微/纳米通道电解质溶液流动传热调控研究

摘要

微流控芯片广泛应用在微电子和微机电系统技术等领域，电子元件的能耗和发热功率增大而引起温度升高直接影响系统工作的稳定性和可靠性，因此必须对电子设备进行有效散热。本文基于双电层模型和微/纳米通道内的动电输运特性研究电解质溶液在微/纳米通道内流动传热特性。
　　本研究主要内容包括：⑴完善微/纳米通道内双电层的理论模型，首次考虑了Stern层和多种离子效应，采用Poisson方程、Nernst-Planck方程和Navier-Stokes方程对pH调控纳米通道中的动电过程进行了耦合研究和数值模拟。研究当离子溶液的浓度和pH值变化时，分析Stern层对纳米通道的表面电荷密度、Zeta电势、ICP效应、电导率等性能的影响大小和原因，分析了忽略Stern层时对计算精度的影响。⑵考虑能量方程，系统研究压力驱动、电动驱动等不同驱动力条件下电解质溶液在微/纳米通道中的对流换热问题。推导出无量纲控制方程，找到核心准则数，通过数值模拟，研究了电解质溶液在矩形微通道中的流动和传热特性。提出利用场效应晶体管改变微通道表面电势，进而改变微通道换热性能的微通道换热调控手段，数值分析了电势大小对微通道Nu数的影响规律。⑶研究了在电场和磁场的耦合驱动作用下，电解质溶液在三维微通道中流动和传热特性。推导出无量纲控制方程，找到核心特征参数，通过数值模拟，分析传热特性随着特征数变化趋势。通过合理设计正交实验，利用极差分析法对计算结果进行对比，得出各影响因素的主次关系和最佳调节方案，最后对主要影响的特征数进行敏感性分析，实现对微通道的换热性能的调控。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2国内外研究现状分析

1.3本文研究内容

第2章 含Stern层的电渗流动模拟

2.1引言

2.2 数学模型

2.3结果和讨论

2.4本章小结

第3章 动电效应作用下电解质溶液在微通道中的流动和传热特性研究

3.1引言

3.2 数学模型描述

3.3 结果和讨论

3.4 通过施加FET效应来调控微通道的换热特性

3.5 本章小结

第4章 电磁调控微通道内电解质溶液换热研究

4.1 引言

4.2 数学模型介绍

4.3 模型验证

4.4 微通道内的洛伦兹力

4.5 磁场大小对微通道传热特性的影响

4.6 磁场方向角对微通道传热特性的影响

4.7 电势大小对微通道传热特性的影响

4.8 正交实验设计

4.9 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