粗糙表面的分形構建及其對微納流動與傳熱影響機理的研究.pdf

1、微納尺度流體流動與傳熱在微納機電系統(tǒng)、芯片實驗室、微電子芯片冷卻、生醫(yī)檢測、燃料電池、微反應器等前沿科技領域中有著廣泛的應用，該方面的研究對于探索微觀運動傳遞規(guī)律具有重要的科學意義。當前，微納尺度流體流動與傳熱研究中的一個前沿熱點問題就是表面粗糙狀況對微納通道內(nèi)流體流動與換熱影響機理。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，這導致表面粗糙狀況對微納通道內(nèi)流體流動與傳熱影響作用越來越突出，其影響機理

2、日益受到人們的重視。
　　 目前，粗糙表面對微納流動和傳熱的影響機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、氣流動和傳熱的影響機制還缺乏深入、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，實現(xiàn)了微納結構粗糙表面的描述和構建，圍繞粗糙表面對微納尺度流動和傳熱影響機理，建立了粗糙通道內(nèi)流體流動與傳熱的微觀、介觀和納觀三個層次上的理論模型，分別采用計算流體力學和傳

3、熱學方法、格子Boltzmann方法和分子動力學方法進行了數(shù)值模擬，并依靠實驗手段，對粗糙微通道內(nèi)流動和換熱特性進行了研究，取得了以下一系列結論:
　　 (1)將自仿射分形幾何引入到微納通道流動與傳熱研究之中，突破傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計平均的粗糙度確定方法，實現(xiàn)了多尺度、自仿射粗糙表面的描述和構建，并對實際通道粗糙表面的分形維數(shù)進行計算。研究結果表明，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。對于兩個具有相同統(tǒng)計粗糙度的輪廓，可具有不同的分形維數(shù)。
　　 (2)開展了圓形粗糙微通道內(nèi)液體層流流動與換熱的三維理論建模和數(shù)值模擬，建立了表面結構（統(tǒng)計粗糙高度和分形維數(shù)）與微尺度液體流動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和換熱的影響機理，并評估了粗糙表面的流動換熱綜合性能。研究結果表明:粗糙表面的擾動導致微通道內(nèi)沿程壓降和努塞爾數(shù)具有波動性，且隨粗糙

5、表面分形維數(shù)的增加，波動越明顯。與常規(guī)大管不同，粗糙微通道內(nèi)液體層流流動與換熱的Poiseuille數(shù)與努塞爾數(shù)不再是常數(shù)，而是關于雷諾數(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)流動換熱綜合性能逐漸得到優(yōu)化，當表面分形維數(shù)趨向于3時粗糙表面的流動換熱綜合性能最為優(yōu)越。
　　

6、 (3)設計搭建了粗糙不銹鋼微通道內(nèi)液體流動與換熱的性能測試實驗臺，采用掃描電鏡對粗糙表面形貌進行觀測，開展了甲醇在粗糙微通道內(nèi)流動與換熱的性能測試實驗，獲得了粗糙微通道內(nèi)液體層流流動與換熱特性。實驗研究結果同樣表明，粗糙微通道內(nèi)液體層流流動與換熱的Poiseuille數(shù)與努塞爾數(shù)均隨雷諾數(shù)呈增加趨勢，且驗證了粗糙度對微通道液體流動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)壓力驅動氣體滑移流動的介觀動

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

8、的氣體流動特性受粗糙表面統(tǒng)計高度變化影響較大，粗糙高度的減少可導致微通道表面氣體滑移程度的增強，但不同于液體流動，表面粗糙輪廓的分形維數(shù)變化對氣體滑移流動影響則偏弱。另外，稀薄效應的增強將進一步突出不同粗糙表面對微尺度氣體流動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行了測量和分形維數(shù)計算，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、進行了測量?；谘兄频墓栉⑼ǖ佬酒O計搭建了微尺度氣體流動性能測試系統(tǒng)，開展了氮氣和氦氣在微通道中流動特性的實驗研究。實驗結果表明，氮氣和氦氣在微通道內(nèi)流動時表現(xiàn)出了一定程度的邊界滑移，并且氦氣流動滑移程度比氮氣滑移程度要大，實驗驗證了微尺度氣體流動的稀薄效應。另外，實驗測量得到的硅微通道內(nèi)氣體流動Poisuelle數(shù)與理論預測值基本吻合，驗證了本文所建立的粗糙微通道氣體流動理論模型的正確性。
　　 (6)建立了Couette流

10、結構體內(nèi)液體流動的分子動力學模型，研究了液體在粗糙表面上的滑移流動，給出了邊界速度滑移的產(chǎn)生機理、液體微觀結構、液體分子運行軌跡，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。研究結果表明:當流體與固壁的密度相當，流體分子在壁面波動勢能的作用下附著在壁面上產(chǎn)生無滑移速度;當固流密度比相對較大，且其相對勢能較小時，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產(chǎn)生了能量損失進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，邊界滑移程度將進一步降低。
　　 (7)基于溫差作用下粗糙納通道內(nèi)液體熱傳導的分子動力學模型，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理，分析討論了粗糙固體界面上的熱滑移行為。研究結果表明: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