微通道粗糙表面结构对流动与换热影响机理及其功能化设计

随着微通道尺寸的缩小，通道表面积对通道体积的比值急剧增大，表面结构对微尺度流动与换热的影响也愈加明显，研究其影响机理及有目的的进行功能化设计已成为微尺度传热传质领域的一个前沿研究热点。本项目将对微通道粗糙表面进行分形分析和三维定量描述，针对液相、气相微流动的不同特性，分别建立粗糙微通道内流动与换热三维模型并进行数值模拟，深入研究粗糙表面的频谱特性（分形维数）和统计高度对微通道内流动和换热的影响机理；基于MEMS工艺研制出不同粗糙表面结构并集成有温度、压力传感器的微通道芯片，实验研究粗糙微通道中液、气相微流动和换热特性；开展微通道表面结构的功能化设计和人工构建，研制高性能流动换热表面。本项目将从本质上阐明表面结构对微通道内流动和换热特性的影响机理，获得可以有效优化流动和换热性能的功能化表面，为高性能MEMS传热传质器件的研发提供理论依据。

微尺度流动与传热在前沿科技领域中有着广泛的应用，该方面的研究对于探索微观运动传递规律具有重要的科学意义。随着微流体器件通道尺寸越来越小，表面结构对微尺度流动与换热的影响也愈加明显，研究其影响机理及有目的的进行功能化设计已成为微尺度传热传质领域的一个前沿研究热点。. 本项目引入分形几何实现了微通道粗糙表面结构的描述和构建，针对液相、气相微流动的不同特性，建立粗糙通道内流动与换热的微观、介观和纳观层次的理论模型，获得了表面结构(统计粗糙高度和分形维数)与微纳尺度流动与换热特性间的定量联系。基于微加工工艺研制出集成有微传感器的微通道芯片并对微通道粗糙表面形貌进行观测，设计搭建了微尺度流动与换热的性能测试实验台，实验测量了粗糙微通道内流体流动与换热特性。深入研究了表面的频谱特性和粗糙高度对液、气相微尺度流动和换热的影响机理，开展了微通道粗糙表面结构的功能化设计及其流动换热性能优化。. 通过对粗糙微通道内流动和换热特性的理论和实验研究发现：(1) 分形几何是粗糙表面形貌描述的有效方法。对于两个具有相同统计粗糙度的轮廓，可具有不同的分形维数；(2) 粗糙表面的扰动导致微通道内液体流动沿程压降和对流换热努塞尔数具有波动性，且随粗糙表面分形维数的增加，波动越明显。(3) 随着微通道粗糙表面分形维数的增加，微通道内液体流动换热综合性能逐渐得到优化，当表面分形维数趋向于3时粗糙表面的流动换热综合性能最为优越; (4) 粗糙度的存在使得边界速度滑移和温度阶跃程度减弱。微通道中的气体流动和传热特性受粗糙高度变化影响较大，但不同于液体流动，分形维数变化对气体滑移流动和温度阶跃影响则偏弱。. 本项目研究成果从本质上阐明了表面结构对微尺度流动和换热特性的影响机理，对于微尺度传热传质理论的发展和微型冷却器件的研制具有重要的学术价值和工程应用前景。基于本项目研究成果，获得教育部自然科学奖一等奖1项和江苏省青年科技奖1项；发表SCI收录论文8篇、EI收录论文13篇(含SCI、EI双收录8篇)；授权发明专利3件，申请发明专利2件；培养博士后1名，研究生8名。