項目名稱：    納微尺度流體流動與傳熱傳質(zhì)的基礎(chǔ)研究

推薦單位：    上海市

項目簡介：    本項目隸屬工程熱物理領(lǐng)域并涉及多學(xué)科交叉。項目針對近年來納微系統(tǒng)中不斷涌現(xiàn)出的新的流體流動與傳熱傳質(zhì)問題，在國家自然科學(xué)基金委、上海市科委、香港研究資助局資助下，借助于先進實驗和數(shù)值模擬手段，經(jīng)六年多研究，在納微尺度單相流動傳熱規(guī)律、相變流動傳熱規(guī)律、氣液兩相流動傳質(zhì)規(guī)律、汽泡動力學(xué)行為等前沿科學(xué)領(lǐng)域取得了一系列重要發(fā)現(xiàn)和成果。

納微系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)相比，由于尺度不同，各種界面特性及表面作用力影響更為突出，尤其在發(fā)生相變流動時，表面張力會導(dǎo)致流型發(fā)生變化，進而影響傳熱傳質(zhì)過程。因此，探索納微系統(tǒng)流體流動與傳熱傳質(zhì)與常規(guī)系統(tǒng)的異同性及新規(guī)律具有重要科學(xué)意義。本項目首次發(fā)現(xiàn)Navier-Stokes方程對亞微米通道（Dh<200 m）單相液體流動仍然適用，并提出了矩形分形微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為微電子芯片冷卻開辟了新思路。首次發(fā)現(xiàn)微汽泡可產(chǎn)生于亞微米通道中，并發(fā)現(xiàn)微通道中的三種獨特沸騰相變模式及其引起的非穩(wěn)定溫度壓力振蕩現(xiàn)象；首次發(fā)現(xiàn)亞微米通道凝結(jié)流動過程中的"噴射流現(xiàn)象"及其演變規(guī)律，為微型熱管開發(fā)提供了依據(jù)。首次發(fā)現(xiàn)微通道中氣液兩相泡狀流比環(huán)狀流更利于燃料質(zhì)擴散，為高功率微型燃料電池設(shè)計提供依據(jù)。首次發(fā)現(xiàn)納微氣泡生成位置與壁面親疏水特性有關(guān)，且當脈沖加熱寬度為毫秒量級時，微汽泡成長與消失呈現(xiàn)出時間不對稱，據(jù)此提出了微汽泡擾動器設(shè)計原理。

項目共發(fā)表論文41篇，其中本領(lǐng)域最高影響因子國際期刊論文23篇，研究成果被SCI他引253次，單篇最高SCI他引36次，并6次受邀為重要國際會議主題報告，相關(guān)研究"界微觀尺度相變換熱"也已發(fā)表在國際傳熱學(xué)最權(quán)威年刊上。2005年美國ASME和AIChE兩大學(xué)會共同授予鄭平教授傳熱最高個人成就獎，認為其在微尺度傳熱領(lǐng)域的研究已處于國際領(lǐng)先水平。鄭教授還獲得2003年美國AIAA學(xué)會熱物理獎。他在傳熱學(xué)的最新成果己獲美國三大學(xué)會一致肯定。

主要發(fā)現(xiàn)點：  1. 納微通道中單相液體流動與傳熱特性的研究

首次發(fā)現(xiàn)并證實Navier-Stokes方程對亞微米微通道(Dh<200 m)液體流動仍然適用，指出通道截面形狀不同是導(dǎo)致微通道流動阻力實驗結(jié)果差異的主要原因，并提出了亞微米芯片微通道阻力準則關(guān)聯(lián)式（熱流體力學(xué)，論文#1）。首次發(fā)現(xiàn)疏水性微通道單相流動阻力和傳熱能力均小于親水性微通道，運用分子動力學(xué)模擬揭示了這一現(xiàn)象形成的內(nèi)在機理，并提出了考慮壁面親疏水特性、粗糙度特性等多種因素影響的微通道對流換熱準則關(guān)聯(lián)式（傳熱傳質(zhì)學(xué)，論文#4,#6）。基于人體呼吸循環(huán)系統(tǒng)輸運理念，首次提出了矩形分形微通道網(wǎng)絡(luò)概念，并從理論上證實該網(wǎng)絡(luò)較傳統(tǒng)平行微通道網(wǎng)絡(luò)具有低溫度梯度、高熱流密度、低泵功率的優(yōu)點（傳熱傳質(zhì)學(xué)，論文#2），為新型微電子芯片冷卻系統(tǒng)的設(shè)計提供了思路。

2. 微通道中相變流動與傳熱規(guī)律的研究

首次在亞微米微通道中觀察到泡狀沸騰現(xiàn)象，否定了之前關(guān)于微通道沸騰相變過程中無汽泡產(chǎn)生的所謂"擬沸騰理論"，為微通道正確核態(tài)沸騰理論的建立提供了科學(xué)依據(jù)(多相流動理論，論文#3)。首次發(fā)現(xiàn)微通道中存在三種獨特的沸騰相變模式，即：液相/汽液兩相交變流動模式（LTAF）、汽液兩相持續(xù)流動模式（CTF）、液相/汽液兩相/汽相交變流動模式（LTVAF），并揭示了各模式所遵循的溫度壓力波動規(guī)律，及其與不同流率和熱流強度間的關(guān)系(多相流動理論，論文#3,#7)。首次發(fā)現(xiàn)亞微米通道凝結(jié)相變流動過程中的"噴射流現(xiàn)象"及其演變規(guī)律(多相流動理論，論文#10)，為微型熱管開發(fā)提供了實驗依據(jù)。

