發(fā)布時間：2020-04-16 17:34

【摘要】：隨著微納技術的高速發(fā)展,微尺度下流體的流動換熱及相變在微納系統(tǒng)和器件的設計與應用中備受關注,是制約微納系統(tǒng)能量轉換、存儲及輸運的關鍵科學問題。目前,尺度微細化導致流體熱質傳遞過程中產(chǎn)生的新問題和新現(xiàn)象仍未能被很好的揭示與應用,有待開展進一步的深入研究。由于實驗手段和理論研究很難從分子層面揭示粒子間復雜相互作用,分子動力學方法成為探索微觀尺度現(xiàn)象與機理的有效手段。因此,本文借助分子動力學方法研究微尺度下流體熱質傳遞過程的影響機制。從構建微尺度單相流體的傳熱模型入手,揭示微尺度固液溫度邊界的物理本質;進一步研究單相流體流動與換熱的耦合關系,探索微尺度受限空間內流體的新現(xiàn)象。在單相流體流動換熱的研究基礎上,開展流體核化相變的研究。分別從受限空間內流體核化與固體壁面上薄液膜的核化沸騰的角度出發(fā),剖析微尺度流體核化相變的影響機制。研究結果為微納系統(tǒng)及器件的設計制造與性能優(yōu)化提供具有指導意義的重要信息。針對微尺度固液界面溫度邊界問題,研究不同浸潤性微通道內液體的傳熱過程,分析尺寸效應對固液界面熱阻及溫度階躍的影響。界面熱阻隨微通道尺寸的變化可分為兩個階段,即小尺寸微通道的單調遞增階段和大尺寸微通道的恒定值階段。這兩個階段的微通道尺寸過渡閾值受固液作用強度與壁面溫度的共同作用:減弱壁面浸潤性,過渡閾值向大尺寸區(qū)域遷移。相較于低溫壁面,高溫壁面處的過渡閡值更大。增加微通道尺寸,固液界面溫度階躍呈單調遞減趨勢,致使壁面溫度邊界和宏觀尺度下逐漸符合。探究非對稱浸潤性納米通道內流動換熱的耦合機制,以氬流體作為流動工質,建立泊肅葉流動的物理模型。對于無流動的熱傳導過程,流體內部熱流由近熱壁區(qū)向近冷壁區(qū)傳遞,稱為正向傳熱。對于有流動的非對稱浸潤性系統(tǒng)而言,粘性耗散效應使得流體溫度升高,且固液界面處產(chǎn)生非對稱速度滑移與溫度階躍。通過調控速度滑移和溫度階躍的耦合作用,實現(xiàn)流體內部溫度分布與熱流傳遞的控制。一方面,減弱熱壁面的浸潤性,流體內部正向溫度梯度增大,強化了流體內部正向傳熱。另一方面,通過控制參數(shù)的組合匹配,實現(xiàn)流體內部溫度反轉現(xiàn)象,獲得流體內部由正向傳熱到逆向傳熱的轉換,包括:(1)保持熱壁面的超親水性不變,減弱冷壁面的浸潤性;(2)保持熱壁面的超親水性與冷壁面的疏水性不變,增大流體原子的驅動力;(3)保持熱壁面的超親水性與冷壁面的疏水性不變,降低熱壁面溫度。研究結果為熱敏感性納米器件的制造提供新思路�？疾旒{米受限空間內流體的核化相變行為,建立壁面浸潤性與初始流體狀態(tài)控制的汽泡核化機制分區(qū)圖。受限空間內的流體核化模式分為四類,當流體初始密度ρ0.8ρsat(ρsat為飽和液體密度)時,呈現(xiàn)無汽泡核化模式;當流體初始密度ρ≤0.8ρsat時,隨著壁面浸潤性的減弱,分別呈現(xiàn)均質核化、異質核化及Leidenfrost現(xiàn)象三種核化模式,其中固液勢能參數(shù)β=0.3和β=0.7為不同核化模式的過渡閥值。均質核化與Leidenfrost相變體系呈對稱性分布。而異質核化模式導致體系發(fā)生對稱性破缺現(xiàn)象,且核化位置具有明顯的隨機性。開展均質固體壁面上薄液膜核化沸騰模擬研究,揭示微尺度薄液膜核化特性的影響機制。從核化動力學特性的角度出發(fā),增強壁面浸潤性和增大液膜厚度,導致近壁區(qū)流體內部迅速累積大量能量,促進核化沸騰的快速發(fā)生,縮短汽泡起始核化等待時間,增大汽泡生長速率。從核化沸騰難易程度的角度出發(fā),增強壁面浸潤性,起始核化沸騰所需的表觀過熱度隨之增加,此結果明顯區(qū)別于經(jīng)典核化理論中“疏水壁面易于產(chǎn)生汽泡”的論述。然而,考慮微尺度界面效應后,起始核化沸騰所需的有效過熱度隨壁面浸潤性的增強呈減小趨勢。增加液膜厚度,起始核化沸騰所需的表觀過熱度增大,有效過熱度卻減小,使得微尺度下薄液膜的核化沸騰呈現(xiàn)明顯的尺寸相關性�；谖⒊叨冉缑嫘敖趨^(qū)流體的溫度線性分布特征,建立微尺度核化理論模型。研究結果闡明了流體核化沸騰規(guī)律在微尺度與宏觀尺度之間的區(qū)別與聯(lián)系,兩者在本質上是相互統(tǒng)一的。構建異質固體壁面上薄液膜相變的分子動力學模型,揭示原始滯留汽核對核化沸騰的微觀促進機理及非均勻壁面浸潤性與納米結構的競爭機制。疏水納米凹腔產(chǎn)生原始滯留汽核。疏水性納米凹腔壁面的起始核化溫度為1.09ε/kB,比親水性納米凹腔壁面的低0.04ε/kB。對于疏水性納米凹腔,原始滯留汽核引起汽液界面的類活塞效應。納米凹腔的疏水性越強,類活塞效應越強,使得凹腔內部壓力增大,縮短起始核化等待時間,但是對汽泡生長速率的影響幾乎忽略不計。對于親水性納米凹腔,當納米凹腔的接觸角大于18°時,光滑壁面浸潤性起主導作用,首個汽泡在光滑壁面處產(chǎn)生。當納米凹腔的接觸角小于18°時,納米結構起主導作用,汽泡僅在納米凹腔內形成。
【圖文】：

