微納尺度傳熱問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，為了設(shè)計其散熱系統(tǒng)，必須深入研究微納尺度導(dǎo)熱的機(jī)理。對于微納尺度導(dǎo)熱問題，實驗、理論和數(shù)值結(jié)果均表明暗含傳播速度無限大假設(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值和應(yīng)用價值。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)用解析方法對超快速激光加熱引起的導(dǎo)熱問題開展了系統(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題和微納尺度熱點引起的導(dǎo)熱問題。
　　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)熱問題，并將兩個模型給出的結(jié)果進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明，在CV導(dǎo)熱模型中，熱是以波動方式傳輸?shù)模辉偈腔诟盗⑷~定

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

4、熱波”發(fā)生的必要條件。另外發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度梯度遲滯時間大于熱流密度遲滯時間時，導(dǎo)熱過程將不再發(fā)生熱波現(xiàn)象，這一結(jié)論既符合本文的計算結(jié)果，又驗證了Tang的結(jié)論。同時研究了在滑移邊界條件下，表面調(diào)節(jié)系數(shù)對薄膜內(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，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)熱模型對超快速脈沖激光加熱金薄膜的導(dǎo)熱問題進(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)兩個模型所得無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，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)熱問題，結(jié)果表明，在過渡區(qū)由激光加熱引起的薄膜內(nèi)部的能量是以波動的形式進(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。利用激光分別對薄膜的兩側(cè)進(jìn)行加熱時，發(fā)現(xiàn)由激光在薄膜兩側(cè)施加擾動引起的熱波在薄膜內(nèi)相遇時，會引發(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傳輸方式，

7、且會嚴(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傳輸形式和熱波在相遇后的能量增強(qiáng)現(xiàn)象，但會低估能量增強(qiáng)的幅度。此外，本文還提出了通過控制激光作用于薄膜兩側(cè)的時間差，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引發(fā)的導(dǎo)熱問題。結(jié)果表明，在過渡區(qū)能量是以波動的形式進(jìn)行傳輸?shù)?，并且邊界條件對薄膜內(nèi)能量的高