传热学-微尺度流动与换热 PPT课件
合集下载
高等传热学ppt课件(2024)
2024/1/27
16
黑体辐射特性及计算
01
黑体定义
能够吸收所有波长的辐射能的物 体。
02
黑体辐射特性
03
黑体辐射计算
黑体辐射力随温度升高而迅速增 加，黑体辐射光谱连续且分布广 泛。
利用普朗克定律计算黑体的单色 辐出度，利用斯特藩-玻尔兹曼 定律计算黑体的全波长辐出度。
2024/1/27
17
实际物体辐射特性及计算
自然对流
由于温度梯度引起的密度差异而产生的流动 。
强制对流
由外部力（如风扇、泵等）驱动流体流动。
2024/1/27
混合对流
自然对流和强制对流同时存在的对流现象。
12
对流换热微分方程组及定解条件
连续性方程
表示质量守恒的方程。
动量方程
表示动量守恒的方程，即Navier-Stokes方程。
能量方程
表示能量守恒的方程，即传热方程。
2024/1/27
25
新能源领域中的传热问题
2024/1/27
太阳能利用中的传热问题
01
研究太阳能集热器、太阳能电池等设备的传热特性和优化方法
，提高太阳能利用效率。
燃料电池中的传热传质问题
02
分析燃料电池内部热量和质量的传递过程，探讨提高燃料电池
性能和寿命的方法。
地热能利用中的传热技术
03
探讨地热能提取、输送和利用过程中的传热技术，如地热换热
传热过程强化的方
法
详细阐述各种传热过程强化方法 ，如采用涡流发生器、添加纳米 颗粒、采用微通道技术等，并分 析其强化传热机理和效果。
2024/1/27
21
传热设备性能评价与优化
传热学 微尺度 ppt
f f f f f f f f vx vy vz ax ay az t x y z vx v y vz t scat (4.1)
或
f Df t scat
(4.2)
其中Df表示式(4.1)左边项，按矢量符号表示为
eE f k (4.6)
其中E为电场矢量，e为电子电荷，k为电子波矢。
二、Boltzmann输运理论
式(4.2)的右边项为由碰撞或散射引起的分布函 数改变率，其严格表达式十分复杂，因为碰撞会使 粒子从一坐标(r′，p′)转变到另一坐标系(r,p),于是可 写出
f W p, p f p W p, p f p t scat p (4.7)
二、Boltzmann输运理论
质原子结构及其宏观连续介质行为之间建立一个桥 梁，此方面的典型应用是解释气体的宏观行为，并 从分子对相互作用定理计算出黏度及热传导系数。 Boltzmann方程的第二类应用是在平均自由程与特 征几何尺寸相比不再能忽略时对宏观介质的描述。 很明显，在这样的条件下，人们不再能指望介质的 “宏观行为”能够轻易地用密度、比热容、热导率 等量来描述，虽然这些概念仍然是有意义的，且最 后结果仍要借助于物体的可测量如温度来衡量。所 以，在这些条件下，Boltanann方程作为一个可涵 盖整个传热行为的方程而占有特别重要的地位。
二、Boltzmann输运理论
• 2、Boltzmann方程的简单推导 这里以气体介质为例来加以说明。不过， 如下推导对于流体和固体介质也是适用的。在推 导过程中，分子之间的碰撞假设仅占其生命周期 的非常小的一部分，这意味着只有双分子碰撞是 重要的。 考虑气体中每一分子受外力ma(m为分子质 量，a为分子加速度)作用，其大小可以是位置r 和时间t但非速度v的函数，在时间t和t+dt山之间， 不与其它分子发生碰撞的分子的速度v将变为 v+adt，且其位置矢量r变为了r+vdt，则在时刻
或
f Df t scat
(4.2)
其中Df表示式(4.1)左边项，按矢量符号表示为
eE f k (4.6)
其中E为电场矢量，e为电子电荷，k为电子波矢。
二、Boltzmann输运理论
式(4.2)的右边项为由碰撞或散射引起的分布函 数改变率，其严格表达式十分复杂，因为碰撞会使 粒子从一坐标(r′，p′)转变到另一坐标系(r,p),于是可 写出
f W p, p f p W p, p f p t scat p (4.7)
二、Boltzmann输运理论
