最新微尺度传热及其研究进展

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微纳制造中的微尺度传热现象研究

微纳制造中的微尺度传热现象研究微纳制造技术的飞速进步推动了众多领域，如信息技术、生物医学、能源转换等的革新，而其中的微尺度传热现象研究则成为了该领域的一个关键环节。

在微纳尺度下，传统宏观传热理论与规律不再完全适用，因此，深入探索微尺度下的传热机制对于提升微纳器件的性能、效率与可靠性至关重要。

本文将从六个方面探讨微纳制造中的微尺度传热现象研究。

一、微尺度传热的基本特征与挑战微纳尺度下的传热现象显著区别于宏观尺度，主要表现在以下几个方面：首先，界面效应对热传导的影响加剧，微小的接触面积和不平整表面导致热阻增加；其次，受限几何尺寸引起的尺度效应，如Knudsen数增大，导致传热方式从连续介质传热转变为分子传热；再者，热辐射性质的变化，因尺度缩小，表面间距离接近，导致辐射传热作用增强。

这些特征给微纳制造中的热管理和设计带来了新的挑战，需要开发新的理论模型和实验技术来准确描述和预测微尺度下的传热行为。

二、微纳结构的热导率调控微纳结构的特殊几何形状和组成材料赋予了其调控热导率的能力。

例如，通过纳米线、纳米薄膜、纳米孔隙结构的精确设计，可以实现热导率的大幅度降低或提升，这对于热绝缘材料和高效率热电转换器件的开发尤为重要。

此外，利用量子点、石墨烯等二维材料的独特热传导性质，可以实现定向热流控制，为微纳电子设备的热管理提供创新解决方案。

三、微流控系统中的传热优化微流控技术结合微纳制造工艺，在生物芯片、化学合成等领域有着广泛的应用。

在微流道中，流体流动与传热相互作用复杂，微尺度效应导致的边界层变薄、湍流提前出现等现象，对热交换效率产生显著影响。

研究微流体流动下的传热特性，优化微通道结构和操作条件，对于提高传热效率、减少能量消耗具有重要意义。

此外，利用微流控中的相变传热，如微沸腾和冷凝，可进一步增强热传输能力。

四、热辐射的微纳调控在微纳尺度下，热辐射特性受到表面粗糙度、形貌和间隔距离的影响更为明显，这为通过设计特定的表面结构调控辐射热传递提供了可能。

纳米流体强化微尺度换热的研究进展

纳米流体强化微尺度换热的研究进展王振;武卫东;周志刚【摘要】综述了纳米流体强化微尺度换热的研究进展。

总结了近几年纳米流体应用于微尺度换热器中的实验研究。

从两方面对纳米流体强化微尺度换热的机理进行了分析：纳米颗粒本身对换热特性的强化；纳米颗粒改变换热表面特性对换热的强化。

介绍了纳米流体强化微尺度换热的数值模拟研究。

指出了当前研究中存在的问题和不足，并对今后的研究工作进行了展望。

%Research on micro-scale heat transfer enhancement of nanofluids was described. The latest re-search develoPments of the exPerimental study on nanofluids used in microscale heat exchanger were sum-marized. The mechanisms of nanofluids enhancing micro-scale heat transfer could be divided into two divi-sions,the nanoParticles themselves and nanoParticle changing the surface ProPerties of heat transfer. The numerical simulations of nanofluids enhancing micro-scale heat transfer were introduced. The Problems and deficiencies that existed in the current research were Pointed out,and the ProsPect of future work were analyzed.【期刊名称】《应用化工》【年(卷),期】2014(000)007【总页数】5页(P1314-1318)【关键词】纳米流体;微尺度;强化传热;研究进展【作者】王振;武卫东;周志刚【作者单位】上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093;上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093;上海理工大学制冷与低温工程研究所，上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TQ021.1;TK021.3随着科技的不断发展，热交换系统的换热负荷日益增大，同时对换热设备的尺寸要求也越来越严格。

