【摘要】：隨著微納技術(shù)的高速發(fā)展,微尺度下流體的流動(dòng)換熱及相變?cè)谖⒓{系統(tǒng)和器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中備受關(guān)注,是制約微納系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)及輸運(yùn)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。目前,尺度微細(xì)化導(dǎo)致流體熱質(zhì)傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的新問(wèn)題和新現(xiàn)象仍未能被很好的揭示與應(yīng)用,有待開(kāi)展進(jìn)一步的深入研究。由于實(shí)驗(yàn)手段和理論研究很難從分子層面揭示粒子間復(fù)雜相互作用,分子動(dòng)力學(xué)方法成為探索微觀尺度現(xiàn)象與機(jī)理的有效手段。因此,本文借助分子動(dòng)力學(xué)方法研究微尺度下流體熱質(zhì)傳遞過(guò)程的影響機(jī)制。從構(gòu)建微尺度單相流體的傳熱模型入手,揭示微尺度固液溫度邊界的物理本質(zhì);進(jìn)一步研究單相流體流動(dòng)與換熱的耦合關(guān)系,探索微尺度受限空間內(nèi)流體的新現(xiàn)象。在單相流體流動(dòng)換熱的研究基礎(chǔ)上,開(kāi)展流體核化相變的研究。分別從受限空間內(nèi)流體核化與固體壁面上薄液膜的核化沸騰的角度出發(fā),剖析微尺度流體核化相變的影響機(jī)制。研究結(jié)果為微納系統(tǒng)及器件的設(shè)計(jì)制造與性能優(yōu)化提供具有指導(dǎo)意義的重要信息。針對(duì)微尺度固液界面溫度邊界問(wèn)題,研究不同浸潤(rùn)性微通道內(nèi)液體的傳熱過(guò)程,分析尺寸效應(yīng)對(duì)固液界面熱阻及溫度階躍的影響。界面熱阻隨微通道尺寸的變化可分為兩個(gè)階段,即小尺寸微通道的單調(diào)遞增階段和大尺寸微通道的恒定值階段。這兩個(gè)階段的微通道尺寸過(guò)渡閾值受固液作用強(qiáng)度與壁面溫度的共同作用:減弱壁面浸潤(rùn)性,過(guò)渡閾值向大尺寸區(qū)域遷移。相較于低溫壁面,高溫壁面處的過(guò)渡閡值更大。增加微通道尺寸,固液界面溫度階躍呈單調(diào)遞減趨勢(shì),致使壁面溫度邊界和宏觀尺度下逐漸符合。探究非對(duì)稱(chēng)浸潤(rùn)性納米通道內(nèi)流動(dòng)換熱的耦合機(jī)制,以氬流體作為流動(dòng)工質(zhì),建立泊肅葉流動(dòng)的物理模型。對(duì)于無(wú)流動(dòng)的熱傳導(dǎo)過(guò)程,流體內(nèi)部熱流由近熱壁區(qū)向近冷壁區(qū)傳遞,稱(chēng)為正向傳熱。對(duì)于有流動(dòng)的非對(duì)稱(chēng)浸潤(rùn)性系統(tǒng)而言,粘性耗散效應(yīng)使得流體溫度升高,且固液界面處產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)速度滑移與溫度階躍。通過(guò)調(diào)控速度滑移和溫度階躍的耦合作用,實(shí)現(xiàn)流體內(nèi)部溫度分布與熱流傳遞的控制。一方面,減弱熱壁面的浸潤(rùn)性,流體內(nèi)部正向溫度梯度增大,強(qiáng)化了流體內(nèi)部正向傳熱。另一方面,通過(guò)控制參數(shù)的組合匹配,實(shí)現(xiàn)流體內(nèi)部溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象,獲得流體內(nèi)部由正向傳熱到逆向傳熱的轉(zhuǎn)換,包括:(1)保持熱壁面的超親水性不變,減弱冷壁面的浸潤(rùn)性;(2)保持熱壁面的超親水性與冷壁面的疏水性不變,增大流體原子的驅(qū)動(dòng)力;(3)保持熱壁面的超親水性與冷壁面的疏水性不變,降低熱壁面溫度。