质原子结构及其宏观连续介质行为之间建立一个桥 梁，此方面的典型应用是解释气体的宏观行为，并 从分子对相互作用定理计算出黏度及热传导系数。 Boltzmann方程的第二类应用是在平均自由程与特 征几何尺寸相比不再能忽略时对宏观介质的描述。 很明显，在这样的条件下，人们不再能指望介质的 “宏观行为”能够轻易地用密度、比热容、热导率 等量来描述，虽然这些概念仍然是有意义的，且最 后结果仍要借助于物体的可测量如温度来衡量。所 以，在这些条件下，Boltanann方程作为一个可涵 盖整个传热行为的方程而占有特别重要的地位。
二、Boltzmann输运理论
• 2、Boltzmann方程的简单推导 这里以气体介质为例来加以说明。不过， 如下推导对于流体和固体介质也是适用的。在推 导过程中，分子之间的碰撞假设仅占其生命周期 的非常小的一部分，这意味着只有双分子碰撞是 重要的。 考虑气体中每一分子受外力ma(m为分子质 量，a为分子加速度)作用，其大小可以是位置r 和时间t但非速度v的函数，在时间t和t+dt山之间， 不与其它分子发生碰撞的分子的速度v将变为 v+adt，且其位置矢量r变为了r+vdt，则在时刻
《传热学》第五章 对流换热分析PPT演示课件
4个方程,4个未知数(h,u,v,t)， 理论上存在唯一解， 可通过数学方法进行求解
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
11
将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法
24
求解结果 局部表面传热系数：
或可写成：
其中：
——准则方程
——无量纲流速 ——无量纲物性 ——无量纲换热强度
准则方程的意义——
把微分方程所反映的众多因素间的规律用少数几个准则来概括， 从而减少变量个数，以便于进行对流换热问题的分析、实验研究 和数据处理。
将上式在x,y两个方向代入牛顿第二定律，得到Navier-Stokes方程： 对于不可压缩流体：
11
将其代入Navier-Stokes方程，并采用连续方程化简，得到：
对稳态流动：
惯性力
体积力 压强梯度 黏滞力
当只有重力场作用时：
12
四、能量微分方程式
推导依据—— 内能增量＝导热热量＋对流热量 1.导热热量：
外掠平板全板长平均换热准则方程：
29
第六节 相似理论基础
相似原理的意义——通过实验寻找现象的规律以及指导推广应用实验。
一、物理相似的基本概念
1.几何相似
LA、LB——几何相似准则
30
2.物理现象相似
以管内流动为例，当两管各r之比满足下列 关系时：
若： 则速度场相似。 以外掠平板为例，当x,y坐标满足下列关系时：
《传热学》
1
第五章 对流换热分析
研究对象——流体与固体壁面之间的传热过程
研究目的——确定牛顿冷却定律
中的h
对流表面 传热系数
局部对流表面传热系数hx 平均对流表面传热系数
Isaac Newton(1642-1727)
确定对流表面传热系数的四种方法
分析法
类比法 数值法 实验法
传热学-微尺度流动与换热共27页
传热学Байду номын сангаас微尺度流动与换热
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
微尺度传热ppt
• 气体稀薄效应
通常用努曾数来表示气体稀薄的程度
当kn《1，连续介质区；0.01<kn<0.1， 滑移区； 0.1<kn<1，过渡 区， kn》1，自由分子流区；气体的稀薄性一般导致气体流动阻 力降低和换热减弱。
微喷管：缝宽19微米， 微喷管：缝宽19微米， 19微米 308微米 深308微米 图2 微喷管
2、微尺度流动和对流换热
• 流动阻力规律与常规尺寸条件下的不同 • 充分发展通道流的阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数， 而应是雷诺数的函数。 • 微细通道湍流的 Nu比常规情况高 • 微细通道流传热数据很分散 • 微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小
影响微细流动与传热现象的某些因素：
• 流体的压缩性
由于微细通道内压力降很大，导致流体密度沿程有明显的变化，所 以必须考虑流体的压缩性，它不仅会形成加速压降，而且还将改变速 度剖面。