微小尺度传热实验研究及应用分析

微小尺度传热实验研究及应用分析传热是指热量从高温度物质传递到低温度物质的过程。

而微小尺度传热实验研究的重要性在于，它可以为我们提供更深入、更详细的了解物质传热现象的机制，以及在工程实践中如何更有效地利用传热现象。

一、微小尺度传热实验研究的现状目前，微小尺度传热实验研究已经成为了热力学、材料科学等领域的重要分支。

在实验方面，随着微加工技术的发展，越来越多的实验方法得以应用，比如纳米加工、原子力显微镜成像技术等。

这些方法可以更好地展示微小尺度传热现象的不同特性。

在理论方面，微小尺度传热模型的研究也得到了越来越多的关注。

比如一些新型纳米材料、纳米流体的传热特性，以及微小尺度下原子和分子运动的仿真等等。

这些模型为微小尺度传热的实验研究提供了更深入的理论支持。

二、微小尺度传热实验的应用实际应用中，微小尺度传热研究的应用场景非常广泛。

以下是其中的两个例子：1. 纳米材料的研究纳米材料的应用范围非常广泛，包括生物医学、能源、环保等领域。

然而，由于其尺寸非常小，人们对纳米材料的传热机制和性质的理解尚不充分。

微小尺度传热实验研究可以为我们提供更深入的了解，帮助我们更好地底层理解纳米材料的传热机制，并为其性能的改进提供参考。

2. 热管理领域的应用在电子产品、汽车、航空航天等领域，热管理一直是一个重要的问题。

针对微小尺度传热的实验研究，可以为这些行业提供更精准的热管理解决方案。

三、微小尺度传热实验研究存在的问题尽管微小尺度传热实验研究在科学研究和工程应用中的重要性得到了广泛认可，但是其研究仍然存在一些问题。

1. 实验难度大由于微小尺度的限制，微小尺度传热实验研究难度非常大。

现代加工技术的发展虽然提高了实验技术的水平，但难度仍然存在。

2. 数据处理困难在微小尺度下，实验所需的数据量大，且数据的处理非常复杂。

这给实验过程中的数据采集和处理带来了一定的困难。

四、结论综上所述，微小尺度传热实验研究是当下热力学、材料科学领域的重要分支。

微纳尺度多相流动与传热传质的基础研究

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【doc】充满机遇的微尺度生物传热传质学

充满机遇的微尺度生物传热传质学21世纪青年学者论坛充满机遇的微尺度喳物传热传质学博士,研究员刘静(中国科学院低温中心,一了E系1oo08o)R'摘要:微米,纳米尺度传热学正成为世界范围内的一个新的研究热潮,而其中的生物传热与传质问题研究更是引人瞩目的新生长点.为适应该领域迅速发展的需要,本文归纳和总结了微米,纳米尺度生物传热传质学的研究意义,当前的主要研究课题厦其相应的基本理论与实验研究方法,指出了若干可供探索的逄径和新方向,对微米,纳米尺度生物热医学工程的应用问题也作了必要的介绍.关键词:微米,纳米科学生命科学生物传热传质学生物医学工程微电子机械系统一,引亩正如为大多数领域内学者们所逐渐认同的那样,二十一世纪是生物学的世纪,如今很难找到一门完全独立于生命科学的学科作为揭示自然界物质运动规律的最基本的学科之一,微尺度热科学在揭示生命热机理并将其应用于临床实践方面正起着越来越重要的作用.种种生物热医学技术均涉及到大量的微米t纳米尺度传热传质问题,因为从本质上,温度对生命系统的影响同时体现在纳米(分子)及微米(细胞)尺度,而这种影响又反映到组织的宏观尺度上.微尺度热科学在生物医学,工程上的角色可归纳为:研究生命系统内的细观和微观传热问题,揭示各种热物理因素对生命系统在微尺度水平的影响规律,并将现有关成果充分地应用于临床实践.微尺度生物传热传质学的工程背景可在大量的生物材料和微小生命个体的保存,血液冷冻干燥,低温外科,高温肿瘤热疗和基因疗法,热康复技术,分子热操纵,心律不齐的热方法消除,无损的超声及红外图像引导的手术,可移植生物材料中的热限制问题,热诊断,温控药物输送等中找到,其研究必将对理解生命的设计,生物对各种冷热环境的响应,各种工业产品热安全标准的建立,发展极端温度下的热保护装置及大量的临床热应用产生重要的影响.在众多的物理因素(如电磁,声,光,热等)中,温度显着地影响着微尺度水平上的生命行为,自然界的长期演化使得各处生物均有其最适宜生存的温度范围,一旦环境温度发生改变,则往往会带来一系列后果.