項(xiàng)目名稱：    微細(xì)通道內(nèi)對(duì)流換熱與沸騰的尺度效應(yīng)

推薦單位：    教育部

項(xiàng)目簡(jiǎn)介：    屬工程技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域中工程熱物理學(xué)科，針對(duì)電子器件等冷卻技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)研究。

隨科學(xué)技術(shù)發(fā)展走向縱深和微細(xì)化，物理現(xiàn)象和規(guī)律表現(xiàn)出強(qiáng)烈微尺度和瞬時(shí)作用的特殊效應(yīng)，對(duì)經(jīng)典傳熱傳質(zhì)理論提出挑戰(zhàn)，形成朝微/納尺度特殊傳熱傳質(zhì)現(xiàn)象研究的嶄新學(xué)科前沿。本項(xiàng)目研究5－1000微米量級(jí)通道內(nèi)液體對(duì)流與沸騰傳熱特性，探析揭示尺度微細(xì)化產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象與規(guī)律變異，嘗試為利用微細(xì)通道強(qiáng)化傳熱及其它應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)，內(nèi)容包括微細(xì)通道內(nèi)液體流動(dòng)與對(duì)流換熱；沸騰核化和沸騰傳熱；微尺度沸騰核化與氣泡動(dòng)力學(xué)特性探析。

1)發(fā)現(xiàn)微細(xì)通道內(nèi)沸騰核化因尺度減小更加困難，出現(xiàn)異于常規(guī)的核沸騰特性；提出"氣化空間"和"擬沸騰"新概念詮釋物理機(jī)制，具體闡明尺度效應(yīng)產(chǎn)生的變異特征和過程特性；發(fā)現(xiàn)并描述出氣泡相互作用、非線性振蕩等行為和相關(guān)影響，開拓出嶄新的科學(xué)研究方向。

2)從相穩(wěn)定性、胚泡演化和擾動(dòng)作用、微觀活化與分子團(tuán)聚統(tǒng)計(jì)特征等角度，揭示出沸騰與尺度的內(nèi)在聯(lián)系、相失穩(wěn)和界面演化微觀物理本質(zhì)，具體給出核化和沸騰形成條件、演變等行為規(guī)律，賦予"氣化空間"與"擬沸騰"具體和明確的內(nèi)涵，形成了獨(dú)特的基本理論框架。

3)發(fā)現(xiàn)和描述微細(xì)通道內(nèi)單相液體層流湍流和傳熱形態(tài)轉(zhuǎn)變等的變異規(guī)律；確認(rèn)尺度效應(yīng)特征，總結(jié)出流動(dòng)和傳熱的重要實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式；系統(tǒng)積累相關(guān)對(duì)流和傳熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；構(gòu)成了變異現(xiàn)象認(rèn)識(shí)和機(jī)理探索體系。

本研究拓展了經(jīng)典傳熱傳質(zhì)研究?jī)?nèi)涵，形成嶄新的基礎(chǔ)探索新領(lǐng)域和獨(dú)特研究體系。成果已在微電子等冷卻散熱、航天熱控制、高效傳熱和微型能源轉(zhuǎn)換等中得到實(shí)際應(yīng)用。該項(xiàng)目發(fā)表系列論文150余篇，SCI摘錄90篇，為國際學(xué)術(shù)前沿進(jìn)展叢書貢獻(xiàn)3個(gè)章節(jié)，論文他引805篇次，10篇代表性論文他引442篇次。

主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)：  1)提出"氣化空間"和"擬沸騰"二個(gè)概念描述微通道內(nèi)沸騰核化現(xiàn)象，具體闡明尺度效應(yīng)產(chǎn)生的變異特征和過程特性；前者表明核沸騰的產(chǎn)生或氣泡的生成，因相變過程氣、液相密度的巨大差異，需要有足夠大的空間才能實(shí)現(xiàn)；后者具體描述微通道內(nèi)已具備相變條件而未核化的液體的狀態(tài)，即處于高度非平衡性和快速氣泡產(chǎn)生與湮滅的物理過程，合理地詮釋現(xiàn)象的物理機(jī)制(工程傳熱、傳質(zhì)學(xué)：沸騰)[3,8-9]。

2)從相穩(wěn)定性、胚泡動(dòng)態(tài)演化和擾動(dòng)作用、微觀活化分子與團(tuán)聚的動(dòng)力學(xué)統(tǒng)計(jì)特征等角度，描述沸騰與時(shí)空尺度的內(nèi)在聯(lián)系，揭示出相失穩(wěn)和界面演化微觀物理本質(zhì)和對(duì)沸騰的作用，提出了幾種不同物理模型，分別導(dǎo)出核化條件和沸騰的形成、演變等動(dòng)力學(xué)行為規(guī)律，賦予"氣化空間"與"擬沸騰"具體而明晰的內(nèi)涵，形成以微觀認(rèn)識(shí)和界面描述為核心的微結(jié)構(gòu)內(nèi)沸騰現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的基本理論框架(工程傳熱、傳質(zhì)學(xué)：沸騰)[3,8-10]。