• 界面效应
在微细管道中液体表面张力将起更为重要的影响，此外，由于固壁 有时带静电,液体可以有极性 ，静电场的存在会阻碍液体中离子的运 动，从而使液体流动阻力增加，同时对微细管道中传热也会有重要影 响。
三、微尺度传热研究的主要问题
• • • • 微尺度导热 微尺度流动和对流换热 微尺度热辐射 微尺度的相变传热
1、的物理机制来自于两个方面：一是与导热问 题中的特征长度有关；另一方面导热能力与材料中晶粒大小有关，当 尺寸减小时，晶粒尺寸会随之减小，由于晶粒界面增大，所以输运能 力减弱，导热系数降低。
图3
图3示出了系统水平上的热耗散与系统体积之间的关系图；从图可见， 所有气冷系统数据均范入图3中的两条平行线之间的带内，由此带的斜率 看出，气冷系统中的体积热耗散密度几乎独立于系统尺寸，其范围大约在 3000W／m3—7000w／m3之间，其中笔记本电脑中的体积热耗散密度最 高，达7000W／m3。如此高密度的热量输运是一个富有挑战性的课题。 冷却微小系统的困难在于：首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减小 声学噪音；其次，器件结构紧凑性要求仅允许保留有限的冷却流体空间； 第三．同样的要求不允许在模块上安装大容量热沉(扩展表面)；第四，低 造价的原则要求尽可能地采用塑料封装；露片，而这又会增大芯片与模块 表面之间的导热热阻，于是热量将主要聚集在基底材料上、所以，针对各 类电子器件中相当高的热源密度(图4)，寻找具有高效热输运效能的微槽传 热方法多年来一直是人们探索的主题。
最新微尺度传热ppt
所有这些都说明微米/纳米电子机械系统本身所具有的独特的魅力 和意义，在这些小型或中型尺寸的系统中 ,无一例外地要用到受迫对 流空气来冷却发热器件。
图3
图3示出了系统水平上的热耗散与系统体积之间的关系图；从图可见， 所有气冷系统数据均范入图3中的两条平行线之间的带内，由此带的斜率 看出，气冷系统中的体积热耗散密度几乎独立于系统尺寸，其范围大约在 3000W／m3—7000w／m3之间，其中笔记本电脑中的体积热耗散密度最 高，达7000W／m3。如此高密度的热量输运是一个富有挑战性的课题。 冷却微小系统的困难在于：首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减小
• 另一类是当容器或通道尺寸缩小至与核的临界直径具有同 一量级时,相变及其换热规律必会发生变化。
四、微尺度传热的主要应用领域
1、薄膜中的热传导
1987年 ,瑞士科学家发现 YBa2Cu3O7陶瓷在温度35 K以上具有超 导电性即高温超导性。人们第一次认识到自然界存在一个超导体及半 导体均可工作的温度范围 ,于是一种集超导体-半导体于一身的功能 强大的复合器件应运而生。这类器件的基本单元是一种沉积在硅或镓 砷化物基底上的高温超导薄膜,其内外的传热问题与超导的研究和应 用密切相关 ,因而对薄膜热物性及其热输运规律进行研究自然就成为 提高仪器性能的关键所在。
• 导热的辐射效应
电子器件和电子封装中的介电薄膜材料的导热行为可能产生异常 情况，当膜厚很小时，可以用辐射传递问题来分析和讨论晶格振动。
2、微尺度流动和对流换热
• 流动阻力规律与常规尺寸条件下的不同 • 充分发展通道流的阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数，
而应是雷诺数的函数。 • 微细通道湍流的 Nu比常规情况高 • 微细通道流传热数据很分散 • 微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小
图3
图3示出了系统水平上的热耗散与系统体积之间的关系图；从图可见， 所有气冷系统数据均范入图3中的两条平行线之间的带内，由此带的斜率 看出，气冷系统中的体积热耗散密度几乎独立于系统尺寸，其范围大约在 3000W／m3—7000w／m3之间，其中笔记本电脑中的体积热耗散密度最 高，达7000W／m3。如此高密度的热量输运是一个富有挑战性的课题。 冷却微小系统的困难在于：首先，冷却空气速率不能太高，以尽可能减小
