粗糙表面的分形構(gòu)建及其對微納流動(dòng)與傳熱影響機(jī)理的研究.pdf

1、微納尺度流體流動(dòng)與傳熱在微納機(jī)電系統(tǒng)、芯片實(shí)驗(yàn)室、微電子芯片冷卻、生醫(yī)檢測、燃料電池、微反應(yīng)器等前沿科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，該方面的研究對于探索微觀運(yùn)動(dòng)傳遞規(guī)律具有重要的科學(xué)意義。當(dāng)前，微納尺度流體流動(dòng)與傳熱研究中的一個(gè)前沿?zé)狳c(diǎn)問題就是表面粗糙狀況對微納通道內(nèi)流體流動(dòng)與換熱影響機(jī)理。隨著微流體器件的迅速發(fā)展，通道尺寸越來越小，通道表面積對通道體積的比值急劇增大，這導(dǎo)致表面粗糙狀況對微納通道內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱影響作用越來越突出，其影響機(jī)理

2、日益受到人們的重視。
　　 目前，粗糙表面對微納流動(dòng)和傳熱的影響機(jī)制還未得到全面揭示，特別是表面輪廓頻譜特性（分形維數(shù)）對液、氣流動(dòng)和傳熱的影響機(jī)制還缺乏深入、充分的研究;再者，納尺度粗糙表面對界面速度滑移和熱滑移影響也亟待開展。為此，本文引入自仿射分形幾何，實(shí)現(xiàn)了微納結(jié)構(gòu)粗糙表面的描述和構(gòu)建，圍繞粗糙表面對微納尺度流動(dòng)和傳熱影響機(jī)理，建立了粗糙通道內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱的微觀、介觀和納觀三個(gè)層次上的理論模型，分別采用計(jì)算流體力學(xué)和傳

3、熱學(xué)方法、格子Boltzmann方法和分子動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行了數(shù)值模擬，并依靠實(shí)驗(yàn)手段，對粗糙微通道內(nèi)流動(dòng)和換熱特性進(jìn)行了研究，取得了以下一系列結(jié)論:
　　 (1)將自仿射分形幾何引入到微納通道流動(dòng)與傳熱研究之中，突破傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計(jì)平均的粗糙度確定方法，實(shí)現(xiàn)了多尺度、自仿射粗糙表面的描述和構(gòu)建，并對實(shí)際通道粗糙表面的分形維數(shù)進(jìn)行計(jì)算。研究結(jié)果表明，分形幾何是粗糙表面形貌描述的有效方法，自仿射分形維數(shù)直接反映了表面輪廓的不規(guī)則度。分形

4、維數(shù)越大，粗糙曲線的不規(guī)則度就越突出，變化也越頻繁。對于兩個(gè)具有相同統(tǒng)計(jì)粗糙度的輪廓，可具有不同的分形維數(shù)。
　　 (2)開展了圓形粗糙微通道內(nèi)液體層流流動(dòng)與換熱的三維理論建模和數(shù)值模擬，建立了表面結(jié)構(gòu)（統(tǒng)計(jì)粗糙高度和分形維數(shù)）與微尺度液體流動(dòng)與換熱特性間的定量聯(lián)系，闡明粗糙表面形貌對微尺度液體流動(dòng)和換熱的影響機(jī)理，并評估了粗糙表面的流動(dòng)換熱綜合性能。研究結(jié)果表明:粗糙表面的擾動(dòng)導(dǎo)致微通道內(nèi)沿程壓降和努塞爾數(shù)具有波動(dòng)性，且隨粗糙

5、表面分形維數(shù)的增加，波動(dòng)越明顯。與常規(guī)大管不同，粗糙微通道內(nèi)液體層流流動(dòng)與換熱的Poiseuille數(shù)與努塞爾數(shù)不再是常數(shù)，而是關(guān)于雷諾數(shù)、表面粗糙高度和分形維數(shù)的函數(shù)，并且Poiseuille數(shù)和努塞爾數(shù)隨雷諾數(shù)呈增大趨勢，即粗糙度對微通道內(nèi)流動(dòng)和換熱的影響作用隨雷諾數(shù)增加而愈加顯著。另外，隨著微通道粗糙表面分形維數(shù)的增加，微通道內(nèi)流動(dòng)換熱綜合性能逐漸得到優(yōu)化，當(dāng)表面分形維數(shù)趨向于3時(shí)粗糙表面的流動(dòng)換熱綜合性能最為優(yōu)越。
　　

