微尺度液体电渗流采LBM及连续介质的跨越
（2004）；
分子动力学模拟计算凝结系数也有不少研究，但
是尚未跨越；
总体上国内跨越研究几近空白。
32
四、 开展我国热流科学跨尺度模拟研究建议
跨尺度热流科学模拟原理与方法研究是热流科
学的基础研究，建议国家自然科学基金委予以积极
支持； 除了每种尺度模拟方法本身的进一步完善外， 关键要从过程的第一原理出发，发展处理跨越区内
20世纪生物学与分子研究碰撞出分子生物学。
19
1.ห้องสมุดไป่ตู้ 热流现象的尺度范围
图12 热流科学研究对象的时间尺度
20
图13 热流科学研究对象的空间尺度 21
1.3 换热器尺度已经跨越3个数量级
图14 换热器的多尺度范围
22
1.4 解决跨尺度模拟与预测可以在更高层次上强化 迁移过程 以相变换热为例，尽管传热学基本原理已经 指出，尖锋可以强化膜状凝结，表面上的凹坑可 以强化沸腾换热，但是尖峰与凹坑的形状又是千 奇百怪，目前国内外已经开发出多种形式的这类 表面。究竟哪一种形式最好，目前完全依靠经验 与实验。 23
PHOENICS， FLUENT， STAR-CD 也不能幸免。 因为蒸汽如何变成液体的过程连续介质模型的控制 方程是没法模拟的，必须采用分子动力学模拟的方 法。 15
图9 经验关联式 对结果的影响
16
对内径8毫米的
管子在壁面上产生
0.1 微米厚的凝结 液体大约需要6百万 个分子。
图10 管内凝结的 分子动力学模拟 预测
Hitachi Review, 1975, 24(8):329-334
图18 二维微肋管
27
图19 三维微肋管
28
下一步该怎样走？从学术上需要有更高层次
的理论与研究方法来指导。
研究跨尺度模拟原理与高效方法是重要途径
之一。 微纳米传热学的发展更需要研究跨尺度的模 拟问题。
29
三、 目前国内外研究情况
f
0.1 10
100
1000
Re
图
直径为 D=172微米的不锈钢管实验测定结果
10
1
He N2 f=64/Re -0.25 f=0.3164Re Colebrook(/D=0.08)
f
0.1 10
100
1000
Re
图
直径为 D=119微米的不锈钢管实验测定结果
10
2.2 气体稀薄性与可压缩性的影响
膜电阻做加热器，通过推进剂分子（水蒸气或氩气）
与加热器壁面的碰撞，将能量传递给推进剂，再经过 喷管喷出，产生推力。推力器尺寸很小（通道宽度 1～100μm）。它要求加热元件与出口缝隙之间的空 间等于气体的平均自由程，从而减少分子之间的碰撞，
保证喷出气体的分子动能等于加热器的温度（系统内
最高温度），提高总效率，从而获得最高的比冲（单 位质量推进剂所产生的冲量称为比冲量） 。
10
1
He N2 f=64/Re
f
0.1
10
100
1000
Re
图
直径为 D=75微米的石英玻璃管实验测定结果
1
He N2 f=56.88/Re
f
0.1
100
1000
Re
图
当量直径为 D=52微米的石英玻璃管实验测定结果
10
1
He N2 f=64/Re -0.25 f=0.3164Re Colebrook(/D=0.055)
10 12
微喷管
15 12
加热器 喷嘴
70°
0.1
0.92 0.2
隔板
1.2
4.5
0.3
0.1 0.3
0.42
2.42 7
基座
工质
图2 微喷嘴加热系统
5
微喷管： 缝宽19微米， 深308微米 图3 微喷管
6
微喷管用于自由分子微电阻加热推力器中，可为 微型航天器姿态控制提供动力。其工作原理是采用薄
弗曼在美国西海岸会议上宣读了一篇经典论文
“There is plenty of room at bottom”,首次提出 纳米技术的预言。 2
1962年，第一个硅微型压力传感器问世，其后
开发出尺寸为50－500mm的齿轮、齿轮泵、气动涡
轮及联结件等微机械 （里程碑 ）。
1989年，在美国盐湖城会议上，首次提出
（2）燃料电池流场板内的流动 燃料电池流场板内的流动燃料电池等温地将化学
能转换成为电能，不需要经过热机过程，效率不受卡
诺循环地限制，转化效率可达40－60％；环境友好，
几乎不排放氮氧化合物与硫化物，二氧化碳地排放过
量也必火电厂减少40％ 以上被认为是21世纪很有希 望的高效、洁净能源。
图4 PEMFC的电化学反应示意图
Kn: 0.0006~0.0185
Wu （吴沛宜) and Little(1983) Fluids: N2, H2, Ar Trapezoid Channel
Dh (m) ： 45.46~83.08 Roughness 0.05~0.30 Kn<0.0016
我们的实验与分析结果发现，当壁面 相现对粗糙都小于1％时，层流的理论解 f=64/Re 一直到直径为20微米的通道仍然适 用；但是当相对粗糙度大于1％时，侧高于 常规通道。
－连续介质区
0.001 Kn 0.1 －速度滑移、温度跳跃区 0.1 Kn 10 Kn>10
－过渡区 －自由分子流
当气体流动的Kn数大于0.001以后连续介质 的假定失效，流动与换热呈现出许多新的特点。
（3）对液体，由于面体比的变化使固体表面的界面 效应明显：双电层（Electric Double Layer），电粘
9 2
C1 C2
4 3 1 5
6 5 7 8
C3 C4 A1 A2
图5 气体微通道流动阻力测定实验系统示意图
直径50微米石英玻璃管
当量直径52微米石英玻璃管
直径120微米不锈钢管
1
He N2 f=64/Re -0.25 f=0.3164Re
f
0.1
m
100 1000
Re
图
直径为 D=102微米的石英玻璃管实验测定结果
(a) 日立Thermoexcel-E
(b) Wieland GEWA-TW
(c) Wolverine-Turbo-B
(d) Wielad GEWA-SE
(e) Trent 弯翅管
(f) 烧结表面
图15 部分商用沸腾换热强化表面结构示意图
24
图16 双侧强化管
25
图 17
日立Thermoexcel-C 26
1.3 小型低温制冷机的模拟
图6 Stirling制冷机的结构简图
12
1.压缩机; 2. 水冷却器; 3. 回热器; 4. 冷端换热器; 5. 脉管; 6. 热端换热器; 7. 小孔阀; 8. 气库; 9. 双 向进气阀
图7 脉管制冷机的结构简图
13
回热器采用多空介质做填料时，采用格子－ Boltzmann (LBM) 方法（介观模型）比较理想；如 何将介观模型与宏观模型有效地耦合，是急待解决 的问题。 MEMS系统中液体在微尺度通道内流动时，产 生电渗流，壁面附近的电渗流与主流可分别采用 LBM方法与连续介质方法，其间的跨越与耦合至关
2.1 材料科学一马当先
研究金属裂缝的发生与发展采用了跨尺度模拟。
控制方程本质上是扩散方程，界面跨越相对难度较小。
图20 材料裂缝 的跨尺度模拟
30
图21 交界区的耦合
31
2.2 热流学科开始起步 流动过程的对流项使得尺度的跨越难度大为增加。
质子交换膜中的迁移过程用分子动力学模拟，但尚
未跨越；
性，电渗，电泳。
（4）固体表面的绝对粗糙度在微尺度通道中影响更 加明显
常规尺度通道 同样的绝对粗糙度
微细尺度通道
二、气体的微尺度流动与换热 2.1 气体的流动阻力
早期研究：有的增加，有的减少，数据分歧。
Choi et al. (1991)
Fluid: N2 Circular Channel
Dh (m) 3~81 Roughness： 0.00017~0.0116
的各种耦合的原理与方法；
数据，以作为检验跨越计算正确性的标准；
对于几种典型的跨尺度情形，获得可靠的实验
33
鉴于予传热与流动计算中有限容积法应用最广，
因此作为连续介质的模拟方法建议以FVM为主。
越原理与方法，DSMC－FVM跨越原理与方法以及
MD－FVM跨越原理与方法。在此基础上，进一步 研究两种跨越：FVM－LBM－MD；FVM－
建议首先分别研究热流科学中LBM－FVM跨
DSMC－MD，甚至三种跨越：FVM－LBM－MD
－AB (abinitio,电子层次）。 34
基金委的材料与工程学部对应于科学院的技术
科学部；不仅数理化天地生有科学问题，技术科学
也有科学问题，其重要性决不亚于理论科学问题。
以传热学为例，早期属于数学家与物理学家：
8
燃料电池流场板内的流场板照片
（3）电子器件冷却
图5 燃料电池计算模型
9
1.3 微尺度流动与换热基本特点 （1）面积与体积之比大大增加 常规尺度的物体，例如1米立方的体积，其表
面积为6米平方，面积/体积之比，
A/V＝6m-1
侧面积与体积之比为
将该物体分为尺度为1微米的 1018 小立方体， A/V＝6 106 m-1
MEMS概念：Micro-Electro-Mechanical
Systems，这是指特征尺度在 1mm－1 μm 之间 集电子、机械于一身的器件。在这样的器件中有气体 或者液体作为工作介质，其内内的流动与换热就是一 般的微尺度流动与换热。