研究結(jié)果為熱敏感性納米器件的制造提供新思路�？疾旒{米受限空間內(nèi)流體的核化相變行為,建立壁面浸潤(rùn)性與初始流體狀態(tài)控制的汽泡核化機(jī)制分區(qū)圖。受限空間內(nèi)的流體核化模式分為四類(lèi),當(dāng)流體初始密度ρ0.8ρsat(ρsat為飽和液體密度)時(shí),呈現(xiàn)無(wú)汽泡核化模式;當(dāng)流體初始密度ρ≤0.8ρsat時(shí),隨著壁面浸潤(rùn)性的減弱,分別呈現(xiàn)均質(zhì)核化、異質(zhì)核化及Leidenfrost現(xiàn)象三種核化模式,其中固液勢(shì)能參數(shù)β=0.3和β=0.7為不同核化模式的過(guò)渡閥值。均質(zhì)核化與Leidenfrost相變體系呈對(duì)稱(chēng)性分布。而異質(zhì)核化模式導(dǎo)致體系發(fā)生對(duì)稱(chēng)性破缺現(xiàn)象,且核化位置具有明顯的隨機(jī)性。開(kāi)展均質(zhì)固體壁面上薄液膜核化沸騰模擬研究,揭示微尺度薄液膜核化特性的影響機(jī)制。從核化動(dòng)力學(xué)特性的角度出發(fā),增強(qiáng)壁面浸潤(rùn)性和增大液膜厚度,導(dǎo)致近壁區(qū)流體內(nèi)部迅速累積大量能量,促進(jìn)核化沸騰的快速發(fā)生,縮短汽泡起始核化等待時(shí)間,增大汽泡生長(zhǎng)速率。從核化沸騰難易程度的角度出發(fā),增強(qiáng)壁面浸潤(rùn)性,起始核化沸騰所需的表觀過(guò)熱度隨之增加,此結(jié)果明顯區(qū)別于經(jīng)典核化理論中“疏水壁面易于產(chǎn)生汽泡”的論述。然而,考慮微尺度界面效應(yīng)后,起始核化沸騰所需的有效過(guò)熱度隨壁面浸潤(rùn)性的增強(qiáng)呈減小趨勢(shì)。增加液膜厚度,起始核化沸騰所需的表觀過(guò)熱度增大,有效過(guò)熱度卻減小,使得微尺度下薄液膜的核化沸騰呈現(xiàn)明顯的尺寸相關(guān)性。基于微尺度界面效應(yīng)及近壁區(qū)流體的溫度線(xiàn)性分布特征,建立微尺度核化理論模型。研究結(jié)果闡明了流體核化沸騰規(guī)律在微尺度與宏觀尺度之間的區(qū)別與聯(lián)系,兩者在本質(zhì)上是相互統(tǒng)一的。構(gòu)建異質(zhì)固體壁面上薄液膜相變的分子動(dòng)力學(xué)模型,揭示原始滯留汽核對(duì)核化沸騰的微觀促進(jìn)機(jī)理及非均勻壁面浸潤(rùn)性與納米結(jié)構(gòu)的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制。疏水納米凹腔產(chǎn)生原始滯留汽核。疏水性納米凹腔壁面的起始核化溫度為1.09ε/kB,比親水性納米凹腔壁面的低0.04ε/kB。對(duì)于疏水性納米凹腔,原始滯留汽核引起汽液界面的類(lèi)活塞效應(yīng)。納米凹腔的疏水性越強(qiáng),類(lèi)活塞效應(yīng)越強(qiáng),使得凹腔內(nèi)部壓力增大,縮短起始核化等待時(shí)間,但是對(duì)汽泡生長(zhǎng)速率的影響幾乎忽略不計(jì)。對(duì)于親水性納米凹腔,當(dāng)納米凹腔的接觸角大于18°時(shí),光滑壁面浸潤(rùn)性起主導(dǎo)作用,首個(gè)汽泡在光滑壁面處產(chǎn)生。當(dāng)納米凹腔的接觸角小于18°時(shí),納米結(jié)構(gòu)起主導(dǎo)作用,汽泡僅在納米凹腔內(nèi)形成。
【圖文】：

