項目名稱：    微細通道內對流換熱與沸騰的尺度效應

推薦單位：    教育部

項目簡介：    屬工程技術科學領域中工程熱物理學科，針對電子器件等冷卻技術的應用基礎研究。

隨科學技術發展走向縱深和微細化，物理現象和規律表現出強烈微尺度和瞬時作用的特殊效應，對經典傳熱傳質理論提出挑戰，形成朝微/納尺度特殊傳熱傳質現象研究的嶄新學科前沿。本項目研究5－1000微米量級通道內液體對流與沸騰傳熱特性，探析揭示尺度微細化產生的傳熱現象與規律變異，嘗試為利用微細通道強化傳熱及其它應用提供基礎數據和理論依據，內容包括微細通道內液體流動與對流換熱；沸騰核化和沸騰傳熱；微尺度沸騰核化與氣泡動力學特性探析。

1)發現微細通道內沸騰核化因尺度減小更加困難，出現異于常規的核沸騰特性；提出"氣化空間"和"擬沸騰"新概念詮釋物理機制，具體闡明尺度效應產生的變異特征和過程特性；發現并描述出氣泡相互作用、非線性振蕩等行為和相關影響，開拓出嶄新的科學研究方向。

2)從相穩定性、胚泡演化和擾動作用、微觀活化與分子團聚統計特征等角度，揭示出沸騰與尺度的內在聯系、相失穩和界面演化微觀物理本質，具體給出核化和沸騰形成條件、演變等行為規律，賦予"氣化空間"與"擬沸騰"具體和明確的內涵，形成了獨特的基本理論框架。

3)發現和描述微細通道內單相液體層流湍流和傳熱形態轉變等的變異規律；確認尺度效應特征，總結出流動和傳熱的重要實驗關聯式；系統積累相關對流和傳熱實驗數據；構成了變異現象認識和機理探索體系。

本研究拓展了經典傳熱傳質研究內涵，形成嶄新的基礎探索新領域和獨特研究體系。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換等中得到實際應用。該項目發表系列論文150余篇，SCI摘錄90篇，為國際學術前沿進展叢書貢獻3個章節，論文他引805篇次，10篇代表性論文他引442篇次。

主要發現點：  1)提出"氣化空間"和"擬沸騰"二個概念描述微通道內沸騰核化現象，具體闡明尺度效應產生的變異特征和過程特性；前者表明核沸騰的產生或氣泡的生成，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現；后者具體描述微通道內已具備相變條件而未核化的液體的狀態，即處于高度非平衡性和快速氣泡產生與湮滅的物理過程，合理地詮釋現象的物理機制(工程傳熱、傳質學：沸騰)[3,8-9]。

2)從相穩定性、胚泡動態演化和擾動作用、微觀活化分子與團聚的動力學統計特征等角度，描述沸騰與時空尺度的內在聯系，揭示出相失穩和界面演化微觀物理本質和對沸騰的作用，提出了幾種不同物理模型，分別導出核化條件和沸騰的形成、演變等動力學行為規律，賦予"氣化空間"與"擬沸騰"具體而明晰的內涵，形成以微觀認識和界面描述為核心的微結構內沸騰現象認識的基本理論框架(工程傳熱、傳質學：沸騰)[3,8-10]。

3)實驗和理論分析確認，單相流動和傳熱的具體尺度效應，可用通道高、寬、水力直徑、槽間中心距、單位尺度微槽數目等組成的幾何特性參數進行描述，也包括新或變異現象的界定與內在涵義，表面粗糙度、進口效應與流量分配、各種界面效應等的影響，實驗測試的精準度、整理數據和描述過程的特征物理參數選取等，在正確認識和理解現象中也扮演著重要角色(工程傳熱、傳質學：受迫對流傳熱)[3-6,9]。

4)微細通道內沸騰顯著受尺度減小的影響，核化將更困難，要在比常規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，傳熱性能仍具有通常核沸騰的特征和相當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，多數很不穩定且會被湮滅；氣泡生長則呈球狀和柱狀二個階段，發現并描述出它們之間之間的相互作用、非線性振蕩等行為；實驗分析了流速、幾何結構尺度、過冷度以及組分濃度等對沸騰核化和沸騰傳熱的影響(工程傳熱、傳質學：流動沸騰與傳熱)[1,3,7-10]。

5)系統積累微細通道內單相液體，包括單組分和混合液體等對流和換熱實驗數據資料，在所研究的范圍內發現和描述層流與湍流流動、傳熱特性和形態轉變等的變異規律，依尺度大小不同Re=100-500時就顯示出流態失穩特征，Re=200-1000就能完成向湍流的過渡，Re=300-1500時即可呈現旺盛湍流特征，流動和傳熱過渡區都明顯縮小，實驗總結導出層流和湍流阻力與傳熱經驗關聯式(工程傳熱、傳質學：受迫對流傳熱)[1-6,9]。

主要完成人：  1.   彭曉峰

1）對本研究主要發現點1－5做出了創造性貢獻；

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）在該項研究中的工作量占本人工作量的75％。

2.   王補宣

1）對本研究主要發現點1－5做出了創造性貢獻；

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