微通道结构、表面属性与界面动力学耦合的非沸腾强化传热机理研究

With the rapid development of science and technology and the microelectronics industries, high heat flux cooling problem has become a key issue to be urgently resolved in the cooling technology, and also to be one major bottleneck for efficient and high-performance micro-electronic components with stable and reliable operation. In this project, the lattice Boltzmann method is applied to investigate the transport mechanism of the nonboiling gas-liquid flow in microchannel at slip region, including: Developing and constructing thermal lattice Boltzmann model for multiphase flow and its consistent microscopic boundary treatment, then analyzing and validating them by operating experimental study; Studying the characterization of gas liquid flow and its heat transfer in microchannel with different cross-section, structure, surface roughness and materials; Establishing the relation between mass rate, heat transfer rate, gas/liquid length and Knudsen number for clearly understanding the mechanism of enhance heat transfer in complex micron- microchannel; Revealing the microscopic transport mechanism of gas-liquid flow in a micron- microchannel. The results of such project are significantly guiding lines for the design of fuel cell and low permeability oil recovery etc, which have the similar fundamental physical issues, and also have important significances on optimizing the design of microdevices and promoting their applications in Aviation, Aerospace and Energy.

随着科学技术和微电子工业的快速发展，高热流密度散热问题已经成为散热技术领域迫切需要解决的关键问题，也是未来高效和高性能微型电子元件稳定和可靠运行的主要瓶颈。本项目利用格子Boltzmann方法在介观尺度上系统研究气相滑移区域微通道内表面属性与界面动力学耦合的强化传热机理研究，包括：发展两相流热格子Boltzmann模型及边界条件,开展相关实验分析并验证其合理性；研究不同通道截面、结构、表面粗糙度及材料下气液两相流动与换热特性；确立质量流量、换热效率、气泡/液滴尺寸、毛细数、努森数等之间的关系，深化对复杂微通道内气液两相流强化传热过程的认识，揭示微尺度通道内气液两相流微观输运机理。本项目研究对涉及这一基本问题的燃料电池设计、低渗透油藏开采等均具有指导意义，对优化微型器件的设计，推动微型器件在航空、航天、能源等领域的广泛应用有重要意义。

随着科学技术和微电子工业的快速发展，高热流密度散热问题已经成为散热技术领域迫切需要解决的关键问题，广泛存在于航空、航天、能源与环境及化学工程等众多领域。本课题主要研究了如下几个方面：（1）多相流格子Boltzmann方法的作用力理论模型；（2）开展T型微通道内气液两相气泡/液滴形成规律研究以及壁面属性的影响；（3）开展T型微通道内两相流液滴控制以及传热过程研究。结果表明：通过理论分析指出三阶的多尺度分析的误差项对压力张量的贡献与基于误差截断分析方法分析的结果一致并且通过对外力项的修正使得改进的Shan-Chen模型能够模拟Carnahan-Starling状态方程下高密度比问题，分析了不同作用力处理格式对应的高阶误差项对压力张量贡献的影响；微通道表面粗糙度、表面润湿性以及流体的粘性比等都对液滴形成和脱离都产生影响;通过对微通道结构控制，发现带有阻块的T型微通道能够明显减小气泡的生成体积并提高气泡的生成频率，液滴的特征直径随着相对粗糙度的增大而增大。当粗糙元的形状为矩形时，液滴的特征直径和平均运动速度最大。在疏水壁面条件下，与光滑T型微通道相比，液滴在粗糙壁面微通道内的运动特征发生了很大的变化。由于粗糙元间空隙的存在，间距比较小和相对粗糙度较大的微通道内出现涡流，阻碍了流体的流动，导致局部温度升高，但是增加了对流换热强度提高了壁面平均Nu数。在主流区，带有矩形粗糙元的微通道温度最高，流体在矩形粗糙元之间更容易产生涡流，同样提高了壁面平均Nu数。而在湿壁面条件下，当粗糙元间距较小或相对粗糙度较大时，分散相流体通过粗糙段时会有较大的质量损失，粗糙元形状为矩形时，比其他几种形状更易于发生分散相液滴的质量损失。