項目名稱：    納微尺度流體流動與傳熱傳質的基礎研究

推薦單位：    上海市

項目簡介：    本項目隸屬工程熱物理領域并涉及多學科交叉。項目針對近年來納微系統中不斷涌現出的新的流體流動與傳熱傳質問題，在國家自然科學基金委、上海市科委、香港研究資助局資助下，借助于先進實驗和數值模擬手段，經六年多研究，在納微尺度單相流動傳熱規律、相變流動傳熱規律、氣液兩相流動傳質規律、汽泡動力學行為等前沿科學領域取得了一系列重要發現和成果。

納微系統與常規系統相比，由于尺度不同，各種界面特性及表面作用力影響更為突出，尤其在發生相變流動時，表面張力會導致流型發生變化，進而影響傳熱傳質過程。因此，探索納微系統流體流動與傳熱傳質與常規系統的異同性及新規律具有重要科學意義。本項目首次發現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絡結構，為微電子芯片冷卻開辟了新思路。首次發現微汽泡可產生于亞微米通道中，并發現微通道中的三種獨特沸騰相變模式及其引起的非穩定溫度壓力振蕩現象；首次發現亞微米通道凝結流動過程中的"噴射流現象"及其演變規律，為微型熱管開發提供了依據。首次發現微通道中氣液兩相泡狀流比環狀流更利于燃料質擴散，為高功率微型燃料電池設計提供依據。首次發現納微氣泡生成位置與壁面親疏水特性有關，且當脈沖加熱寬度為毫秒量級時，微汽泡成長與消失呈現出時間不對稱，據此提出了微汽泡擾動器設計原理。

項目共發表論文41篇，其中本領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，相關研究"界微觀尺度相變換熱"也已發表在國際傳熱學最權威年刊上。2005年美國ASME和AIChE兩大學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域的研究已處于國際領先水平。鄭教授還獲得2003年美國AIAA學會熱物理獎。他在傳熱學的最新成果己獲美國三大學會一致肯定。

主要發現點：  1. 納微通道中單相液體流動與傳熱特性的研究

首次發現并證實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致微通道流動阻力實驗結果差異的主要原因，并提出了亞微米芯片微通道阻力準則關聯式（熱流體力學，論文#1）。首次發現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，運用分子動力學模擬揭示了這一現象形成的內在機理，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聯式（傳熱傳質學，論文#4,#6）。基于人體呼吸循環系統輸運理念，首次提出了矩形分形微通道網絡概念，并從理論上證實該網絡較傳統平行微通道網絡具有低溫度梯度、高熱流密度、低泵功率的優點（傳熱傳質學，論文#2），為新型微電子芯片冷卻系統的設計提供了思路。

2. 微通道中相變流動與傳熱規律的研究

首次在亞微米微通道中觀察到泡狀沸騰現象，否定了之前關于微通道沸騰相變過程中無汽泡產生的所謂"擬沸騰理論"，為微通道正確核態沸騰理論的建立提供了科學依據(多相流動理論，論文#3)。首次發現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律，及其與不同流率和熱流強度間的關系(多相流動理論，論文#3,#7)。首次發現亞微米通道凝結相變流動過程中的"噴射流現象"及其演變規律(多相流動理論，論文#10)，為微型熱管開發提供了實驗依據。

3. 微通道中兩相流動與傳質特性的研究

首次發現氣液環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傳遞的泡狀流區，并提出了微型燃料電池微通道中泡狀流、塞狀流、環狀流的出現條件（傳熱傳質學，論文#9）。發現并揭示在相同反應物流量條件下，減小微通道截面會加速燃料從微通道到電極反應界面的質擴散，進而提高微型燃料電池性能的事實及規律（傳熱傳質學，論文#5），為微型燃料電池的設計提供了理論指導。

4.納微汽泡動力學行為與特性的研究

首次發現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出時間不對稱，基于這一現象提出了微汽泡擾動器的設計原理和方法(多相流動理論，論文#8);首次發現納微汽泡產生位置與壁面親疏水特性有關，即親水性納米通道中，微汽泡易產生于管中央，而疏水性納米通道中，微汽泡易產生于管壁附近(多相流動理論，論文#24)，為微汽泡執行器的設計提供了依據。

主要完成人：  1.   鄭平

（1）本人對推薦書主要發現點中第1至第4點均作出了重要貢獻，具體為：

1.全面主持納微系統中流體流動與傳熱傳質的基礎研究（包括提出分型微通道網絡結構研究思路，制定相關研究計劃和方案），獲得了第1、第2點發現。

2.全面主持微型燃料電池中的傳熱傳質和多相流問題的研究，獲得了第3點發現。

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計，獲得了第4點發現。

（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現點中第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象及規律的研究，獲得了第1點中關于微通道中單相液體流動阻力特性（對應論文#1），單相液體換熱特性方面的發現（對應論文#4）。

2.負責和實施微通道中相變（包括沸騰和凝結）流動和傳熱現象及規律的研究，獲得了第2點中的所有發現（對應論文#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)