正常的哺乳动物只能在一个十分狭窄的温度范围内生存,其体温上下一般不超过10℃.然而在地球表面的大气温度,海水冻结温度及沸腾温度之间,如南极地带及海f蘸火山口均存在有生命,这说明温度与生命的关系是多样化的.临床上关于热对生命的影响研究不外乎兰种温度范围】,印(1)正常的哺乳动物生理温度;(2)高于正常哺乳动物生理温度的情况;(3)低于正常哺乳动物生理温度的情况.微尺度热医学工程的首要任务就在于充分揭示温度对细胞生命活动的作用规律.细胞是最小的生命组成单元,一个细胞即是一个有机体,其外部由脂双层膜组成.内部剜含有细胞内溶液——细胞质,细胞质内又分为若干个细胞器.许多细胞如血液细胞,造血于细胞,生殖细胞受冷,热因素影响的研究肯有重要意义.各种细胞的尺寸分布在从数个微米(如精子及血红细胞)到效百微米(如卵母细胞)的范围,但大多数在效十微米.生物活体组织中最重要,也最易受到温度影响(损害)的部位是细胞膜,其典型厚度为:O皿.细胞膜的功能是将细胞内的可控环境与外界不可控环境分离开,并调节细胞内外环境之间的物质翰运.细胞的脂双层膜主要是一个半透膜,它含有离子通道及其它用以辅助细胞内外溶液输送的蛋白质.长期以来人们采用各种各样的途径如低温扫描电镜,x一射线衍射以及数学模拟等方法对发生在细胞内外的传热,传质以及一系列由此引进的物理,化学行为进行了研究】,但迄今对此机制的仍严重匮乏.温度对生命的影响是多方面的,如通过改变温度,还可以实现生物节律的调节,这大大拓展了以往普遍认为的生物节律主要受光影响的认识,有人甚至报道,温度会'刘静(LlLJ-1蛳.4一).男.博士.研究员.1992年7月毕业于清华大学.同时获得动力工程与控制专业工学士学位显现代应用钉理专业理学士学位19嘶年2月获清华大学工程热物理专业礤士,博士学位.19嘶年3月至1997年10月任鼓于清华大学.19町年11月至1999年6月为黄国大学机械工程学院博士后研究员.1999年6月直中国科学院百人计划之聘回国.任中国科学院理化技术研究所低温中心研究员.为美国机械工程师学舍(^蛐).电气与电子工程师学台(皿E)会员.井担任中国{6哇学会理事主要从事生物热医学工程学与徽米,纳米尺度传热学方面的空卫谭题研究.已在国内外棱心刊物发表论文帕泉篇.井出糖学术专着1都(性物传热学).科学出版社.1妍).编写精华j:学研究生讲义一车世界科技研究与发展21世纪青年学者论坛影响到精子和卵子的结台机会J,因而通过合适的温控技术,在科学上人工选择动物(包括人类)的胎儿性别也许是可能的,事实上,迄今人们对温度在龟类等爬行动物的性别选择机制的认识上已取得一定进展,但在分子水平上,应进一步研究温度对性腺分化的影响机制.另外,值得注意的是,单个独立的细胞与其聚集状态下每一细胞受外界热作用的响应规律显然不同,而且,生物体的徽尺度热过程常常牵涉到一系列复杂因素,如细胞菠组分,溶液饱和度及DNA链长,蛋白质性能,细胞周期,细胞热耐受性,分子马达的热驱动等一系列物理和化学因素,因此在研究中只要有可能,应全面地考虑所有可能的机制.总之,细胞尺度范围内的传热传质研究一直是诸多领域关注的重要课题,也已取得一定进展,但与其工程应用相比, 基础研究远远落后于临床实践,原因一方面是工程手段的介入远远不够,同时又缺乏完备的科学基础和细胞水平上的传热传质学和非平衡热力学规律远未得到认识另一方面在实施徽尺度生物传热与传质测量方面的困难也阻碍了该学科的进展.不过,随着各种微米,纳米科学研究的协同发展,这种进程有望得到推进.归纳起来,热激蛋白,热耐受性,抗冻蛋白,高温酶的形成,蛋白质变性,分子构象,生物芯片制造与应用中的热设计,PcR技术中在加热与降温过程中DNA双链的解链与复制机制,细胞及镦特环系统内的传热传质问题等应该是按期内微尺度热科学与生命科学联手并有望取得进展的向个重要课题.在略大一些尺度范围,如发生在微循环血管内的传热与传质对于药物的输送,基因转导,生物信息传递等也具有重要意义.可以预见,结合微米,纳米热科学的研究手段揭示生命现象必将是一个激动人心的领域.如下介绍几类典型的微尺度生物传热传质课题及其初步的研究策略.