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微尺度传热传质及其在微能源系统的应用

2012-12-13

近年来,随着微制造技术的快速发展,各种微能源器件(如微热沉、微蒸发器、微冷凝器、微阀等)的相继面世,微尺度流动与传热问题已成为工程热物理领域最新的研究热点。以下为本课题组在这个前沿领域的研究所取得了一些成果:

在微尺度单相流动与对流传热方面:针对液体在不同截面形状芯片微通道中的流动阻力和对流传热进行了精确的实验研究与理论预测值比较,证实传统N-S方程与能量守恒方程仍然适用于25um-100um直径的微通道液体流动阻力和对流传热的计算;采取仿生思路,提出分形树微通道网络结构的新型设计及其在微电子集成组件冷却的应用。

在微尺度沸腾传热方面:通过高速显微可视化技术,首次发现了微通道沸腾相变过程中的三相交变及其大幅度长周期的温度振荡现象,揭示了两相流微通道热沉易于烧毁的原因。提出沸腾模式可以简单用微通道的出口干度来划分,采用入口限制的方法抑制温度振荡现象。发现过冷液体微汽泡喷射沸腾现象, 阐明其高散热量的机理及在芯片冷却的应用;利用毫秒脉冲加热下微汽泡形成与消失时间的不对称现象,提出了新的微汽泡扰动器设计方法。采用Gibbs自由能方法, 获得非均相沸腾成核半径与相关参数(如壁面亲疏水性等)的分析解。指出壁面粗糙度的曲率半径和汽泡临界半径的比值影响成核功的物理机理。

在微尺度凝结传热方面: 饱和蒸汽进入硅片微通道后,依次经过雾状流、环状流、喷射流、塞状流、泡状流后离开微通道。由于表面张力的重要性,分层流不再存在。首次发现微通道凝结相变过程中的“喷射流”奇异现象,标志着环状流向塞状/泡状流的转变,开启了微尺度凝结传热研究的新方向;

在微型燃料电池研究方面: 运用MEMS技术,成功研制出第一代性能良好的微型硅片燃料电池, 并且用数值模型成功地模拟了质子交换膜中液滴的形成及其形貌;利用亲/疏水性孔隙大小的分布,便于液滴的排出及氧气的进入, 从而降低质子交换膜水淹的可能性及提高微型燃料电池性能。 

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