微尺度流换热课件.ppt

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1、微尺度流动与换热研究进展微型换热器目录一、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

2、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“Thereisplentyofroomatbottom”,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-MechanicalSystems，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

3、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微喷嘴加热系统5微喷管：缝宽19微米，深308微米图3微喷管6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，再经过喷管喷出，产生推力。推力器尺寸很小（通道宽度1～100μm）。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，保证喷出气体的分子动能

4、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，效率不受卡诺循环地限制，转化效率可达40－60％；环境友好，几乎不排放氮氧化合物与硫化物，二氧化碳地排放过量也必火电厂减少40％以上被认为是21世纪很有希望的高效、洁净能源。图4PEMFC的电化学反应示意图81.3微尺度流动与换热基本特点（1）面积与体积之比大大增加常规尺度的物体，例如1米

5、立方的体积，其表面积为6米平方，面积/体积之比，A/V＝6m-1将该物体分为尺度为1微米的小立方体，侧面积与体积之比为A/V＝6m-1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：表面力的地位上升：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。（2）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。尽管通道进口当地Ma数很小，但是出口处，但出口Ma可以很大;必须考虑可

6、压缩性；同时流体沿通道剧烈加速，稀薄性影响逐渐显露。气体的稀薄性用无量纲数Kn（Knudsen）数表示：为气体分子平均自由程；L为通道特征尺度。气体流动按Kn数大小的分类（钱学森，1946）：－连续介质区－过渡区－自由分子流－速度滑移、温度跳跃区当气体流动的Kn数大于0.001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。（3）对液体，由于面体比的变化使固体表面的界面效应明显：双电层（ElectricDoubleLayer），电粘性，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

7、加明显常规尺度通道微细尺度通道同样的绝对粗糙度二、气体的微尺度流动与换热2.1气体的流动阻力早期研究：有的增加，有的减少，数据分歧。Fluid:N2CircularChannelDh(m)3~81Roughness：0.00017~0.0116Kn:0.0006~0.0185Choietal.(1991)Fluids:N2,H2,ArTrapezoidChannelDh(m)：45.46~83.08Roughness0.05~0.30Kn<0.0016Wu（吴沛宜)andLittle(1983)

8、我们的实验与分析结果发现，当壁面相现对粗糙都小于1％时，层流的理论解f=64/Re一直到直径为20微米的通道仍然适用；但是当相对粗糙度大于1％时，侧高于常规通道。图5气体微通道流动阻力测定实验系统示意图直径50微米石英玻璃管当量直径52微米石英玻璃管直径120微米不锈钢管图6Stirling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