納尺度分形結(jié)構(gòu)中傳熱特性的分子動力學(xué)模擬研究.pdf

1、納尺度傳熱在微機(jī)電系統(tǒng)、微電子冷卻、熱電制冷等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，該方面的研究對于探索微觀運(yùn)動傳遞規(guī)律具有重要的科學(xué)意義。隨著熱構(gòu)件尺寸不斷微型化，熱構(gòu)件尺寸與粒子平均自由程的量級相當(dāng)，這導(dǎo)致尺度效應(yīng)對熱構(gòu)件傳熱行為的影響作用越來越突出，其影響機(jī)理日益受到人們的重視。目前，納尺度傳熱已成為國際微納米尺度傳熱傳質(zhì)領(lǐng)域的一個前沿研究熱點(diǎn)。
　　在納尺度系統(tǒng)中，熱量傳遞發(fā)生在一個受限的納尺度空間中，導(dǎo)致傳熱過程中表現(xiàn)出顯著的固-固界

2、面效應(yīng)和流-固界面效應(yīng)，這使得納尺度熱傳導(dǎo)和氣液相變有著獨(dú)特的微觀傳遞機(jī)制，例如納米復(fù)合材料的聲子熱傳導(dǎo)和粗糙表面的液膜蒸發(fā)。目前，納尺度傳熱中界面效應(yīng)尚未得到全面揭示，特別是納米復(fù)合材料熱導(dǎo)率和粗糙表面液膜蒸發(fā)過程缺乏深入的研究。再者，納米復(fù)合材料導(dǎo)熱率的結(jié)構(gòu)調(diào)控和粗糙表面的定量描述也亟待展開。為此，本文引入分形幾何，實(shí)現(xiàn)了納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和粗糙表面形貌的描述構(gòu)建，分別建立了Si/Ge納米復(fù)合材料聲子熱傳導(dǎo)和粗糙表面氣液相變

3、傳熱的納尺度理論模型，并采用分子動力學(xué)方法研究了Si/Ge納米復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和粗糙表面液膜蒸發(fā)傳熱機(jī)理。概括起來，本文的主要研究內(nèi)容和研究結(jié)論如下:
　　(1)Sierpinski分形結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料熱導(dǎo)率的分子動力學(xué)模擬研究表明:(a)Si原子百分比相同條件下，由于嵌入Sierpinski分形的納米復(fù)合材料的分散布置增強(qiáng)了界面散射，其熱導(dǎo)率明顯低于嵌入矩形結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料;(b)受硅/鍺界面散射影響，Sierpinski分形納

4、米復(fù)合材料熱導(dǎo)率隨著Si原子百分比的增加而減小，達(dá)到最小值后隨著Si原子百分比的增加而增大;(c)Sierpinski分形納米復(fù)合材料熱導(dǎo)率在軸向方向存在尺寸效應(yīng)，熱導(dǎo)率隨著軸向長度Lz的增加而增大，受聲子運(yùn)輸模式的影響，熱導(dǎo)率隨截面尺寸的增大而增大。
　　(2)分形樹狀結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料熱導(dǎo)率的分子動力學(xué)模擬研究表明:(a)相對于傳統(tǒng)的矩形結(jié)構(gòu)，分形樹狀結(jié)構(gòu)具有較大的固-固界面密度，導(dǎo)致強(qiáng)烈的聲子界面散射，使得分形樹狀結(jié)構(gòu)在減小納

5、米復(fù)合材料熱導(dǎo)率和提高熱電材料熱電優(yōu)值方面具有優(yōu)勢;(b)分形樹狀納米復(fù)合材料中結(jié)構(gòu)設(shè)計中，宜選用更大的寬度維數(shù)、長度維數(shù)和級數(shù)。應(yīng)用分形樹狀結(jié)構(gòu)是優(yōu)化納米復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的有效方法。
　　(3)分形粗糙表面液膜蒸發(fā)的分子動力學(xué)模擬研究表明:(a)在固體表面附近存在不蒸發(fā)液體層。表面粗糙的存在增強(qiáng)了固體表面對液體分子的束縛能力，使得不蒸發(fā)液體層加厚，并隨著粗糙高度增加不蒸發(fā)液體層將加厚;(b)即使在相同粗糙高度下，表面分形維數(shù)（即