• 另一类是当容器或通道尺寸缩小至与核的临界直径具有同 一量级时,相变及其换热规律必会发生变化。
四、微尺度传热的主要应用领域
1、薄膜中的热传导
1987年 ,瑞士科学家发现 YBa2Cu3O7陶瓷在温度35 K以上具有超 导电性即高温超导性。人们第一次认识到自然界存在一个超导体及半 导体均可工作的温度范围 ,于是一种集超导体-半导体于一身的功能 强大的复合器件应运而生。这类器件的基本单元是一种沉积在硅或镓 砷化物基底上的高温超导薄膜,其内外的传热问题与超导的研究和应 用密切相关 ,因而对薄膜热物性及其热输运规律进行研究自然就成为 提高仪器性能的关键所在。
• 导热的辐射效应
电子器件和电子封装中的介电薄膜材料的导热行为可能产生异常 情况，当膜厚很小时，可以用辐射传递问题来分析和讨论晶格振动。
2、微尺度流动和对流换热
• 流动阻力规律与常规尺寸条件下的不同 • 充分发展通道流的阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数，
而应是雷诺数的函数。 • 微细通道湍流的 Nu比常规情况高 • 微细通道流传热数据很分散 • 微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小
最新微尺度传热ppt
- ns (10 - 9s) – ps ( 10 - 12s) -fs (10 - 15s) 其中ns 是目前数字系统如计算机的时钟脉冲宽度的量级。
图1 多尺度的客观世界
微尺度的流动和传热与常规尺度的流动和传热的 不同的原因：
（1）当物体的特征尺寸缩小至与载体粒子的平均自由程同一量级时， 基于连续介质概念的一些宏观概念和规律就不再适用，粘性系数、导 热系数等概念要重新讨论 , N-S方程和导热方程等也不再适用。
微细尺度传热是近些年形成的一个新的学科分支，主要研究空间尺度和时 间尺度微细情况下的传热学规律。当尺度微细化后，其动和传热的规律已明显 不同于常规尺度条件下的流动和传热现象，换言之，当研究对象微细到一定程 度以后 ,出现了流动和传热的尺度效应。“微细”只是一个相对的概念 ,而不是 指某一特定尺度。不同的场合会有不同的定义。所谓“微尺度”并没有严格的 界定,只是一个相对大小的概念，它不仅包括空间尺度，还包括时间尺度。随着 研究对象的不同,出现微尺度效应的时空尺度范围也不相同。通常所指的空间微 尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:
进 入 夏 天 ，少 不了一 个热字 当头， 电扇空 调陆续 登场， 每逢此 时，总 会想起 那 一 把 蒲 扇 。蒲扇 ，是记 忆中的 农村， 夏季经 常用的 一件物 品。 记 忆 中 的故 乡 ， 每 逢 进 入夏天 ，集市 上最常 见的便 是蒲扇 、凉席 ，不论 男女老 少，个 个手持 一 把 ， 忽 闪 忽闪个 不停， 嘴里叨 叨着“ 怎么这 么热” ，于是 三五成 群，聚 在大树 下 ， 或 站 着 ，或随 即坐在 石头上 ，手持 那把扇 子，边 唠嗑边 乘凉。 孩子们 却在周 围 跑 跑 跳 跳 ，热得 满头大 汗，不 时听到 “强子 ，别跑 了，快 来我给 你扇扇 ”。孩 子 们 才 不 听 这一套 ，跑个 没完， 直到累 气喘吁 吁，这 才一跑 一踮地 围过了 ，这时 母 亲总是 ，好似 生气的 样子， 边扇边 训，“ 你看热 的，跑 什么？ ”此时 这把蒲 扇， 是 那 么 凉 快 ，那么 的温馨 幸福， 有母亲 的味道 ！ 蒲 扇 是 中 国传 统工艺 品，在 我 国 已 有 三 千年多 年的历 史。取 材于棕 榈树， 制作简 单，方 便携带 ，且蒲 扇的表 面 光 滑 ， 因 而，古 人常会 在上面 作画。 古有棕 扇、葵 扇、蒲 扇、蕉 扇诸名 ，实即 今 日 的 蒲 扇 ，江浙 称之为 芭蕉扇 。六七 十年代 ，人们 最常用 的就是 这种， 似圆非 圆 ， 轻 巧 又 便宜的 蒲扇。 蒲 扇 流 传 至今， 我的记 忆中， 它跨越 了半个 世纪， 也 走 过 了 我 们的半 个人生 的轨迹 ，携带 着特有 的念想 ，一年 年，一 天天， 流向长