3. 微通道中兩相流動與傳質(zhì)特性的研究

首次發(fā)現(xiàn)氣液環(huán)狀流不利于微型燃料電池中燃料的擴散，為提高燃料電池輸出功率，必須使電池陽極微通道中的兩相流工作在有利于質(zhì)傳遞的泡狀流區(qū)，并提出了微型燃料電池微通道中泡狀流、塞狀流、環(huán)狀流的出現(xiàn)條件（傳熱傳質(zhì)學(xué)，論文#9）。發(fā)現(xiàn)并揭示在相同反應(yīng)物流量條件下，減小微通道截面會加速燃料從微通道到電極反應(yīng)界面的質(zhì)擴散，進而提高微型燃料電池性能的事實及規(guī)律（傳熱傳質(zhì)學(xué)，論文#5），為微型燃料電池的設(shè)計提供了理論指導(dǎo)。

4.納微汽泡動力學(xué)行為與特性的研究

首次發(fā)現(xiàn)當脈沖加熱寬度由微秒增至毫秒量級時，微汽泡成長與消失呈現(xiàn)出時間不對稱，基于這一現(xiàn)象提出了微汽泡擾動器的設(shè)計原理和方法(多相流動理論，論文#8);首次發(fā)現(xiàn)納微汽泡產(chǎn)生位置與壁面親疏水特性有關(guān)，即親水性納米通道中，微汽泡易產(chǎn)生于管中央，而疏水性納米通道中，微汽泡易產(chǎn)生于管壁附近(多相流動理論，論文#24)，為微汽泡執(zhí)行器的設(shè)計提供了依據(jù)。

主要完成人：  1.   鄭平

（1）本人對推薦書主要發(fā)現(xiàn)點中第1至第4點均作出了重要貢獻，具體為：

1.全面主持納微系統(tǒng)中流體流動與傳熱傳質(zhì)的基礎(chǔ)研究（包括提出分型微通道網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)研究思路，制定相關(guān)研究計劃和方案），獲得了第1、第2點發(fā)現(xiàn)。

2.全面主持微型燃料電池中的傳熱傳質(zhì)和多相流問題的研究，獲得了第3點發(fā)現(xiàn)。

3.提出以周期性微汽泡生長與消失不對稱原理做微擾動器的設(shè)計，獲得了第4點發(fā)現(xiàn)。

（2）本人在本項目研究中的工作量占本人工作量的80%。

（3）支持本人貢獻的有代表性論文#1，#2，#3，#4，#5，#6，#7，#8，#9，#10。十篇代表性論文中除論文#9以外，其余九篇本人均為通訊作者。

2.   吳慧英

1）本人對推薦書主要發(fā)現(xiàn)點中第1和第2點作出了重要貢獻，具體為：

1.負責和實施微通道中單相流動與傳熱現(xiàn)象及規(guī)律的研究，獲得了第1點中關(guān)于微通道中單相液體流動阻力特性（對應(yīng)論文#1），單相液體換熱特性方面的發(fā)現(xiàn)（對應(yīng)論文#4）。

2.負責和實施微通道中相變（包括沸騰和凝結(jié)）流動和傳熱現(xiàn)象及規(guī)律的研究，獲得了第2點中的所有發(fā)現(xiàn)（對應(yīng)論文#3，#7，#10）。

（2）本人在本項目研究中的工作量占本人工作量的80%。

（3）支持本人貢獻的有代表性論文#1，#3，#4，#7，#10，在這些論文中，本人均為第1作者。

10篇代表性論文：  1.   Friction factors in smooth trapezoidal silicon microchannels with different aspect ratios / Int. J. Heat Mass Transfer, v.46, pp. 2519-2525 (2003)

2.   Heat Transfer and Pressure Drop in a Fractal-Tree-Like Microchannel / Int. J. Heat Mass Transfer, v.45, pp.2643-2648 (2002)

3.   Visualization and Measurements of Periodic Boiling in Silicon Microchannels / Int. J. Heat Mass Transfer. V.46, pp.2603 - 2614 (2003)

4.   An Experimental Study of Convective Heat Transfer in Silicon Microchannels with Different Surface Conditions / Int. J. Heat Mass Transfer, v.46, pp. 2547-2556 (2003)

5.   Fabrication of Miniature Silicon Wafer Fuel Cells with Improved Performance / J. of Power Sources, v.124, pp.40-46, (2003).

6.   Effects of Interface Wettability on Microscale Flow by Molecular Dynamics Simulation / Int. J. Heat Mass Transfer, v.47,pp.501-513 (2004).

7.   Boiling Instabilities in Parallel Silicon Microchannels at different Heat Flux / Int. J. of Heat & Mass Transfer, v.47,pp.3631-3641 (2004)

8.   The Growth and Collapse of a Micro Bubble Under Pulse Heating / Int. J. Heat Mass Transfer , v.46, pp.4041-4050 (2003)

9.   Gas-Liquid Two-Phase Flow Patterns in a Miniature Square Channel with a Gas Permeable Sidewall / Int. J. Heat Mass Transfer, v. 47, pp.5725-5739 (2004)

10.  Condensation Flow Patterns in Microchannels / Int. J Heat Mass Transfer, v.48, pp.2186-2197 (2005)