固液界面电荷、滑移与温度的耦合及其对微纳流体传热性能影响的机理研究

Although the micro/nanofluidic systems have wide applications in mechanical, microelectronic and biomedical fields, the deep studies on the physical mechanisms of heat transfer of micro/nano flow is still needed, and this has blocked the further application and development of the micro/nanofluidic systems. Based on theoretical analysis, molecular dynamics and atomic force microscopy experiments, the present research is carried out to reveal the coupling of surface charge and boundary slip at solid-liquid interface and the temperature, and then reveal the effect of surface charge and boundary slip on the heat transfer of the micro/nano flow. Firstly, both the coupling of the surface charge and boundary slip and the effect of temperature on these two interfacial phenomenon are theoretically analyzed, and the mathematical models of the coupling of surface charge, slip and temperature are established and experimentally verified. Secondly, taking the pressure-driven flow in a microchannel as an example, the coupling of surface charge, slip and temperature is introduced into the Navier-Stokes equation and energy equation, and a theoretical model is established to study the velocity field and temperature field of the fluid flow in the microchannel, and analyze the effect of surface charge and boundary slip on the temperature distribution and Nusselt number of the micro/nano flow. Finally, methods are explored to optimize and control the heat convection at micro/nano scale. The study can both improve the physical mechanisms of heat transfer of fluid flow at micro/nano scale and promote the application and development of micro/nanofluidic systems.

微纳流体系统在机械、微电子、生物医学等领域已取得广泛应用，但微纳流体传热性能的机理研究仍不完善，这制约了微纳流体系统的进一步发展与应用。本项目将采用理论分析、分子动力学仿真及AFM实验相结合的方法，揭示固液界面表面电荷、边界滑移与温度之间的耦合关系，进而揭示表面电荷与边界滑移对微纳流体传热性能的影响规律及机理。首先理论分析表面电荷与边界滑移间的耦合关系及温度对二者的影响，建立表面电荷、边界滑移与温度间耦合关系的数学模型，并进行实验验证；其次以微管道压力驱动流为例，将表面电荷、边界滑移与温度间耦合关系的数学模型引入Navier-Stokes方程和能量方程，建立微管道内流体速度场与温度场的理论模型，揭示表面电荷与边界滑移对微纳流体温度分布及努塞尔数的影响规律，并分析其机理；最后探究微纳流体对流换热性能的优化控制方法。本项目将完善微纳流体传热性能物理机理的研究，并促进微纳流体系统的应用与发展。

微纳流体系统在机械、微电子、生物医学等领域已取得广泛应用，但是由于微纳尺度下表面电荷、边界滑移等固液界面因素的存在，使得微纳流体系统传热传质性能的机理研究仍不完善，这制约了其进一步发展与应用。为此，本项目采用了理论分析、软件仿真及实验研究相结合的方法，在固液界面表面电荷与边界滑移之间耦合关系的研究基础上，研究两者对微纳流体系统对流传热传质传热性能的耦合影响规律及机理。首先，利用AFM实验研究了固液界面表面电荷与边界滑移间的耦合关系，得到了边界滑移长度随表面电荷密度增加而减小的趋势。随后，以微通道压力驱动流为例，建立了虑及固液界面表面电荷与滑移耦合的单管微通道流体速度场与温度场的理论模型，并分析了表面电荷与边界滑移对微通道流体的流体阻力和对流传热性能的影响规律。研究发现，表面电荷会增加流体阻力降低对流散热性能，且随着表面电荷密度的增加，流阻阻力呈现先增后减而怒塞尔数呈现先减后增的非线性规律；边界滑移的存在则会减小流体阻力增加对流换热性能；当考虑表面电荷与滑移之间的耦合时，会进一步增加流体阻力降低对流换热性能。最后，为优化微通道流体系统的传热传质性能，建立了具有仿生树状结构的微通道流体系统，并探究表面电荷和边界滑移对树状微通道流体系统对流传热传质性能的影响。研究发现，树状微通道系统存在着满足Murray定律的最优结构可以实现优良的对流传热传质性能；但是由于表面电荷和边界滑移的存在，会改变经典的Murray定律，树状微通道实现流阻最小的最优直径比随着边界滑移的增加而减小，但随着表面电荷密度的增加呈现复杂的非线性变化规律，这使得树状微通道流体系统最优结构的分析趋于复杂化。本项目的研究结果对于完善微纳流体传热的传质机理具有重要的理论意义，且可以用于具有优良传热传质性能的微通道流体系统的优化设计，以用于微电子芯片、航空航天等领域的散热及微流控芯片等微纳流体传输系统的设计。