微納尺度傳熱是當(dāng)今熱科學(xué)的重要發(fā)展方向,由于電子元件的高度集成化和熱電材料的不斷發(fā)展,微納尺度下熱輸運性質(zhì)的深入探索成為一個重點關(guān)注問題。在本文中我們利用改進(jìn)的蒙特卡洛法KMC(動力學(xué)蒙特卡洛方法)模擬了不同模型下的聲子熱輸運問題,通過與已有解析解的對比驗證了方法和程序的準(zhǔn)確性,并研究了納米孔隙結(jié)構(gòu)中的熱輸運過程,通過對比各尺寸下不同孔隙分布及孔隙率等參數(shù)對熱導(dǎo)率的影響,并進(jìn)一步通過對各頻率對熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)細(xì)節(jié)解釋了具體原因。研究發(fā)現(xiàn),孔隙的存在削弱了低頻長自由程聲子對熱導(dǎo)率的貢獻(xiàn)比例,不同分布情況的孔隙對聲子的阻礙作用差別很大,熱輸運表現(xiàn)為明顯的彈道過程;孔隙的形狀與孔隙率對熱導(dǎo)率影響很大,在孔隙率較小的情況下,孔隙周長和迎向熱流的界面長度是主要因素,隨著孔隙率的增大,孔隙間最短距離(頸部)成為主要控制因素,距離越短,熱導(dǎo)率越小。復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)中另一重要的問題是界面,在理論方面,AMM(聲學(xué)失配模型)與DMM(漫射失配模型)模型是預(yù)測界面熱導(dǎo)的兩種傳統(tǒng)模型,但只限于完全鏡面或完全粗糙的情況,只在較小范圍內(nèi)與實際值相符合。本文研究了不同界面模式對熱導(dǎo)的影響以及具體原因,分析了影響熱導(dǎo)的具體因素。發(fā)現(xiàn)低頻長自由程聲子的處理方式及透射率的重要影響,同時發(fā)現(xiàn)是否考慮聲子的相干性對熱導(dǎo)率也有很大的影響。通過過模擬TTR(三維超短脈沖激光瞬態(tài)熱反射)實驗,發(fā)現(xiàn)KMC方法在解決半無限大,溫差非常小的情況下優(yōu)勢明顯。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TK124
【部分圖文】：

的熱學(xué)理論中，認(rèn)為熱傳導(dǎo)是基于局部熱平衡的擴(kuò)散過程，在以定義并確定物體中任意位置處的平衡溫度。在特征長度 l 小于平均自由程 Λ）的條件下，局部熱平衡假設(shè)失效。定義克努森數(shù) 所示是 Kn 在不同情況下聲子輸運過程的示意圖。對于宏觀傳熱此時熱輸運處于擴(kuò)散模式，材料內(nèi)聲子間散射占主導(dǎo)地位，材料局部熱平衡假設(shè)成立；對于微觀尺度下的熱傳導(dǎo)，Kn >> 1，此道過程，對于自由程較長的聲子，可以直接從一側(cè)邊界到達(dá)另一間散射，此時在局部區(qū)域內(nèi)的溫度定義受聲子能量影響，聲子能度決定。這種高度非平衡態(tài)難以定義實際溫度，故考慮局部區(qū)域于一個平衡態(tài)，可以用該絕熱系統(tǒng)的最終平衡溫度表示此時局部稱為等效平衡溫度。彈道散射過程聲子間散射少，聲子與邊界作極端的情況，如特征長度 l 值接近原子尺寸或者幾個納米大小，力學(xué)和量子力學(xué)的理論實時模擬單個原子的運動情況，此時需要。對于 Kn ~ 1 這種過渡過程，既存在聲子間散射，也有部分聲如何準(zhǔn)確且快速地處理這種尺寸下的熱輸運過程是目前一個研究

圖 2-2 周期性邊界條件出1 21 21 21 2( ) ( )( ) ( )eq eqeq eqeq eq eq eqT T T Teq eq eq eqT T T Tf f f f f ff f f f f f 1 21 2, ,1 2, ,1 2d eq d eqT Td eq d eqT Te e e ee e e e 所有從右邊界出去的粒子都會從左邊界對應(yīng)的位置重新性質(zhì)不變，從左邊界出去的粒子從對應(yīng)的右邊界回到區(qū)當(dāng)平衡溫度在空間分布不均勻，則需要在周期性邊界上兩個邊界成對的發(fā)射符號相反的粒子。具體存在溫度梯處理在 2.3.5 節(jié)中闡述。

圖 3-1 一維面外熱輸運模型.6 0.8 1.065ps162ps500ps1ns5ns20ns0.0 0.2 01234localheatflux(Wm-2) 108時間的變化 b) Si 材料內(nèi)維瞬態(tài)輸運問題及溫度和熱流隨度高于初始溫度，認(rèn)為攜帶偏度上升并逐漸擴(kuò)散到整個材料在兩端存在溫度跳躍。對于熱
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本文編號：2854733