兩側(cè)發(fā)生溫度犬變，廣生界面溫度階躍ＡＴｊｕｍｐ。界面熱阻＾？ｔｈ被定NB為：ｉ？ｔｈ＝Ａ７＊ｊｕｍｐ／ｇ，逡逑其中＾為通過(guò)界面的熱流。界面熱阻的影響程度可由熱阻長(zhǎng)度Ｉｋ來(lái)衡量，即逡逑Ｋａｐｉｔｚａ長(zhǎng)度，如圖１－３所示，其表達(dá)式為：逡逑ｎ／ｆ邐（１－２）逡逑／邐ｉ邋ｎｔｅｒｆａｃｅ逡逑式中，為界面處流體側(cè)的溫度梯度。逡逑Ｚ邐．逡逑“邐ｉ邐ｊ１邐ｔ逡逑：邐１邋ｎｏ－ｊｕｍｐ邋１邋ｊｕｍｐ逡逑！邐／邐／逡逑ｉ邋／邐／邋ｆｌｕｉｄ逡逑邐＾４４—邐—邐？逡逑；邐／邐ｓｏｌｉｄ逡逑Ｌｋ邋Ｉ邋／逡逑圖１－３階躍和無(wú)階躍溫度邊界條件示意圖［４５１逡逑Ｆｉｇ．邋１－３邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｏｆ邋ｊｕｍｐ邋ａｎｄ邋ｎｏ－ｊｕｍｐ邋ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ邋ｂｏｕｎｄａｒｙ邋ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ＇４＾逡逑目前，界面熱阻的微觀理論研究模型主要有聲學(xué)失配模型（Ａｃｏｕｓｔｉｃ邋Ｍｉｓｍａｔｃｈ逡逑Ｍｏｄｅｌ，，邋ＡＭＭ）及散射失配模型（Ｄｉｆｆｕｓｅ邋Ｍｉｓｍａｔｃｈ邋Ｍｏｄｅｌ，邋ＤＭＭ）等［４６］。在ＡＭＭ中逡逑界面被看作為理想的光滑平面，并假設(shè)聲子是連續(xù)介質(zhì)中的平面波，聲子在界面逡逑處發(fā)生彈性純鏡面反射和投射，忽略散射效應(yīng)。ＡＭＭ中的介質(zhì)連續(xù)性假設(shè)和理逡逑想界面假設(shè)只有在極低溫度下才能成立，此時(shí)聲子波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于原子間的距離和界逡逑面粗糙度。然而隨著溫度的升高，當(dāng)晶體中占主導(dǎo)地位的聲子波長(zhǎng)減小到與界面逡逑粗糙度尺寸相比擬時(shí)

通過(guò)界面?zhèn)鳠釋?shí)現(xiàn)微尺度核化沸騰，考慮微尺度效應(yīng)的影響，搭建微尺度核化機(jī)逡逑制與常規(guī)尺度之間的橋梁；并深入分析非均質(zhì)體系中流體的核化沸騰機(jī)制，以期逡逑為優(yōu)化微尺度核化沸騰性能提供具有指導(dǎo)意義的重要信息。圖１－５描述了本文的逡逑整體研宄思路和研宄內(nèi)容。逡逑１．
【學(xué)位授予單位】：華北電力大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TK124;TN40

【參考文獻(xiàn)】

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1 葛宋;陳民;;速度滑移對(duì)界面熱阻影響的分子動(dòng)力學(xué)模擬[J];工程熱物理學(xué)報(bào);2013年08期

2 葛宋;陳民;;接觸角與液固界面熱阻關(guān)系的分子動(dòng)力學(xué)模擬[J];物理學(xué)報(bào);2013年11期

3 張平;宣益民;李強(qiáng);;界面接觸熱阻的研究進(jìn)展[J];化工學(xué)報(bào);2012年02期

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本文編號(hào)：2629852