二,常温或高温情况下的微尺度生物传热传质问题常温或高温以上镦尺度生物传热传质学的工程背景可反映在肿瘤热疗,激光医学,烧伤及烫伤病理,热膨胀,生物自身的发热机制等方面,在这些热医学工程问题中所涉及的热因素复杂而多变,比如热疗中的施热手段可通过经外,超声,微波,激光,光动力学等方法实现,由此引起的细胞热响应规律各不相同,即使对同一种加热方法,内中机理也错综复杂,如激光对组织及细胞的作用效果受激光作用强度,作用持续时间,激光波和长,作用脉冲等的强烈影响,而且不同组织及细胞类型面对同样的外在热作用产生的响应结果也大相径庭.组织受激光作用的研究已有很多报道,其机体损伤的阈值强烈依赖于激光的照射持续间隙,如受684.3l血红宝石激光在2.5ms持续照射时,导致皮肤发生反应的激光剂量为11～2DJ_,但对550—700mn激光在453—10000s间隙内照射时的激光剂量为175n)Jc~～.微尺度水平上,迄今已报道过采用强度不同的激光对单个血液红细胞照射情况的研究.一般引起的结果是细胞形状改变,红细胞聚合度增加,血色素浓度改变,细胞破损等.本质上热对生命系统的影响均体现在对蛋白质,细胞及组织性质的改变上,发生在热作用过程中的细胞和蛋白质的行为是多方面的,如蛋白质变性,细胞收缩与膨胀,热激蛋白及高温酶对温升的响应以及生命系统对低温的应答等,以往的研究工作主要是一种定性的生物学观察结果,但通过一定的工程手段已逐渐实现对这些问题的定量描述,如文献的工作表明,组织和细胞受热时的收缩程度与时阃(包括温度)的关系可近似拟台为l埠形式.生命系统的温度超过一定极限时会导致其损坏,这成为医学热疗工程的基础,大量的细胞动物学实验表明,加热对细胞有直接的毒性作用,细胞受热升温至43℃附近并维持数十分钟以上,可以杀灭肿瘤细胞.但以往的生物传热研究工作大多集中在组织层次上.因此报难解释所观察到的组织响应的内在机制, 尤其对热疗剂量的理解上存在很大困难.另外,热疗合并放疗,化疗后所得到的肿瘤治疗效果较之一疗法十分显着,这说明加热的存在大大促进了故疗或化疗中的作用因子的效用,这一般可归结为温度的提高对化学物质的反应速率及渗透效果的影响上,结合热与放射,化学药物等的细胞作用机制的认识是一个空白.在肿瘤药物治疗过程中的另一个重要问题是,在离体实验中可以根好杀灭肿瘤细胞的药物在离俸冶疗时却教果甚差,其原因现在已经基本明了,即生物体内肿瘤组织周围的热环境对药物造成天然屏障,使其难以到达靶位,如何使药物跨越这一屏障成为提高肿瘤治疗的一个关键.显然,结合微尺度热科学的研究手段及镦电子机械系统与镦控锚挠术,有可能寻找到解决的办法.现代肿瘤热疗学的生物学研究已进入细胞和分子水平,但对这一镦尺度下的细胞热行为的认识却投有取得相应进展,在微尺度热科学的理论指导下,应了解玲,热因素是如何导致细胞受到损害, 又是何种因素保护细胞避免了损害.在当前的生命科学前沿研究中,有两类蛋白即热激蛋白与抗冻蛋白是生物学家们十分感趣的对象,而其中的热问题涉及到大量现今几乎仍一无所知的微尺度物理机制.实验上,人们观察到几乎所有组织在分子水平上都会对热,冷冲击或其它应力环境等不利因素作出响应,其结果会导致某些特殊基因的表达得以加速,即正常组织细胞的表达过程发生了扰动,受热作用时,则导致热应激蛋白的基因表达加速, 受冷时则导致抗动蛋白的合成,这两类细胞应激响应方式因在基因表达中的重要作用一直是生物医学界竞相关注的重要课题,迄今已有大量的文献从生物学角度进行了广泛而深入的研究.然而从热物理的角度分析其机制则进展缓慢.此方面,Y州将热冲击效应归结到两种物理本质上,即考虑有限热传播速度的热渡效应和考虑组织热弹性的力学效应观点,在一定程度上能解释蛋白质受热冲击而发生表达改变的问题,LiIl【提出的能量耦合理论也许有助于理解散观组织或细胞受外界冷,热刺激时所导致的一系列物理,化学再平衡过程.但就热物理周子如高温,低温以及温度变化率所引起的细胞单元如细胞膜流动性的改变,吣双链的结构和魍份变化,蛋白质变性,细胞器功能的换嫂等的热学分析仍然罕见.结合热科学与分子医学手段开展研究是一个必然趋势.关于冷,热激蛋白的研究已促成了一些临床应用.比如,人们发现,当组织突然暴露到严酷的热冲击环境,绝大部分将死亡I但若预先对其作一定热处理,则可有相当数量的组织得以存活;这一发现在临床肿瘤热疗中已得到应用,一般为了极大地杀伤病变组织而又能最大限度地使正常组织存活,肿瘤热疗果用的两个步骤原则上应为:(1)采用搬渡(或超声波)加热装置在小功率下对肿瘤周围的正常组织实施预处理使其温度趋向均匀提高;(2)将加热功率瞬间提高到—个新的水平,对准肿瘤实施聚焦热疗.