微尺度流動與換熱研究進展
Recent advances in the study on microfluid flow and heat transfer processes
何雅玲，陶文銓 西安交通大學

目錄
一、什么叫微尺度流動及其例子
1.1 微尺度流動與換熱一般概念
1.2 微尺度流動與換熱舉例
1.3 微尺度流動與換熱基本特點
二、氣體的微尺度流動與換熱
三、液體的微尺度流動與換熱
四、微尺度相變換熱
五、結論

一、什么叫微尺度流動及其例子
1.1 微尺度流動與換熱的一般概念

大千世界的物體尺度變化跨三十余個數量級，近10余年來科學技術發展的重要方向之一是微型化。

愛因斯坦曾經預言:
“未來科學的發展無非是繼續向宏觀世界和微觀世界進軍” ；resheji.com
1959，美國物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德·
弗曼在美國西海岸會議上宣讀了一篇經典論文“There is plenty of room at bottom”,首次提出納 米技術的預言。

1962年，第一個硅微型壓力傳感器問世，其后開發出尺寸為50－500mm的齒輪、齒輪泵、氣動渦輪及聯結件等微機械（里程碑）。
1989年，在美國鹽湖城會議上，首次提出MEMS概念：Micro-Electro-Mechanical Systems，這是指特征尺度在1mm－1 之間集電子、機械于一身的器件。在這樣的器件中有氣體或者液體作為工作介質，其內內的流動與換熱就是一般的微尺度流動與換熱。
μm

微噴管用于自由分子微電阻加熱推力器中，可為微型航天器姿態控制提供動力。其工作原理是采用薄膜電阻做加熱器，通過推進劑分子（水蒸氣或氬氣）
與加熱器壁面的碰撞，將能量傳遞給推進劑，再經過噴管噴出，產生推力。推力器尺寸很小（通道寬度1～100μm）。它要求加熱元件與出口縫隙之間的空間等于氣體的平均自由程，從而減少分子之間的碰撞，保證噴出氣體的分子動能等于加熱器的溫度（系統內最高溫度），提高總效率，從而獲得最高的比沖（單位質量推進劑所產生的沖量稱為比沖量） 。

（2）燃料電池流場板內的流動
燃料電池流場板內的流動燃料電池等溫地將化學能轉換成為電能，不需要經過熱機過程，效率不受卡諾循環地限制，轉化效率可達40－60％；環境友好，幾乎不排放氮氧化合物與硫化物，二氧化碳地排放過量也必火電廠減少40％ 以上被認為是21世紀很有希望的高效、潔凈能源。

在微尺度系統中作用在流體上的體積力與表面力的相對重要性發生了巨大的變化：表面力的地位上升： 隨著尺度減小，粘性力相對作用增強，慣性力作用變小，越靠近壁面這種規律越明顯。
（2）對氣體可壓縮性大大增加，引起稀薄效應對氣體在微細通道中的受迫對流，由于單位通道長度流體壓降很大，沿通道長度流體密度發生顯著變化。

二、氣體的微尺度流動與換熱
2.1 氣體的流動阻力
早期研究：有的增加，有的減少，數據分歧。
Fluid: N2
Circular Channel
Dh (μm) 3~81
Roughness：
0.00017~0.0116
Kn: 0.0006~0.0185
我們的實驗與分析結果發現，當壁面相現對粗糙都小于1％時，層流的理論解f=64/Re 一直到直徑為20微米的通道仍然適用；但是當相對粗糙度大于1％時，側高于常規通道。
難點：對燃料電池整體過程的建模與預測在幾何上跨3～4個數量級；目前多數人仍用連續介質模型加上經驗關聯式；我們在2年前就設想應用分子動力學模擬或者DSMS來預測催化劑和交換膜中的遷移過程；
目前日本、美國部分作者也在進行這一工作；但是如何從連續介質跨到不連續介質，仍然是一個沒有解決的問題。
回熱器采用多空介質做填料時，采用格子－Boltzmann (LBM) 方法（介觀模型）比較理想；如何將介觀模型與宏觀模型有效地耦合，是急待解決的問題。
MEMS系統中液體在微尺度通道內流動時，產生電滲流，壁面附近的電滲流與主流可分別采用LBM方法與連續介質方法，其間的跨越與耦合至關重要.
已有的所謂相變換熱數值計算，都要將由實驗得出的關聯式耦合到流場計算中去，例如大型電站凝氣器的計算(Zhang C.),或者管內凝結的分析計)(Wang H S, Honda H),均如此。商業軟件PHOENICS， FLUENT， STAR-CD 也不能幸免。因為蒸汽如何變成液體的過程連續介質模型的控制方程是沒法模擬的，必須采用分子動力學模擬的方法。

