面上的凹坑可指出，尖锋可以强化膜状凝结，表面上的凹坑可以强化沸腾换热，但是尖峰与凹坑的形状又是千以强化沸腾换热，但是尖峰与凹坑的形状又是千奇百怪，目前国内外已经开发出多种形式的这类奇百怪，目前国内外已经开发出多种形式的这类表面。究竟哪一种形式最好，目前完全依靠经验表面。究竟哪一种形式最好，目前完全依靠经验与实验与实验。2323 (a) 日立日立Thermoexcel-E(d) Wielad GEWA-SE (e) Trent 弯翅管弯翅管图图15 部分商用沸腾换热强化表面结构示意图部分商用沸腾换热强化表面结构示意图 (b) Wieland GEWA-TW(c) Wolverine-Turbo-B(f) 烧结表面烧结表面2424 2525 图图16 双侧强化管双侧强化管 Hitachi Review, 1975, 24(8):329-334 图图 17 日立日立Thermoexcel-C2626 2727 图图18 二维微肋管二维微肋管 2828 图图19 三维微肋管三维微肋管 下一步该怎样走？从学术上需要有更高层次下一步该怎样走？从学术上需要有更高层次的理论与研究方法来指导。的理论与研究方法来指导。 研究跨尺度模拟原理与高效方法是重要途径研究跨尺度模拟原理与高效方法是重要途径之一。之一。 微纳米传热学的发展更需要研究跨尺度的模微纳米传热学的发展更需要研究跨尺度的模拟问题。拟问题。2929 三、三、 目前国内外研究情况目前国内外研究情况2.1 2.1 材料科学一马当先材料科学一马当先 研究金属裂缝的发生与发展采用了跨尺度模拟。研究金属裂缝的发生与发展采用了跨尺度模拟。控制方程本质上是扩散方程，界面跨越相对难度较小。控制方程本质上是扩散方程，界面跨越相对难度较小。3030图图20 材料裂缝材料裂缝的跨尺度模拟的跨尺度模拟 3131 图图21 交界区的耦合交界区的耦合 2.2 2.2 热流学科开始起步热流学科开始起步质子交换膜中的迁移过程用分子动力学模拟，但尚质子交换膜中的迁移过程用分子动力学模拟，但尚未跨越；未跨越；微尺度液体电渗流采微尺度液体电渗流采LBMLBM及连续介质的跨越及连续介质的跨越（20042004）；）；分子动力学模拟计算凝结系数也有不少研究，但分子动力学模拟计算凝结系数也有不少研究，但是尚未跨越；是尚未跨越；流动过程的对流项使得尺度的跨越难度大为增加。流动过程的对流项使得尺度的跨越难度大为增加。3232总体上国内跨越研究几近空白。总体上国内跨越研究几近空白。 四、四、 开展我国热流科学跨尺度模拟研究建议开展我国热流科学跨尺度模拟研究建议 跨尺度热流科学模拟原理与方法研究是热流科跨尺度热流科学模拟原理与方法研究是热流科学的基础研究，建议国家自然科学基金委予以积极学的基础研究，建议国家自然科学基金委予以积极支持；支持； 除了每种尺度模拟方法本身的进一步完善外，除了每种尺度模拟方法本身的进一步完善外，关键要从过程的第一原理出发，发展处理跨越区内关键要从过程的第一原理出发，发展处理跨越区内的各种耦合的原理与方法；的各种耦合的原理与方法；3333 对于几种典型的跨尺度情形，获得可靠的实验对于几种典型的跨尺度情形，获得可靠的实验数据，以作为检验跨越计算正确性的标准；数据，以作为检验跨越计算正确性的标准； 鉴于予传热与流动计算中有限容积法应用最广，鉴于予传热与流动计算中有限容积法应用最广，因此作为连续介质的模拟方法建议以因此作为连续介质的模拟方法建议以FVMFVM为主。为主。 建议首先分别研究热流科学中建议首先分别研究热流科学中LBMLBMFVMFVM跨跨越原理与方法，越原理与方法，DSMCDSMCFVMFVM跨越原理与方法以及跨越原理与方法以及MDMDFVMFVM跨越原理与方法。在此基础上，进一步跨越原理与方法。在此基础上，进一步研究两种跨越：研究两种跨越：FVMFVMLBMLBMMDMD；FVMFVMDSMCDSMCMDMD，甚至三种跨越：，甚至三种跨越：FVMFVMLBMLBMMDMDAB (abinitio,AB (abinitio,电子层次）。电子层次）。3434 3535 基金委的材料与工程学部对应于科学院的技术基金委的材料与工程学部对应于科学院的技术科学部；不仅数理化天地生有科学问题，技术科学科学部；不仅数理化天地生有科学问题，技术科学也有科学问题，其重要性决不亚于理论科学问题。也有科学问题，其重要性决不亚于理论科学问题。 以传热学为例，早期属于数学家与物理学家：以传热学为例，早期属于数学家与物理学家：FourierFourier， Boltzman Boltzman，PlanckPlanck，直到，直到NusseltNusselt以以及俄国一批科学家建立了相似原理才从理论科学走及俄国一批科学家建立了相似原理才从理论科学走向技术科学，在工程应用中起到重大的作用。向技术科学，在工程应用中起到重大的作用。 相似原理就是技术科学中的科学问题。相似原理就是技术科学中的科学问题。 同舟共济 渡彼岸!3636结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！63