图1 多尺度的客观世界
微尺度的流动和传热与常规尺度的流动和传热的 不同的原因：
（1）当物体的特征尺寸缩小至与载体粒子的平均自由程同一量级时， 基于连续介质概念的一些宏观概念和规律就不再适用，粘性系数、导 热系数等概念要重新讨论 , N-S方程和导热方程等也不再适用。
微细尺度传热是近些年形成的一个新的学科分支，主要研究空间尺度和时 间尺度微细情况下的传热学规律。当尺度微细化后，其动和传热的规律已明显 不同于常规尺度条件下的流动和传热现象，换言之，当研究对象微细到一定程 度以后 ,出现了流动和传热的尺度效应。“微细”只是一个相对的概念 ,而不是 指某一特定尺度。不同的场合会有不同的定义。所谓“微尺度”并没有严格的 界定,只是一个相对大小的概念，它不仅包括空间尺度，还包括时间尺度。随着 研究对象的不同,出现微尺度效应的时空尺度范围也不相同。通常所指的空间微 尺度是跨越微米到原子尺度的宽广范围:
进 入 夏 天 ，少 不了一 个热字 当头， 电扇空 调陆续 登场， 每逢此 时，总 会想起 那 一 把 蒲 扇 。蒲扇 ，是记 忆中的 农村， 夏季经 常用的 一件物 品。 记 忆 中 的故 乡 ， 每 逢 进 入夏天 ，集市 上最常 见的便 是蒲扇 、凉席 ，不论 男女老 少，个 个手持 一 把 ， 忽 闪 忽闪个 不停， 嘴里叨 叨着“ 怎么这 么热” ，于是 三五成 群，聚 在大树 下 ， 或 站 着 ，或随 即坐在 石头上 ，手持 那把扇 子，边 唠嗑边 乘凉。 孩子们 却在周 围 跑 跑 跳 跳 ，热得 满头大 汗，不 时听到 “强子 ，别跑 了，快 来我给 你扇扇 ”。孩 子 们 才 不 听 这一套 ，跑个 没完， 直到累 气喘吁 吁，这 才一跑 一踮地 围过了 ，这时 母 亲总是 ，好似 生气的 样子， 边扇边 训，“ 你看热 的，跑 什么？ ”此时 这把蒲 扇， 是 那 么 凉 快 ，那么 的温馨 幸福， 有母亲 的味道 ！ 蒲 扇 是 中 国传 统工艺 品，在 我 国 已 有 三 千年多 年的历 史。取 材于棕 榈树， 制作简 单，方 便携带 ，且蒲 扇的表 面 光 滑 ， 因 而，古 人常会 在上面 作画。 古有棕 扇、葵 扇、蒲 扇、蕉 扇诸名 ，实即 今 日 的 蒲 扇 ，江浙 称之为 芭蕉扇 。六七 十年代 ，人们 最常用 的就是 这种， 似圆非 圆 ， 轻 巧 又 便宜的 蒲扇。 蒲 扇 流 传 至今， 我的记 忆中， 它跨越 了半个 世纪， 也 走 过 了 我 们的半 个人生 的轨迹 ，携带 着特有 的念想 ，一年 年，一 天天， 流向长
传热学课件课件(多应用版)
传热学课件引言传热学是研究热量传递规律的学科，是工程热力学和流体力学的重要分支。
在实际工程应用中，传热问题无处不在，如能源转换、化工生产、建筑环境等领域。
因此，掌握传热学的基本原理和方法，对于工程技术人员来说具有重要意义。
本文将简要介绍传热学的基本概念、原理和方法，并探讨其在工程实际中的应用。
一、传热学基本概念1.热量传递方式热量传递方式主要包括三种：导热、对流和辐射。
（1）导热：热量通过固体、液体或气体的分子碰撞传递，其传递速率与物体的导热系数、温度差和物体厚度有关。
（2）对流：热量通过流体的宏观运动传递，其传递速率与流体的流速、密度、比热容和温度差有关。
（3）辐射：热量以电磁波的形式传递，其传递速率与物体表面的温度、发射率和距离有关。
2.传热方程传热方程是描述热量传递规律的数学表达式，主要包括傅里叶定律、牛顿冷却公式和斯蒂芬-玻尔兹曼定律。
（1）傅里叶定律：描述导热过程中热量传递的规律，公式为Q=-kA(dT/dx)，其中Q表示热量传递速率，k表示导热系数，A表示传热面积，dT/dx表示温度梯度。
（2）牛顿冷却公式：描述对流过程中热量传递的规律，公式为Q=hA(TwTf)，其中Q表示热量传递速率，h表示对流换热系数，Tw 表示固体表面温度，Tf表示流体温度。
（3）斯蒂芬-玻尔兹曼定律：描述辐射过程中热量传递的规律，公式为Q=εσA(T^4T^4)，其中Q表示热量传递速率，ε表示发射率，σ表示斯蒂芬-玻尔兹曼常数，T表示物体表面温度。
二、传热学原理和方法1.传热问题的分类传热问题可分为稳态传热和非稳态传热两大类。
