微納尺度傳熱問(wèn)題的理論分析和格子Boltzmann數(shù)值模擬.pdf

1、超快速脈沖激光加熱技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)、納米技術(shù)等諸多領(lǐng)域，而激光加熱引起的納米尺度的導(dǎo)熱規(guī)律仍有待進(jìn)一步探索，并成為該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的制約因素。許多微電子元件的尺寸已達(dá)到納米級(jí)，為了設(shè)計(jì)其散熱系統(tǒng)，必須深入研究微納尺度導(dǎo)熱的機(jī)理。對(duì)于微納尺度導(dǎo)熱問(wèn)題，實(shí)驗(yàn)、理論和數(shù)值結(jié)果均表明暗含傳播速度無(wú)限大假設(shè)的傳統(tǒng)傅立葉定律不再適用。因此，探索微納尺度導(dǎo)熱規(guī)律具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。本文基于Cattaneo-Vernotte(CV)

2、導(dǎo)熱模型、雙相滯(DPL)導(dǎo)熱模型和體現(xiàn)尺度效應(yīng)的改進(jìn)的CV導(dǎo)熱模型，應(yīng)用解析方法對(duì)超快速激光加熱引起的導(dǎo)熱問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。并應(yīng)用格子Boltzmann方法(LBM)數(shù)值模擬了超快速激光加熱問(wèn)題和微納尺度熱點(diǎn)引起的導(dǎo)熱問(wèn)題。
　　本文首先基于傅立葉定律和CV導(dǎo)熱模型，研究了超快速激光加熱金薄膜引發(fā)的薄膜內(nèi)部的導(dǎo)熱問(wèn)題，并將兩個(gè)模型給出的結(jié)果進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，在CV導(dǎo)熱模型中，熱是以波動(dòng)方式傳輸?shù)?，而不再是基于傅立葉定

3、律的擴(kuò)散傳輸方式，因此消除了熱擾動(dòng)傳播速度無(wú)限大的缺陷，并得到了不同克努森數(shù)下“熱波”在薄膜內(nèi)部傳播的無(wú)量綱速度。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在絕熱邊界條件下，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定后，溫度會(huì)隨著克努森數(shù)的增加而升高。
　　基于DPL導(dǎo)熱模型對(duì)超快速激光加熱金薄膜的一維導(dǎo)熱問(wèn)題進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，增大溫度梯度遲滯時(shí)間與熱流密度遲滯時(shí)間的比值會(huì)降低薄膜被激光加熱一端的溫度峰值，并縮短系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間?；贒PL導(dǎo)熱模型給出了在激光加熱薄膜的導(dǎo)熱過(guò)程中“

4、熱波”發(fā)生的必要條件。另外發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度梯度遲滯時(shí)間大于熱流密度遲滯時(shí)間時(shí)，導(dǎo)熱過(guò)程將不再發(fā)生熱波現(xiàn)象，這一結(jié)論既符合本文的計(jì)算結(jié)果，又驗(yàn)證了Tang的結(jié)論。同時(shí)研究了在滑移邊界條件下，表面調(diào)節(jié)系數(shù)對(duì)薄膜內(nèi)溫度分布的影響，研究結(jié)果表明，受加熱表面的溫度會(huì)隨著表面調(diào)節(jié)系數(shù)的增加而降低。本文還基于DPL導(dǎo)熱模型研究了不同克努森數(shù)下薄膜內(nèi)部熱流密度的分布情況，結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，熱流密度的值隨著克努森數(shù)的增加而增大。
　　在微納

5、尺度導(dǎo)熱系統(tǒng)中，導(dǎo)熱系數(shù)與系統(tǒng)的特征長(zhǎng)度緊密相關(guān)。因此本文基于體現(xiàn)尺度效應(yīng)的改進(jìn)的CV導(dǎo)熱模型對(duì)超快速脈沖激光加熱金薄膜的導(dǎo)熱問(wèn)題進(jìn)行了研究。在與CV導(dǎo)熱模型給出的結(jié)果的比較中發(fā)現(xiàn)，在改進(jìn)的CV導(dǎo)熱模型中熱波的波峰并不出現(xiàn)在薄膜的內(nèi)部，而是始終位于受加熱邊界。還發(fā)現(xiàn)兩個(gè)模型所得無(wú)量綱速度值之間的大小取決于克努森數(shù)是否大于1.1027。在與DPL導(dǎo)熱模型給出的結(jié)果進(jìn)行比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩種模型所得到的溫度分布存在較大差別，而且隨著克努森數(shù)和DP

6、L導(dǎo)熱模型中的溫度梯度遲滯時(shí)間的增大，兩者的差別愈發(fā)明顯。
　　本文利用LBM數(shù)值模擬了激光加熱硅薄膜的一維導(dǎo)熱問(wèn)題，結(jié)果表明，在過(guò)渡區(qū)由激光加熱引起的薄膜內(nèi)部的能量是以波動(dòng)的形式進(jìn)行傳輸?shù)模译S著克努森數(shù)的增大，能量密度峰值變高。利用激光分別對(duì)薄膜的兩側(cè)進(jìn)行加熱時(shí)，發(fā)現(xiàn)由激光在薄膜兩側(cè)施加擾動(dòng)引起的熱波在薄膜內(nèi)相遇時(shí)，會(huì)引發(fā)能量的劇烈增強(qiáng)。在與傅立葉定律和CV導(dǎo)熱模型給出的結(jié)果的比較中，發(fā)現(xiàn)傅立葉定律不能展示能量的波動(dòng)傳輸方式，

7、且會(huì)嚴(yán)重低估薄膜內(nèi)產(chǎn)生的能量密度峰值。CV導(dǎo)熱模型雖然能夠展示能量的波動(dòng)傳輸形式和熱波在相遇后的能量增強(qiáng)現(xiàn)象，但會(huì)低估能量增強(qiáng)的幅度。此外，本文還提出了通過(guò)控制激光作用于薄膜兩側(cè)的時(shí)間差，從而調(diào)節(jié)薄膜內(nèi)能量最大值產(chǎn)生位置的方法，這對(duì)激光加熱技術(shù)具有一定的指導(dǎo)意義。
　　本文最后利用LBM研究了絕緣體上硅(SOI)晶體管的硅薄膜中納米尺寸熱點(diǎn)引發(fā)的導(dǎo)熱問(wèn)題。結(jié)果表明，在過(guò)渡區(qū)能量是以波動(dòng)的形式進(jìn)行傳輸?shù)?，并且邊界條件對(duì)薄膜內(nèi)能量的高