微纳系统中三类典型流动与传热机理及分析
文献类型：学位论文
| 作者 | 宋延熙 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-06-02 |
| 授予单位 | 中国科学院广州能源研究所 |
| 授予地点 | 广州能源研究所 |
| 导师 | 徐进良 |
| 关键词 | MEMS 微流控 连续流 混沌 数字化流 |
| 其他题名 | Study of Three Typical Flow and Heat Transfer in Thermal Micro System |
| 学位专业 | 热能工程 |
| 中文摘要 | 微尺度流动是研究微控制器、微反应器、微换热器、微燃料电池等微流控与微执行器件的基础。深入了解微尺度下的流动对微流控与微执行器的设计与运行有重要指导意义。通常情况下，流动可划分为单相和多相流，层流和湍流。基于微尺度流动的应用，本文把微尺度下的流动划分为连续流，混沌流动和数字化流。通过实验、数值模拟和理论建模，对这三种典型流动的现象和机理作了深入细致的研究。 微尺度下连续流的主要应用是电子冷却。本文研究了微尺度下，利用流动和热边界的再发展概念强化换热和降低流动阻力的可能性和相关机理。实验件为标准MEMS微加工工艺制作的两个尺寸为30 x 7 x 0.525的硅基热沉。在热沉上分别刻蚀着普通微通道和具有周期性中断结构的微通道（水力直径155μm）。本文的数值模拟和实验数据吻合。数值模拟和实验结果表明：采用边界层中断概念制作的微通道传热性能大大提高，相应的流动阻力却没有增加，甚至在某些情况下降低。通过数值模拟，得到了流体内部流场和温度场。研究发现在中断微通道内，流动和温度边界层出现周期性发展。当工质的Prandtl数大于1时，热边界层发展得比流动边界层慢。因此，Pr>1是中断微通道有实用价值的必要条件。 为研究微尺度下流动和传热中的混沌现象，本文设计了几个不同尺寸的脉冲热管，获得了它们在不同工况下的温度时间序列。根据温度时间序列，计算了混沌特征量如Kolmogorov熵，奇怪吸引子的关联维和Hurst指数，从而证实了脉冲热管里的两相流动是确定性混沌运动。通过比较不同工况参数（加热功率、倾角、充液比和工质）下的换热效率和混沌特征量，给出了换热效果与混沌状态的关系——混沌程度越高，换热效果越好。此外，由混沌吸引子相图和关联维可以判断脉冲热管所对应的不同动力系统和流型。 最后，本文研究了利用同轴毛细管形成串联co-flow的微流控装置。这种装置可以生成高度可控的数字化流复合液滴。只需调整流量，就能改变复合液滴大小、生成频率。对这种依靠多重co-flows生成复合液滴的过程，本文进行了深入细致的数值模拟。几何参数和各种无量纲参数如Re数、We数，以及不同流体的粘性比、密度比等对生成液滴的影响，都在文中作了详细讨论。本文还进一步研究了轴对称和非对称装置中生成的复合液滴的稳定性问题。此外，我们以微尺度下的低雷诺数理论为基础，建立了单一复合液滴在长毛细管里运动的理论模型。通过联合转换圆柱坐标和双球坐标，获得了这个理论模型以流函数形式表示的精确级数解，成为进一步研究数字化流复合液滴的运动的基础。 本文的研究可以为微芯片电子冷却和微流控系统的设计和运行提供科学指导。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2011-07-14 |
| 页码 | 147 |
| 源URL | [http://ir.giec.ac.cn/handle/344007/5824]  |
| 专题 | 中国科学院广州能源研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 宋延熙. 微纳系统中三类典型流动与传热机理及分析[D]. 广州能源研究所. 中国科学院广州能源研究所. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：广州能源研究所
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