微纳薄膜传热及微气泡动力学研究

摘要

近年来自然科学和工程技术发展的一个重要趋势是朝微型化迈进，微器件尤其是微电子机械系统正被应用于各个新兴行业。在器件的微型化过程中，发现了诸多宏观流体力学和传热学难以解释的现象，这些现象称为微尺度效应，由于微器件中存在大量的传热和传质交换，因此微尺度热效应是微尺度效应的一个重要分支。 本文在微流体控制的应用背景下，以微传感器、微执行器等微器件广泛采用的薄膜微加热器为对象，从如下三个角度探讨薄膜微加热器的微尺度效应与微气泡动力学现象： 1.气泡产生前薄膜微加热器的温度场研究 由于微尺度效应薄膜微加热器的温度具有与常规尺度下的加热器不同的温度场分布，而目前薄膜加热器上的温度主要根据加热膜的电阻一温度校正曲线，通过获取通过加热膜的电阻来间接测得薄膜加热器上的温度，而此温度为薄膜上的平均温度值。本文通过数学理论推导，获得了方形薄膜微加热器上温度的数学分析解，并据此得到了加热膜上的三维温度场分布。经过与现有的实验结果进行对比后证明此分析解符合物理实际。 2.微气泡底层的薄液膜研究 对薄膜微加热器表面加热后，所产生气泡与加热膜之间存在一层薄液膜。有关薄液膜方面主要集中在对管内产生的气弹和管壁之间的液膜研究，有关微加热膜表面受热后产生气泡和加热膜表面之间薄液膜的研究还比较少。本文在气泡动力学的基础上，通过数学分析，采用高阶runge-kutta方法对一定加热热流密度下的薄液膜进行了计算，并对所得结果进行分析，得到了较好的效果。 3.强制对流条件下的微气泡动力学研究 理解和认识微加热器上的汽泡动力学特性对于微流控系统中微汽泡执行器的设计和运行都具有重要的指导意义。目前，微加热器上的汽泡动力学特性研究仍是国际研究的前沿热点，而对强制对流条件下的微气泡动力学方面的研究比较欠缺。本文采用MEMS工艺，设计并制作了一种尺寸为100μm×20μm的Pt薄膜微加热器，并置于硅通道内。对在液体工质的冲刷和脉冲加热条件下产生的气泡型态进行了分类，并研究了不同参数，如脉冲频率、占空比、液体工质流速等对微气泡动力学的影响；对脱离加热膜后通道内的气泡流型进行了分析；将微加热膜上的沸腾曲线与常规沸腾曲线进行对比，并对其异同进行了归纳总结。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：主要术语表

声明

第1章 绪论(微尺度传热及强制对流下的气泡动力学研究概论)

1.1微尺度概念

1.1.1微尺度效应

1.1.2表征微尺度效应的无量纲数

1.2微尺度传热与流动

1.3微尺度传热研究的理论模型

1.3.1 Lattice-Boltzmann方法

1.3.2分子动力学模型

1.4微尺度传热与微流体应用

1.4.1薄膜中的热传导

1.4.2微小电子器件的冷却及微型换热器

1.4.3微热管

1.4.4微尺度燃烧

1.5微流体控制系统

1.5.1 MEMS

1.5.2微流控系统

1.5.3微流控学科的发展历程

1.5.4热学在微流控中的典型应用背景

1.6微尺度相变数值研究方法

1.7热学微流控系统中的相变传热的研究现状和存在问题

1.8微尺度流动沸腾研究进展

1.9微加热元上的汽泡动力学研究进展

1.10本文的研究目的和研究内容

1.10.1薄膜微加热器上温度场研究

1.10.2微气泡底层的薄液膜研究

1.10.3强制对流条件下的微气泡动力学研究

参考文献

第2章微加热器的温度场研究

2.1 前言

2.2一维稳态热扩散方程分析解

2.3二维温度场分析解

2.4微加热器的三维温度场求解方法

2.4.1控制方程

2.4.2边界条件和初始条件的设置

2.5三维导热方程的无量纲化

2.6无量纲方程的分析解

2.7分析解与实验结果的对比

2.8一维分析解和三维分析解对比

2.9结果与讨论

2.9.1无量纲时间ξ

2.9.2微加热器长度的影响

2.9.3微加热膜宽度的影响

2.9.4加热膜厚度的影响

2.10结论

参考文献

第3章微气泡底层的薄液膜研究

3.1 前言

3.2表征微液层理论的方程组

3.3结果与讨论

3.4结论

参考文献

第4章脉冲加热下强制对流沸腾的微气泡动力学研究

4.1 引言

4.2实验装置和实验方法

4.3微加热器温度-电阻校准曲线和加热热流密度公式

4.4误差分析

4.5结果与讨论

4.5.1气泡型态

4.5.2气泡脱离加热膜后的聚合现象

4.5.3气泡脱离直径Dd

4.5.4较高加热频率下的气泡长缩规律

4.5.5低频率下的气泡震荡规律

4.5.6强制对流沸腾与池沸腾条件下气泡生成特点比较

4.5.7强制对流沸腾下的沸腾曲线比较

4.5.8纳米气泡效应

4.6结论

参考文献

第5章结论与展望

5.1本文的主要结论

5.2展望与建议

附录 微液层计算程序

攻读博士学位期间发表的论文目录

致谢