类似地,低温外科手术中要最大限度地使正常组织存活,也应实施同样措笠卷4期21世纪青年学者论坛施,只不过这时采用的是预冷处理.搬尺度生物热科学研究的目的就在于要揭示生命体内发生在细胞,乃至分子水平上的主要热物理机制及其相关效应除肿瘤热疗外,显檄外科手术中的激光徽血管融合技术,细胞激光打孔以诱导细胞融合和外源DNA的导人等都是具有重要意义的现代生物医学技术而且在微小水平下热可以作为一种独特的控制信号,如利用紫外光或改变系统温度可以驱动分子机器的运动方式刚.即使在常温情况下, 大量的生物热问题也远未得到认识,如热舒适的概念如何表达,皮肤热觉和冷觉的响应机制是什么等,电穿孔的同题,生物工程中的热处理如发酵,细胞代谢的物理操纵,食品加工等也存在着众多的微尺度热问题J值得指出的是.一个使组织出现热损伤的原因是热破坏了用以完成细胞通讯的分子结构,但对这类结构热耐受性的了解甚少.所以结合细胞信号转导与热科学方法,也可能获得一些新的认识综上所述,在搬尺度热科学领域内,可以提炼出众多的高温生物传热学问题如加热诱导细胞凋亡的机制,热对细胞生命周期的影响规律.不同温度下的肿瘤细胞分裂机制, 加热对细胞生存馓环境(生化,物理环境等)的改变机制,温度对细胞代谢的改变,及DNA,RNA等的热损伤,加热或降温对细胞功能如能量转换(热向其它形式能量的转换),物质输运(氧,溶液,溶质,离子),信息传递(细胞通讯),细胞形态等的改变.所有这些同耀目前均缺乏合适的定量模型对细胞各种物理和生化过程的理解已经成为生物医学工程中的核心问题,其中尤为重要的是发展一定的工程方法来评价和监测细胞内物质和信息的传输过程】三,低温下的微尺度生物传热传质问题大量的微尺度低温生物传热传质问题长期围感着生物学家及工程研究人员,如为什么冬眠动物可在低温下存活而一些冷血动物如爬虫,鱼类,昆虫及植物等能生存于随季节变化的环境温度下.有一种理论认为这些生物中细胞膜内的组毋也随着季节雨变.从而有可能抑制楣变乃至保护了细胞本身.研究人员现已发现某些混合物如海藻糖,脯氨酸可以起副稳定细胞膜双层的作用.所以,充分了解其中的机理对于细胞及器官的低温保存非常重要降温会带来一些附加效应…,它会影响决定蛋白质结构,细胞骨架结构,酶配位之问的弱健相互作用.也许与降温引起的最重要的能量效应之一是ATP驱动离子泵在膜上输运离子速率的改变,膜上的ATP离子泵是一种跨膜蛋白, 其功能是确保离子沿膜离子通道运动,井调节细胞内部的组分.不过.随着温度的降低,穿过离子通道的扩散受影响的程度小于离子泵能量效率所受到的影响,因此.细胞内的组分就会发生改变.主要为失控的c'和Na涌人及随后的蛋白质变性,跨膜电势差被打破等.不过,上述提及的生物显然克服了这一问题.如何揭示其中的机理存在着大量的工作要作.另外.细胞的冰点约为0.6℃,但大多数细胞内溶液在不低于一lO时并不结冰.这种机制在程尢程度上是由于细胞膜起到了阻碍的因索.由于热或冷冻引起的细胞损伤已有众多的生物学观察和分析,但多数是属于定性的研究,对定量的重视不够,傲尺度热物理的任务显然不是再度重复这些研究内容.而是借助于热科学所特有的工程描述方法及铡试手段对这些数据进行综合,从而揭示出其中的本质规律. 除上节提到的热激蛋白外.冷激蛋白即抗冻蛋白在组织低温冻存过程中正在发挥越来越重要的作用,R幽ki及其合作者"的研究工作表明,抗冻蛋白不仅影响冰晶的结构,也使得哺乳动物细胞拥有了更多抵御冷冲击的能力,所以若能将抗冻蛋白基因合理地导人待保存的生物样品,必然可以提高其廉存的成活率.这在生物医学上是非常有意义的.值得指出的是,一些冬眠动物具有在冬季冻僵(体内水总质量的65%为冰)而在春天能自行解冻以在严酷的寒冷环境中存活下来的车顿,这一自然界的奇迹也许提供了某些实施人体组织低温冻存的重要线索】.关于抗冻蛋白降低冻结温度的机制,一些理论认为抗冻蛋白会粘附到球晶的各种小方面上,从而抑制了这些小方面的生长乃至降低了冻结温度,然而真正的原因实际上仍然是不清楚的"】.同常温下的生物热问题一样,低温医学也存在着众多复杂的物理过程,比如血红细胞的冷冻干燥实际上涉及降温,相变冻结,升华脱水复温融化等一系列步骤.冻结过程中的非均匀成核是一个重要的微尺度热问题.迄今已提出了效个数学模型来描述发生在细胞和组织内的做传热问题,这些模型考虑到了细胞内外冰晶的形成,细胞内外环境之间的质量传输以及成核及相变热力学…,从中可得到冻结过程中细胞体积,细胞组分过冷度,细胞成棱化等的关于温度的变化情况.