3)實(shí)驗(yàn)和理論分析確認(rèn)，單相流動(dòng)和傳熱的具體尺度效應(yīng)，可用通道高、寬、水力直徑、槽間中心距、單位尺度微槽數(shù)目等組成的幾何特性參數(shù)進(jìn)行描述，也包括新或變異現(xiàn)象的界定與內(nèi)在涵義，表面粗糙度、進(jìn)口效應(yīng)與流量分配、各種界面效應(yīng)等的影響，實(shí)驗(yàn)測(cè)試的精準(zhǔn)度、整理數(shù)據(jù)和描述過程的特征物理參數(shù)選取等，在正確認(rèn)識(shí)和理解現(xiàn)象中也扮演著重要角色(工程傳熱、傳質(zhì)學(xué)：受迫對(duì)流傳熱)[3-6,9]。

4)微細(xì)通道內(nèi)沸騰顯著受尺度減小的影響，核化將更困難，要在比常規(guī)尺度更高的過熱度和熱流密度下，才能觀察到微小氣泡生成，但既使在較低過熱度(2－8度或更低)和沒有可觀察到的氣泡生成時(shí)，傳熱性能仍具有通常核沸騰的特征和相當(dāng)或更高的傳熱熱流密度；在很高過熱度或熱流密度下可觀察到非常多微小氣泡生成，多數(shù)很不穩(wěn)定且會(huì)被湮滅；氣泡生長(zhǎng)則呈球狀和柱狀二個(gè)階段，發(fā)現(xiàn)并描述出它們之間之間的相互作用、非線性振蕩等行為；實(shí)驗(yàn)分析了流速、幾何結(jié)構(gòu)尺度、過冷度以及組分濃度等對(duì)沸騰核化和沸騰傳熱的影響(工程傳熱、傳質(zhì)學(xué)：流動(dòng)沸騰與傳熱)[1,3,7-10]。

5)系統(tǒng)積累微細(xì)通道內(nèi)單相液體，包括單組分和混合液體等對(duì)流和換熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資料，在所研究的范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)和描述層流與湍流流動(dòng)、傳熱特性和形態(tài)轉(zhuǎn)變等的變異規(guī)律，依尺度大小不同Re=100-500時(shí)就顯示出流態(tài)失穩(wěn)特征，Re=200-1000就能完成向湍流的過渡，Re=300-1500時(shí)即可呈現(xiàn)旺盛湍流特征，流動(dòng)和傳熱過渡區(qū)都明顯縮小，實(shí)驗(yàn)總結(jié)導(dǎo)出層流和湍流阻力與傳熱經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(工程傳熱、傳質(zhì)學(xué)：受迫對(duì)流傳熱)[1-6,9]。

主要完成人：  1.   彭曉峰

1）對(duì)本研究主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1－5做出了創(chuàng)造性貢獻(xiàn)；

2）為10篇代表性論文中9篇論文（第1和3－10篇）的第一作者，第2篇論文的第二作者；

3）在該項(xiàng)研究中的工作量占本人工作量的75％。

2.   王補(bǔ)宣

1）對(duì)本研究主要發(fā)現(xiàn)點(diǎn)1－5做出了創(chuàng)造性貢獻(xiàn)；

2）為10篇代表性論文中第2篇論文的第一作者，第1、3、4、9共4篇的第二作者，第7、8篇的第三作者和第10篇的第五作者；

3）在該項(xiàng)研究中的工作量占本人工作量的55％。

10篇代表性論文：  1.   Forced Convection and Flow Boiling Heat Transfer for Liquid Flowing Through Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer

2.   Experimental Investigation on Liquid Forced Convection Heat-Transfer Through Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer

3.   Liquid Flow and Heat Transfer in Microchannels with/without Phasechange / Heat Transfer 1994

4.   Experimental Investigation of Heat-Transfer in Flat Plates with Rectangular Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer

5.   The Effect of Thermofluid and Geometrical Parameters on Convection of Liquids Through Rectangular Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer

6.   Convective Heat Transfer and Flow Friction for Water Flow in Microchannel Structures / International Journal of Heat and Mass Transfer

7.   Flow Boiling of Binary Mixtures in Microchanneled Plates / International Journal of Heat and Mass Transfer

8.   Boiling Nucleation During Liquid Flow in Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer

9.   Force-convection and Boiling Characteristics in Microchannels / Heat Transfer 1998

10.  Cluster Dynamics and Fictitious Boiling in Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer