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《中国科学技术大学》 2006年
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硅基微通道内流动与传热的可视化测量及其规律的研究

甘云华  
【摘要】:各种微系统的迅速发展,为微流体的流动与传热研究提出了迫切的要求。本文主要针对微流体在硅基微通道内的单相和汽液两相流动与传热进行了系统的实验研究。 本研究采用标准的微电子机械系统加工工艺,设计并加工了2种不同结构的硅基微通道实验段。一种为常规结构的并联硅基微通道,另一种为基于“热边界层再发展概念”设计出的新型结构的并联硅基微通道。这2种不同结构的硅基微通道的水力直径均为155.3微米,且具有可比性。建立了微流体光学平台,形成了一整套的微流体实验系统。 采用水和甲醇为工质,在常规结构硅基微通道内进行了单相强制对流换热实验研究。基于实验结果,得出了摩擦常数及努塞尔数的实验关联式。 在相近的工况下,以水为工质进行了新型结构微通道与常规结构微通道之间流动与传热特性的对比实验研究。结果表明采用新型结构能在强化传热的同时降低微通道进出口压差。 以丙酮为工质,在常规结构硅基微通道内进行了沸腾传热实验研究。所有微通道中均产生微时间尺度的瞬变流动,其瞬变流型的周期为毫秒量级。1个完整的周期可以分成3个子过程。观测到了4种不同的汽液两相流流型,统计分析显示这4种流型出现的概率满足统计规律。还观察到了“微汽泡爆炸现象”。 通过绘制壁面过热度及质量流速随热流密度的变化关系,鉴别出了沸腾起始点。根据观测到的瞬变流型,鉴别出了5种沸腾传热机制。 基于无量纲的沸腾数,将沸腾传热划分成了3个不同的区域,并给出了区域间的转换准则。不同的沸腾传热区域内起主导作用的沸腾传热机制是不同的,从而揭示了控制微尺度沸腾传热的统一规律。通过选取合适的沸腾数范围,可以获得均匀的壁面温度场。 在核态沸腾传热机制控制下,沸腾传热系数及壁面温度场仅与热流密度有关。基于核态沸腾传热实验结果,提出了2个不同形式的核态沸腾传热系数实验关联式,都能对本核态沸腾传热实验结果进行较好的预测。 在强制对流沸腾传热机制控制下,沸腾传热系数主要取决于质量流速,而受热流密度的影响较小。基于强制对流沸腾传热实验结果,提出了1个新的强制对流沸腾传热系数实验关联式。该实验关联式能对本强制对流沸腾传热实验结果进行很好的预测。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:TK124

【引证文献】
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1 刘东;高热流密度微结构散热器换热特性的研究[D];中国科学技术大学;2011年
2 白鹏飞;多孔型微细通道强化传热结构的制造及传热性能研究[D];华南理工大学;2010年
3 柴磊;周期性扩缩微通道单相及两相流动传热特性研究[D];北京工业大学;2012年
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1 杨康骏;微/纳尺度竖直孔型结构中IPA的蒸发特性研究[D];上海交通大学;2010年
2 秦杰;仿生微流道散热器结构优化及流动散热特性研究[D];电子科技大学;2012年
【参考文献】
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【共引文献】
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5 段仁庆;黎永前;刘冲;;显微粒子图像测速计算方法[A];中国微米、纳米技术第七届学术会年会论文集(一)[C];2005年
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2 连文磊;磁性液体热磁对流与传热机理[D];南京理工大学;2010年
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7 孙岩;微/小通道内微多孔表面流动沸腾传热强化研究[D];华东理工大学;2011年
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9 陈飚松;热传导与结构耦合系统的灵敏度分析及优化设计[D];大连理工大学;2002年
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1 刘宇;烧结微多孔表面在饱和FC-72中沸腾传热效果评价[D];华东理工大学;2011年
2 张立伟;基于热学原理的小通道气液两相段塞流参数检测方法研究[D];浙江大学;2011年
3 杨炎超;投影机水冷散热系统设计[D];南京理工大学;2010年
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7 单绍荣;管径及侧向载荷对管内沸腾两相流流动和传热影响[D];南京航空航天大学;2009年
8 葛春醒;纳米孔隙气相导热系数的分子动力学模拟[D];哈尔滨工业大学;2010年
9 刘君;微通道流动特性的数值分析[D];哈尔滨工业大学;2010年
10 王秋香;微管换热器传热与流动性能的实验研究[D];天津大学;2010年
【同被引文献】
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2 夏国栋;柴磊;齐景智;;梯形硅基微通道热沉流体流动与传热特性研究[J];北京工业大学学报;2011年07期
3 谢永奇,余建祖,赵增会,秦彦;矩形微槽内FC-72的单相流动和换热实验研究[J];北京航空航天大学学报;2004年08期
4 王锐延;半导体晶圆自动清洗设备[J];电子工业专用设备;2004年09期
5 闫志瑞;半导体硅片清洗工艺发展方向[J];电子工业专用设备;2004年09期
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10 张春平;唐大伟;韩鹏;祝捷;;粗糙度对微细圆管内流动特性影响的摄动分析[J];工程热物理学报;2008年05期
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1 夏再忠;导热和对流换热过程的强化与优化[D];清华大学;2001年
2 余黎明;气液传质过程的Marangoni效应研究[D];天津大学;2005年
3 张春平;粗糙度对微细通道内流动与换热特性影响的实验研究与理论分析[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2007年
4 李卓;微细通道内单相和两相阻力损失特性的研究[D];北京工业大学;2007年
5 云和明;细通道单相流动和传热特性的研究[D];山东大学;2007年
6 赵锐;喷雾冷却传热机理及空间换热地面模拟研究[D];中国科学技术大学;2009年
7 王艳;基于MEMS加工工艺的复杂结构微通道散热器研究[D];上海交通大学;2009年
8 王亚青;喷雾冷却无沸腾区换热特性研究[D];中国科学技术大学;2010年
9 白鹏飞;多孔型微细通道强化传热结构的制造及传热性能研究[D];华南理工大学;2010年
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1 葛浩;新型微通道热沉的设计和数值研究[D];上海交通大学;2007年
2 俞勇强;微孔中流体扩散系数的分子动力学模拟[D];浙江大学;2006年
3 齐景智;微通道热沉内流体流动与传热特性研究[D];北京工业大学;2007年
【二级引证文献】
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2 贺占蜀;交错互通微通道多孔网格板制造及其强化传热研究[D];华南理工大学;2011年
3 柴磊;周期性扩缩微通道单相及两相流动传热特性研究[D];北京工业大学;2012年
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1 彭博;高效细薄膜蒸发器的实验研究[D];大连海事大学;2012年
【二级参考文献】
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1 过增元;;当前国际传热界的热点——微电子器件的冷却[J];中国科学基金;1988年02期
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【相似文献】
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3 李斌,赵建福,周芳德,唐泽眉,胡文瑞;环形窄通道内流动沸腾换热及两相流型研究[J];应用基础与工程科学学报;2003年01期
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3 霍彦婷;点面电极系统的微流体驱动机理分析与实验研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 蔺怡;惯性微流体导电开关的稳健优化设计[D];西南科技大学;2012年
5 武东健;基于粘度修正理论的微流体阻尼特性分析[D];西安电子科技大学;2005年
6 徐良基;微流体电泳芯片紫外/可见吸收检测系统的构建及应用研究[D];中国科学院研究生院(上海微系统与信息技术研究所);2004年
7 卢照升;微流体电测量及其能量转换的研究[D];中国科学技术大学;2010年
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