6、 (3)設(shè)計(jì)搭建了粗糙不銹鋼微通道內(nèi)液體流動(dòng)與換熱的性能測試實(shí)驗(yàn)臺，采用掃描電鏡對粗糙表面形貌進(jìn)行觀測，開展了甲醇在粗糙微通道內(nèi)流動(dòng)與換熱的性能測試實(shí)驗(yàn)，獲得了粗糙微通道內(nèi)液體層流流動(dòng)與換熱特性。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果同樣表明，粗糙微通道內(nèi)液體層流流動(dòng)與換熱的Poiseuille數(shù)與努塞爾數(shù)均隨雷諾數(shù)呈增加趨勢，且驗(yàn)證了粗糙度對微通道液體流動(dòng)與換熱的影響隨雷諾數(shù)的增加而愈加明顯。
　　 (4)建立了粗糙微通道內(nèi)壓力驅(qū)動(dòng)氣體滑移流動(dòng)的介觀動(dòng)

7、理學(xué)模型，采用格子Boltzmann方法進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，研究了粗糙表面特性對微尺度氣體流動(dòng)的影響。采用通道質(zhì)量流量和Poiseuille數(shù)評價(jià)了微尺度氣體流動(dòng)行為，比較了光滑和粗糙微通道中氣體流動(dòng)滑移特性，分析討論稀薄效應(yīng)(Knudsen數(shù))、表面粗糙高度和分形維數(shù)對微尺度氣體流動(dòng)的影響。研究結(jié)果表明:與光滑通道相比，粗糙度的存在使得氣體流動(dòng)邊界速度滑移程度減少，從而降低了壓力驅(qū)動(dòng)氣體流動(dòng)質(zhì)量流量，增加了Poiseuille數(shù)。微通道中

8、的氣體流動(dòng)特性受粗糙表面統(tǒng)計(jì)高度變化影響較大，粗糙高度的減少可導(dǎo)致微通道表面氣體滑移程度的增強(qiáng)，但不同于液體流動(dòng)，表面粗糙輪廓的分形維數(shù)變化對氣體滑移流動(dòng)影響則偏弱。另外，稀薄效應(yīng)的增強(qiáng)將進(jìn)一步突出不同粗糙表面對微尺度氣體流動(dòng)邊界速度滑移的影響差異。
　　 (5)利用MEMS工藝制作了高寬深比的寬矩形硅微通道，對微通道的硅表面和玻璃表面的二維粗糙輪廓進(jìn)行了測量和分形維數(shù)計(jì)算，并采用激光共聚焦顯微鏡和原子力顯微鏡對硅表面的三維形貌

9、進(jìn)行了測量?；谘兄频墓栉⑼ǖ佬酒O(shè)計(jì)搭建了微尺度氣體流動(dòng)性能測試系統(tǒng)，開展了氮?dú)夂秃庠谖⑼ǖ乐辛鲃?dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氮?dú)夂秃庠谖⑼ǖ纼?nèi)流動(dòng)時(shí)表現(xiàn)出了一定程度的邊界滑移，并且氦氣流動(dòng)滑移程度比氮?dú)饣瞥潭纫?，?shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微尺度氣體流動(dòng)的稀薄效應(yīng)。另外，實(shí)驗(yàn)測量得到的硅微通道內(nèi)氣體流動(dòng)Poisuelle數(shù)與理論預(yù)測值基本吻合，驗(yàn)證了本文所建立的粗糙微通道氣體流動(dòng)理論模型的正確性。
　　 (6)建立了Couette流

10、結(jié)構(gòu)體內(nèi)液體流動(dòng)的分子動(dòng)力學(xué)模型，研究了液體在粗糙表面上的滑移流動(dòng)，給出了邊界速度滑移的產(chǎn)生機(jī)理、液體微觀結(jié)構(gòu)、液體分子運(yùn)行軌跡，分析討論了粗糙表面頻譜分布和粗糙高度對邊界速度滑移的影響。研究結(jié)果表明:當(dāng)流體與固壁的密度相當(dāng)，流體分子在壁面波動(dòng)勢能的作用下附著在壁面上產(chǎn)生無滑移速度;當(dāng)固流密度比相對較大，且其相對勢能較小時(shí)，流體層將變窄，流體脫離壁面從而發(fā)生滑移。粗糙度的存在使得流體通過表面時(shí)產(chǎn)生了能量損失進(jìn)而降低了流體在固體表面上的滑

11、移程度，并且，隨表面分形維數(shù)的增加，邊界滑移程度將進(jìn)一步降低。
　　 (7)基于溫差作用下粗糙納通道內(nèi)液體熱傳導(dǎo)的分子動(dòng)力學(xué)模型，研究了粗糙表面高度和分形維數(shù)對納通道內(nèi)溫度分布、勢能分布和界面熱滑移的影響機(jī)理，分析討論了粗糙固體界面上的熱滑移行為。研究結(jié)果表明:無論是粗糙納通道還是光滑的納通道，通道中心區(qū)域的液體溫度均呈線性分布，但在近壁面附近，液體溫度分布偏離了線性特征。與光滑表面相比，表面粗糙的存在有利于液-固界面的能量傳遞