微纳尺度传热的尺度效应及其物理机制
| 项目名称： | 微纳尺度传热的尺度效应及其物理机制 |
| 推荐单位： | 教育部 |
| 项目简介： | 研究内容: 微纳尺度传热规律、尺度效应及其物理机制 主要发现点： 1. 流动/传热各种尺度效应的共性物理机制 首次提出和验证了连续介质假定成立条件下，流动与传热也存在尺度效应； 揭示了其共性物理机制为：随着尺度的减小,传热介质的体积面积比减小，不同作用力（惯性力、粘性力、浮升力等）或不同因素(界面效应、轴向导热等）的相对重要性发生了变化。 2. 单相对流换热的尺度效应 微通道内流动压缩性增加导致流动阻力与换热强度增加，甚至出现壅塞现象； 微通道壁面粗糙度的重要性增加,导致层流向紊流转捩的雷诺数减小,阻力和换热增加； 非理想气体需考虑范德华力对流动/换热的影响； 通过理论分析和实验验证建立了微尺度对流换热的定量关系式，已应用于微加速度计、微PCR芯片等的热分析和热设计。 3. 导热的尺度效应 揭示了纳米硅膜和复合膜热导率远小于体材料的尺度效应及纳米薄膜面向热导率大于法向热导率的各向异性特征； 揭示了纳米金属薄膜热导率的尺度效应,与薄膜微观结构有关，並建立了它们的定量关系； 实验发现在常规尺度下广泛应用的 W-F 热电比拟定律对纳米多晶金属薄膜不适用，建立了电子对导热和导电贡献不同的理论模型，提出了新的热电性质关系式。 4. 辐射换热的尺度效应。 定量揭示了空气夹层壁面辐射换热与气体导热的相对重要性.当间隙小于20nm 时，近场辐射是传热的主要方式。 5. 发明了悬浮薄膜热导率的测量方法，消除了薄膜和基板间的界面热阻和基板的影响，保证了热导率测量结果的准确性。发明了微通道内沿程压降测量的截管法，实验验证了理论分析和数值计算的结果。 科学价值： 1.首次提出和验证了连续介质假定成立条件下，流动与传热也存在尺度效应，把各种尺度效应的物理机制归纳为两大类:非连续介质和不同作用力（影响因素）的相对重要性变化引起的尺度效应, 为建立微纳尺度传热这一新分支学科的理论体系作出了贡献。 2.阐明了微纳尺度对流换热、导热、辐射换热的规律，给出了定量关系式，为微纳器件和微纳机电系统的热分析和热设计提供了理论基础,丰富了微纳尺度传热学科的内容。 3.所发明的悬浮薄膜热导率测量法, 不仅能保证测量结果的准确性,而且能揭示微纳尺度条件下新的物理现象和规律。 同行引用与评价情况: 自然科学基金重大项目验收组对过增元等承担的课题评价为："系统和深入地研究了单相微尺度流动与传热的尺度效应及其物理机制，对推动我国微细尺度传热及相关研究的发展和技术进步有重要意义"。2005 年ASME 国际微细通道会议授予过增元在微尺度传热领域的终身贡献奖，评价为："此奖确认你通过原创研究工作在微尺度传热传质领域的先驱性贡献"。代表性论文5被日本传热学会授予2008 年度学术奖（每年仅授1篇）；发表SCI收录论文100篇,被SCI他引962次,中文期刊论文115篇， 在CNKI《中国引文数据库》被他引774次；其中，8篇代表性论文在SCI网络版中被他引317次。获发明专利4项,在国际学术会议上做大会报告18次。 |
| 主要完成人： | 过增元 本项目负责人，对重要科学发现（一）、（二）、（三）(a)做出重要贡献： 1.提出了各种作用力（或影响因素）的相对重要性的变化是连续介质假定适用条件下传热过程尺度效应的物理机制； 2.揭示了对流换热的尺度效应及其物理机制，包括：流动可压缩性导致速度剖面偏离抛物分布和阻力系数增加，微通道流粘性力的相对重要性增加导致流动与传热规律变化，粗糙度的相对重要性增加导致阻力系数增加以及通道壁中轴向导热相对重要性的增加导致对流换热规律的变化，等。（代表性论文1，2，3，7，本项目占总工作量的55％） 李志信 对重要科学发现一、二、三(a)做出重要贡献： 1.实验研究了流动可压缩性、壁面粗糙度和管壁轴向导热对微通道内流动与传热的影响，揭示出壁面粗糙度导致阻力系数增加和转捩提前，流动可压缩性使阻力系数增加，并采用摄动法和数值方法获得了阻力系数随马赫数变化的关系式； 2.给出了微气体流动与大尺度稀薄气体流动相似的条件以及考虑气体稠密效应的条件； 3.用分子动力学方法模拟了电介质纳米薄膜的热导率，揭示了热导率随尺度减小而降低的尺度效应以及面向与法向热导率不同的各向异性特征； 4.开展了微尺度传热的应用研究，获得了硅基液滴振荡型微PCR芯片等四项发明专利。（代表性论文1，2，6，7，8，本项目占总工作量的55％） 梁新刚 对重要科学发现三(a),(c)、（四）做出重要贡献： 1.发现了材料差异和界面微观结构影响界面热阻与有效热导率的规律，纳米固体氩复合薄膜界面热阻随温度升高而降低、随材料差异增大而增加，但不受膜厚影响；壁面厚度对氩纳米管轴向导热影响非单调； 2.发现纳米结构存在反向异性导热特性（热整流），氩纳米管在10－90K 的范围内，径向热导率与热流方向有关；复合薄膜的热整流与原子质量比有关。 3.揭示了硅等单层和多层薄膜热辐射干涉对辐射特性的影响，实验验证了薄膜热辐射的干涉现象；揭示了纳米尺度空气间隙固体表面辐射与气体导热的相对重要性，指出间隙小于20 纳米时，近场辐射为主。（代表性论文4，本项目占总工作量的50％） 张兴 对重要科学发现三(b)做出重要贡献： 1.提出了测量薄膜面向热导率的一维悬浮薄膜稳态等热流法，薄膜的悬浮消除了薄膜和基板间的界面热阻以及基板对薄膜热导率测量结果的影响； 2.实验证实了Weidemann-Franz定律不能适用于多晶金属纳米薄膜，揭示了金属纳米薄膜热导率的尺度效应及其与微观结构的联系； 3.发明了纳米线材热导率的T型测量方法，测量了直径为10纳米至30纳米的单根碳纳米管的热导率，实验证实了碳纳米管热导率的尺度效应。（代表性论文5，本项目占总工作量的40％） |
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