而且.若将上述方程与宏观传热模型结合,尚可以导出一些新的能量方程,从而有助于在宏观水平上对生物系统的相变过程进行研究.必须指出,低温生物传热学上一个不争的事实是.虽然生物组织的低温保存已逐渐成为一种成熟的措施,但关于整个生命个体的保存进展极其缓慢,据报道,目前通过低温所能保存的最发达的多细胞生物个体也许是沙蚕幼虫.其保存分两个步骤,第一步将幼虫初步冷却副一35左右时.然后将其投入液氨中(温度为一196℃),之后再予以复温拉验. 最终的存活率依桢于将幼虫韧始冷却到一35气左右时的冷却卓显然.要正确认识其中的规律.研究受冷,热因素作用下的整个微小生命个体内的热量传输问题就显得十分关键. 以往的研究主要集中在宏观足度上的生物组织或者单个细胞,而对于生命个体的系统分析尚未有开展.可以认为.对于大的生命个体尤其是人体的保存将成为低温生物医学保存的蜂极目标.而微尺度热科学必然会对此作出贡献.四,生物芯片中的传热与流动问题当前,人类基因组研究计划已经发展到可以确定完整的基因系列及从原理上定理测量细胞内所有基因表达的水平. 研究人员也发展了相应的生物学及计算技术来揭示生命的一些特殊功能与基困系列的关系,以数据库形式提供的基因系列为完整分析基因和蛋白质以及了解生物系统本身提供了最关键的数据u在基因测序和分析方面,通过檄电子机械加工技术制成的由各种纵横交错的傲槽道,馓池及电子连接件组成的指甲大小的基因芯片对于蛋白质系列的分析具有十分关键的意义,这类微器件中所涉及到的传热传质问题主要有徽样品的操纵和发送,溶液混合,微样品的加热和降温,样品浓度及温度等的监测和调控,流体阻断与密闭,徽样品的捕捉和提取等Ⅲ,采用徽加工器件分析蛋白质时的一些富有挑战性的困难是:由于表面吸附而导致的样品损失,样品粘着于器件以及在极小体积和较高浓度下的操纵样品等H傲电子机械系统的制作成为科学家们尽显身手的领域,一系列令人耳目一新的系统层出不穷.在一些手术内世界科技研究与发展21世纪青年学者论坛窥镜,微电子机械系统及商业生物芯片中.微流体器件使得数十年前无法想象的化学分析成为可能,这类器件可以将微小量流体沿一定的网络通道传输.现已发展了数种控制小尺度流动的方法,如:微机械及电水动力泵,电学渗透流,电润湿及热毛细泵等,这些方法中的大多数均需要微加工成的内槽道及电场来驱动带电流体,新近的研究发现表明,采用温度或温度梯度而非电场也可驱渡滴的运动,即可对一定成型表面上的微小流体流动起到导向的作用m】.如在固体基底表面上润湿的液体薄膜内存在温度梯度时,由于空气一液体界面的热毛细剪切应力的作用,薄膜将由热区域流向冷区域.对于足够薄的膜.其热传导热阻远小于对流热阻,则在固体表面的热梯度直接传到空气一液体界面.由于大多数流体具有负的常数值(其中为表面张力.T为温度).则在流动方向(x向)施加的常温度梯度会在空气一液体表面产生一个固定的剪切应力,即r=d't/dx=(dT/aT)(dr/dx),只要热应力弓I起的向上的豌大于由重力引起的抽吸流,则由毛细剪切应力驱动的流体甚至能翻过一个垂直的基底.对于具有大比表面的系统如微尺度流体,即使一个很小的热梯度也会引起显着的流体移动.显然耐这一情况下的传热和流动及其应用问题进行分析是一件饶有兴味的事.五,生物热反应器由于生物组织中的化学反应速率对温度非常敏感,因而热环境控制好环得到的结果十分迥异,这在着名的PcR多聚酶链式反应技术中得到了体现,PCR技术极大地开拓了遗传物质鉴定与操作的可能性.它有助于鉴定某一特定DNA片段,因为它能在短时间内通过加热双链DNA分子的互补链, 使之解开,然后再精确地复制成百万的该DNA片段.随着微电子机械器件的发展研究人员发现利用硅微结构,过去需要长达3个小时的PCR反应现在仅需20分钟左右.这是因为采用了适当的反应容积(高的长宽比和大表面)后.在一个低热质交换器中得到了快速的加热和砖却速率.除具备速度快这一明显优点外,快速加热和冷却对于生化反应的专—性要求也提供了额外的优越性,比如.多聚酶的功能在72℃时最优,处于其它中间温度时,复杂的生物样品会发生外部反应,生成无用甚至有干扰性的产物.从而破坏试剂.在极端情况下还会产生正性或错误的负性结果.所以设计合理的集成化热学或光学模块可以报大地提高PCR的效率,从而使微小浓度样品的分析成为可能.大量的用以操纵和控制微尺度流体的器件可参见几篇。