（1）稳态传热：系统内各部分温度不随时间变化，热量传递速率恒定。
（2）非稳态传热：系统内各部分温度随时间变化，热量传递速率随时间变化。
2.传热分析方法（1）解析法：通过对传热方程的求解，得到温度分布和热量传递速率。
适用于简单几何形状和边界条件的问题。
（2）数值法：采用数值离散化方法求解传热方程，适用于复杂几何形状和边界条件的问题。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图5 微喷嘴加热系统
5
微喷管： 缝宽19微米， 深308微米 图6 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） 。
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。
（4）固体表面的绝对粗糙度在微尺度通道中影响更 加明显
常规尺度通道 同样的绝对粗糙度
微细尺度通道
对内径8毫米的 管子在壁面上产生 0.1 微米厚的凝结 液体大约需要6百万 个分子。
图8 管内凝结的 分子动力学模拟 预测
17
(a) 日立Thermoexcel-E
(b) Wieland GEWA-TW
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-Mechanical
Systems，这是指特征尺度在 1mm－1 μm 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，其内部的流动与换热就是一 般的微尺度流动与换热。
(c) Wolverine-Turbo-B
(d) Wielad GEWA-SE
(e) Trent 弯翅管
(f) 烧结表面
图9 部分商用沸腾换热强化表面结构示意图
24
Байду номын сангаас
图10 双侧强化管 25
图 11 日立Thermoexcel-C Hitachi Review, 1975, 24(8):329-334
（3）换热器：尺度已经跨越3个数量级
图7 换热器的多尺度范围
22
4 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 1018 小立方体，
侧面积与体积之比为
A/V＝6106 m-1
（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7 PEMFC的电化学反应示意图 8
26
图12 二维微肋管
27
图13 三维微肋管
28
0.001 Kn 0.1 －速度滑移、温度跳跃区
0.1 Kn 10 －过渡区
Kn>10
－自由分子流
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（Electric Double Layer），电粘 性，电渗，电泳。
尽管通道进口当地Ma数很小，但是出口处， Ma可以很大;必须考虑可压缩性；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： Kn
L
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）：
Kn 0.001 －连续介质区
微尺度流动与换热
1 微尺度流动与换热的一般概念
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。
图1 多尺度的客观世界
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 “There is plenty of room at bottom”,首次提出 纳米技术的预言。
2 热流现象的尺度范围
图2 热流科学研究对象的时间尺度
20
图3 热流科学研究对象的空间尺度 21
3 微尺度流动与换热举例 （1）微喷管内的流动
图4 微喷管系 统示例
12
4.5 0.2 0.3 10
加热器 喷嘴 隔板
基座 工质
15 12
70°
0.1
0.1 0.3
1.2
0.42
0.92
2.42
7
微喷管