二、學科意義與工程意義
客觀世界存在多種跨尺度現象，這些現象表面上似乎風馬牛不相及，但是在跨尺度強耦合方面存在驚人的類似性：非平衡、非線性等。
對于某一類問題的統一的處理方法可能使跨尺度現象研究過程中派生出新的學科：
19世紀電學與磁學統一于Maxwell方程；
20世紀生物學與分子研究碰撞出分子生物學。
1.4 解決跨尺度模擬與預測可以在更高層次上強化遷移過程
以相變換熱為例，盡管傳熱學基本原理已經指出，尖鋒可以強化膜狀凝結，表面上的凹坑可以強化沸騰換熱，但是尖峰與凹坑的形狀又是千奇百怪，目前國內外已經開發出多種形式的這類表面。究竟哪一種形式最好，目前完全依靠經驗與實驗。
下一步該怎樣走？從學術上需要有更高層次的理論與研究方法來指導。
研究跨尺度模擬原理與高效方法是重要途徑之一。
微納米傳熱學的發展更需要研究跨尺度的模擬問題。

三、目前國內外研究情況
2.1 材料科學一馬當先
研究金屬裂縫的發生與發展采用了跨尺度模擬。
控制方程本質上是擴散方程，界面跨越相對難度較小

2.2 熱流學科開始起步
質子交換膜中的遷移過程用分子動力學模擬，但尚未跨越；
 微尺度液體電滲流采LBM及連續介質的跨越（2004）；
 分子動力學模擬計算凝結系數也有不少研究，但是尚未跨越；
 流動過程的對流項使得尺度的跨越難度大為增加。

總體上國內跨越研究幾近空白。
四、開展我國熱流科學跨尺度模擬研究建議跨尺度熱流科學模擬原理與方法研究是熱流科學的基礎研究，建議國家自然科學基金委予以積極支持；
除了每種尺度模擬方法本身的進一步完善外，關鍵要從過程的第一原理出發，發展處理跨越區內
的各種耦合的原理與方法；

對于幾種典型的跨尺度情形，獲得可靠的實驗數據，以作為檢驗跨越計算正確性的標準；

鑒于予傳熱與流動計算中有限容積法應用最廣，因此作為連續介質的模擬方法建議以FVM為主。
建議首先分別研究熱流科學中LBM－FVM跨越原理與方法，DSMC－FVM跨越原理與方法以及MD－FVM跨越原理與方法。在此基礎上，進一步研究兩種跨越：FVM－LBM－MD；FVMDSMC－MD，甚至三種跨越：FVM－LBM－MD－AB (abinitio,電子層次）。

基金委的材料與工程學部對應于科學院的技術科學部；不僅數理化天地生有科學問題，技術科學也有科學問題，其重要性決不亞于理論科學問題。
以傳熱學為例，早期屬于數學家與物理學家：
Fourier， Boltzman，Planck，直到Nusselt以及俄國一批科學家建立了相似原理才從理論科學走向技術科學，在工程應用中起到重大的作用。
相似原理就是技術科學中的科學問題。

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