微传热发展前沿

绪论1、导言自然界各种物体的尺寸可归纳为图1.1，即小可至原子、分子和电子，大则至宇宙，其尺寸覆盖了从纳米(10-9m)到光年这样一个十分广阔的范围。

以往研究得最多的是人类感官所能触及的对象，近几年来自然科学和工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，人们的注意力逐渐从宏观物体转向那些发生在小尺度和／或快速过程中的现象及其相应器件上(见图 1.2),其中微电子机械系统(MEMS)尤其取得了巨大成功，并正被拓展应用于各种工业过程。

这类系统指的是那些特征尺寸在lmm以下但又大于1μm的器件，它集电子及机械元件于一身，并且要通过集成电路制造中所采用的批量加工方法制成。

由图1.1可见，微电子机械系统的尺寸比氢原子直径大四个量级，但又比传统人造器械尺寸小四个量级，纳米器件则进一步推进了微电子机械系统的小型化。

由于现代制造与应用技术的持续进展，“微机械”或“纳机械”的尺寸正以超乎寻常的速度降低，而同时其性能却得到了保持甚至更好，各种令人惊讶的成就比肩接踵。

发展至今，一些真正分子水平上的机器，如转子、齿轮、开关、闸门、转栅、马达等的制作甚至已经成为可能。

正因如此，几乎所有从事微电子机械和纳机械系统研究与应用的人们都相信，一场革命正悄然来临，它不仅仅意味着“能量系统的微型化”，其意义远胜于此，因为建立尽可能紧凑而廉价的系统多少年来一直是工程实践的主旋律，为实现这个目标，人们付出了无数的努力。

在过去二三十年间，为了寻找能够制造充分复杂而精细的电子系统的优良方法，人们投人了大量的时间和经费用于此项技术的研究。

微电子机械系统的影响遍及相当广泛的领域，如仪器、医疗、生物系统、机器人、设计、导航及计算机应用等。

世界范围内的许多著名大学均将微电子机械系统及其学科基础引入其教学和科研项目中，而且为了适应该领域显著的学科交叉特性，许多大学正在设置一些跨系、跨学院的课程，不少发达国家和地区如美国、日本、瑞典、德国、新加坡及中国台湾等的一些重要政府项目，均对微电子机械系统的发展及其相关研究给予了大力支持，比如在美国，早期支持微电子机械系统研究的经费主要来自国家基金会，每年约100万美元左右，之后美国国防部也加入了支持的行列，其资助水平每年每一项目甚至可达5000万美元以上。

微尺度流道相变传热特性的实验研究

第３１卷，总第１７８期２０１３年３月，第２期
《节能技术》
ＥＮＥＲＧＹＣＯＮＳＥＲＶＡＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏ１．３１，Ｓｕｍ．Ｎｏ．１７８Ｍａｒｃｈ．２０１３，Ｎｏ．２
微尺度流道相变传热特性的实验研究
质为ＣＯ，，质量流速为５００～３５７０ｋｇ／ｍＳ，热流密度
ＣＨＥＮＺｈｉ — ｊｉｎｇ
（ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍａｏｍｉｎｇ５２５０００，Ｃｈｉｎａ）
陈志静
（广东石油化工学院，广东茂名
５２５０００）
摘要：为了探究微流道相变传热的特性，本文以去离子水为工质，对不同结构尺寸的铝制矩
形流道中的相变传热特性进行了实验研究。结果表明：在本实验范围内，传热系数随流道尺寸减小而增大。传热系数随着热流密度的增加而增加。在同一热流密度下，随着干度的增大，传热系数变
化不大。
关键词：微尺度流道；去离子水；相变；热流密度；传热系数
中图分类号：ＴＫ１２４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００２— ６３３９（２０１３）０２— ０１０４— ０４