兩側發(fā)生溫度犬變，廣生界面溫度階躍ＡＴｊｕｍｐ。界面熱阻＾？ｔｈ被定NB為：ｉ？ｔｈ＝Ａ７＊ｊｕｍｐ／ｇ，逡逑其中＾為通過界面的熱流。界面熱阻的影響程度可由熱阻長度Ｉｋ來衡量，即逡逑Ｋａｐｉｔｚａ長度，如圖１－３所示，其表達式為：逡逑ｎ／ｆ邐（１－２）逡逑／邐ｉ邋ｎｔｅｒｆａｃｅ逡逑式中，為界面處流體側的溫度梯度。逡逑Ｚ邐．逡逑“邐ｉ邐ｊ１邐ｔ逡逑：邐１邋ｎｏ－ｊｕｍｐ邋１邋ｊｕｍｐ逡逑！邐／邐／逡逑ｉ邋／邐／邋ｆｌｕｉｄ逡逑邐＾４４—邐—邐？逡逑；邐／邐ｓｏｌｉｄ逡逑Ｌｋ邋Ｉ邋／逡逑圖１－３階躍和無階躍溫度邊界條件示意圖［４５１逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｊｕｍｐ邋ａｎｄ邋ｎｏ－ｊｕｍｐ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｂｏｕｎｄａｒｙ邋ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ＇４＾逡逑目前，界面熱阻的微觀理論研究模型主要有聲學失配模型（Ａｃｏｕｓｔｉｃ邋Ｍｉｓｍａｔｃｈ逡逑Ｍｏｄｅｌ，，邋ＡＭＭ）及散射失配模型（Ｄｉｆｆｕｓｅ邋Ｍｉｓｍａｔｃｈ邋Ｍｏｄｅｌ，邋ＤＭＭ）等［４６］。在ＡＭＭ中逡逑界面被看作為理想的光滑平面，并假設聲子是連續(xù)介質中的平面波，聲子在界面逡逑處發(fā)生彈性純鏡面反射和投射，忽略散射效應。ＡＭＭ中的介質連續(xù)性假設和理逡逑想界面假設只有在極低溫度下才能成立，此時聲子波長遠大于原子間的距離和界逡逑面粗糙度。然而隨著溫度的升高，當晶體中占主導地位的聲子波長減小到與界面逡逑粗糙度尺寸相比擬時

通過界面?zhèn)鳠釋崿F(xiàn)微尺度核化沸騰，考慮微尺度效應的影響，搭建微尺度核化機逡逑制與常規(guī)尺度之間的橋梁；并深入分析非均質體系中流體的核化沸騰機制，以期逡逑為優(yōu)化微尺度核化沸騰性能提供具有指導意義的重要信息。圖１－５描述了本文的逡逑整體研宄思路和研宄內容。逡逑１．
【學位授予單位】：華北電力大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TK124;TN40

【參考文獻】

相關期刊論文 前5條

1 葛宋;陳民;;速度滑移對界面熱阻影響的分子動力學模擬[J];工程熱物理學報;2013年08期

2 葛宋;陳民;;接觸角與液固界面熱阻關系的分子動力學模擬[J];物理學報;2013年11期

3 張平;宣益民;李強;;界面接觸熱阻的研究進展[J];化工學報;2012年02期

4 吳承偉;馬國軍;周平;;流體流動的邊界滑移問題研究進展[J];力學進展;2008年03期

5 周兆英,葉雄英,崔天宏,張聯(lián);微米納米技術及微型機電系統(tǒng)[J];光學精密工程;1998年01期

本文編號：2629852