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Байду номын сангаас高运行速度
热流密度大 60-100 w/cm2
微尺度传热产生背景
随着信息工业、生命科学与技术、航天技术、能源工程、材料工业及现代毫微米制造技术、高集成度微电子器件、高功率短脉冲激光器、微加工技术和微电子机械系统（MEMS ) 在工程上的应用, 人工合成高精尖新材料、超导技术等都有惊人的进展。
• (5) 微细通道湍流的Nu比常规情况高5 ~7 倍.
微细尺度对流换热影响因素
1.气体压缩性影响
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. 也就是说即使管子长度与管径比很大，流场和温度场也不会充分发展, 它将使阻力有明显的增加和导致传热的强化。
微尺度传热及其研究进展
• 微尺度传热定义 • 微尺度传热产生背景 • 微尺度传热形成原因 • 微尺度传热研究内容及进展
微尺度传热定义
微细尺度传热研究空间尺度和时间尺度微细情况下的传热学规律
高集成度
温度敏感性电子器件
（器件温度在7o0 oC 至800 oC 水平上每增加10 oC , 其可靠性将下降5%）
微尺度传热产生背景
由于它们的特征尺度与载热体( 分子、电子、声子、光子) 等的平均自由程处于同一量级甚至更低, 导热的Fourier 定律、流动的N 一S 方程已不再适用,微结构表面的辐射性质亦出现奇特的变化, 已经不能的效地用传统的传热传质理论及传统的实验方法加以解决, 导致了热现象由宏观研究到微观研究的历史性转变, 促使微细尺度传热学这一学科的出现和形成。
微细尺度对流换热影响因素
2.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，当反映重力与表面张力之比的Bond数小于2 时, 表面张力起主导作用。
其中σ是表面张力. 此时, 管道为毫米量级时, 重力即可忽略。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。
•空间尺度极限：其研究的几何尺度可以到微米或毫微米级; •时间尺度极限：即在微秒以至毫微秒内瞬时传热规律的研究.
微尺度传热形成原因
① 当物体的特征尺度缩小至与载体粒子〔分子、原子、电子、光子等〕的平均自由程同一量级或者过程延续的时间达到微秒以至毫微秒量级时, 基于连续介质假设而建立的许多宏观概念和规律就不再适用, 如粘性系数、导热系数等概念需要重新定义, N 一S 方程和Fourier导热方程等也不再适用。
• (2 ) 充分发展通道流的 f·R≠const。认为阻力因子与雷诺数的乘积不再是常数, 它应是雷诺数的函数。
• (3 ) 微细通道层流向湍流过渡的雷诺数减小, 其过渡雷诺数R e 可为300~1000.
• (4) 微细通道流传热数据很分散, 充分发展的通道流的Nu ≠ const且是雷诺数的函数.
Г 称之为松弛时间.
的物理意义是热流随时间的变化对温度变化的影
响
由于在一般情况下松弛时间Г的值很小（ Г 为10 -10 s~10-14 s)，
方程退化为傅里叶定律
微细尺度流动和对流换热
• ( l) 微细通道流动阻力规律与常规尺寸条件下不同, 不同作者的实验数据不仅在定量上,而且在定性上互相矛盾(有的认为微细通道中流动阻力大, 有的则认为微细通道中流动阻力小)。
微细尺度对流换热影响因素
3.气体稀薄效应
通常用克努曾数来表示气体稀薄的程度
当Kn<<1 ,连续介质区；Kn>>1,自由分子流区；0.01<Kn<0.1,滑流区；0.1<Kn<1,过渡区
气体的稀薄性一般导致气体流动阻力降低和换热减弱。
THE END
L< λ
傅里叶定律不适用，微观1区
L< λc
必须考虑量子效应，微观2区
②晶粒大小：随着尺寸减小，工艺方面的因素，晶粒随之减小，晶粒界面变大，其运输能力减弱，导热系数降低
微细尺度导热
2.导热的波动效应
研究导热问题时, 最常用的傅立叶定律, 即热流与温度梯度成正比, 然而, 快速瞬态导热时, 发现傅立叶定律不再适用,于是建立了热流滞后于温度梯度的C-V模型。
1.导热系数的尺度效应
现有实验和理论研究表明, 当物体尺寸减小，例如薄膜的厚度小到一定程度时，其导热系数将随膜厚的减小而降低, 有的甚至可降低1~ 2 个数量级。
100K下硅薄膜法向导热系数随薄膜厚度的变化
导热系数的尺度效应原因
①特征长度L：设λ是粒子的平均自由程， λc为载热粒子波长。
L>> λ 傅里叶定律适用，宏观区
② 物体的特征尺度远大于载体粒子的平均自由程, 即连续介质的假定仍能成立, 但是由于尺度的微细, 使原来的各种影响因素的相对重要性发生了变化, 从而导致流动和传热规律的变化。
微尺度传热研究内容及进展
• 微细尺度导热 • 微细尺度流动和对流换热 • 微细尺度热辐射 • 维系尺度相变传热
微细尺度导热