项目名称：    纳微尺度流体流动与传热传质的基础研究

推荐单位：    上海市

项目简介：    本项目隶属工程热物理领域并涉及多学科交叉。项目针对近年来纳微系统中不断涌现出的新的流体流动与传热传质问题，在国家自然科学基金委、上海市科委、香港研究资助局资助下，借助于先进实验和数值模拟手段，经六年多研究，在纳微尺度单相流动传热规律、相变流动传热规律、气液两相流动传质规律、汽泡动力学行为等前沿科学领域取得了一系列重要发现和成果。

纳微系统与常规系统相比，由于尺度不同，各种界面特性及表面作用力影响更为突出，尤其在发生相变流动时，表面张力会导致流型发生变化，进而影响传热传质过程。因此，探索纳微系统流体流动与传热传质与常规系统的异同性及新规律具有重要科学意义。本项目首次发现Navier-Stokes方程对亚微米通道（Dh<200 m）单相液体流动仍然适用，并提出了矩形分形微通道网络结构，为微电子芯片冷却开辟了新思路。首次发现微汽泡可产生于亚微米通道中，并发现微通道中的三种独特沸腾相变模式及其引起的非稳定温度压力振荡现象；首次发现亚微米通道凝结流动过程中的"喷射流现象"及其演变规律，为微型热管开发提供了依据。首次发现微通道中气液两相泡状流比环状流更利于燃料质扩散，为高功率微型燃料电池设计提供依据。首次发现纳微气泡生成位置与壁面亲疏水特性有关，且当脉冲加热宽度为毫秒量级时，微汽泡成长与消失呈现出时间不对称，据此提出了微汽泡扰动器设计原理。

项目共发表论文41篇，其中本领域最高影响因子国际期刊论文23篇，研究成果被SCI他引253次，单篇最高SCI他引36次，并6次受邀为重要国际会议主题报告，相关研究"界微观尺度相变换热"也已发表在国际传热学最权威年刊上。2005年美国ASME和AIChE两大学会共同授予郑平教授传热最高个人成就奖，认为其在微尺度传热领域的研究已处于国际领先水平。郑教授还获得2003年美国AIAA学会热物理奖。他在传热学的最新成果己获美国三大学会一致肯定。

主要发现点：  1. 纳微通道中单相液体流动与传热特性的研究

首次发现并证实Navier-Stokes方程对亚微米微通道(Dh<200 m)液体流动仍然适用，指出通道截面形状不同是导致微通道流动阻力实验结果差异的主要原因，并提出了亚微米芯片微通道阻力准则关联式（热流体力学，论文#1）。首次发现疏水性微通道单相流动阻力和传热能力均小于亲水性微通道，运用分子动力学模拟揭示了这一现象形成的内在机理，并提出了考虑壁面亲疏水特性、粗糙度特性等多种因素影响的微通道对流换热准则关联式（传热传质学，论文#4,#6）。基于人体呼吸循环系统输运理念，首次提出了矩形分形微通道网络概念，并从理论上证实该网络较传统平行微通道网络具有低温度梯度、高热流密度、低泵功率的优点（传热传质学，论文#2），为新型微电子芯片冷却系统的设计提供了思路。

2. 微通道中相变流动与传热规律的研究

首次在亚微米微通道中观察到泡状沸腾现象，否定了之前关于微通道沸腾相变过程中无汽泡产生的所谓"拟沸腾理论"，为微通道正确核态沸腾理论的建立提供了科学依据(多相流动理论，论文#3)。首次发现微通道中存在三种独特的沸腾相变模式，即：液相/汽液两相交变流动模式（LTAF）、汽液两相持续流动模式（CTF）、液相/汽液两相/汽相交变流动模式（LTVAF），并揭示了各模式所遵循的温度压力波动规律，及其与不同流率和热流强度间的关系(多相流动理论，论文#3,#7)。首次发现亚微米通道凝结相变流动过程中的"喷射流现象"及其演变规律(多相流动理论，论文#10)，为微型热管开发提供了实验依据。

3. 微通道中两相流动与传质特性的研究

首次发现气液环状流不利于微型燃料电池中燃料的扩散，为提高燃料电池输出功率，必须使电池阳极微通道中的两相流工作在有利于质传递的泡状流区，并提出了微型燃料电池微通道中泡状流、塞状流、环状流的出现条件（传热传质学，论文#9）。发现并揭示在相同反应物流量条件下，减小微通道截面会加速燃料从微通道到电极反应界面的质扩散，进而提高微型燃料电池性能的事实及规律（传热传质学，论文#5），为微型燃料电池的设计提供了理论指导。

4.纳微汽泡动力学行为与特性的研究

首次发现当脉冲加热宽度由微秒增至毫秒量级时，微汽泡成长与消失呈现出时间不对称，基于这一现象提出了微汽泡扰动器的设计原理和方法(多相流动理论，论文#8);首次发现纳微汽泡产生位置与壁面亲疏水特性有关，即亲水性纳米通道中，微汽泡易产生于管中央，而疏水性纳米通道中，微汽泡易产生于管壁附近(多相流动理论，论文#24)，为微汽泡执行器的设计提供了依据。

主要完成人：  1.   郑平

（1）本人对推荐书主要发现点中第1至第4点均作出了重要贡献，具体为：

1.全面主持纳微系统中流体流动与传热传质的基础研究（包括提出分型微通道网络结构研究思路，制定相关研究计划和方案），获得了第1、第2点发现。

2.全面主持微型燃料电池中的传热传质和多相流问题的研究，获得了第3点发现。

3.提出以周期性微汽泡生长与消失不对称原理做微扰动器的设计，获得了第4点发现。

（2）本人在本项目研究中的工作量占本人工作量的80%。

（3）支持本人贡献的有代表性论文#1，#2，#3，#4，#5，#6，#7，#8，#9，#10。十篇代表性论文中除论文#9以外，其余九篇本人均为通讯作者。

2.   吴慧英

1）本人对推荐书主要发现点中第1和第2点作出了重要贡献，具体为：

1.负责和实施微通道中单相流动与传热现象及规律的研究，获得了第1点中关于微通道中单相液体流动阻力特性（对应论文#1），单相液体换热特性方面的发现（对应论文#4）。

2.负责和实施微通道中相变（包括沸腾和凝结）流动和传热现象及规律的研究，获得了第2点中的所有发现（对应论文#3，#7，#10）。

（2）本人在本项目研究中的工作量占本人工作量的80%。

（3）支持本人贡献的有代表性论文#1，#3，#4，#7，#10，在这些论文中，本人均为第1作者。

10篇代表性论文：  1.   Friction factors in smooth trapezoidal silicon microchannels with different aspect ratios / Int. J. Heat Mass Transfer, v.46, pp. 2519-2525 (2003)

2.   Heat Transfer and Pressure Drop in a Fractal-Tree-Like Microchannel / Int. J. Heat Mass Transfer, v.45, pp.2643-2648 (2002)

3.   Visualization and Measurements of Periodic Boiling in Silicon Microchannels / Int. J. Heat Mass Transfer. V.46, pp.2603 - 2614 (2003)

4.   An Experimental Study of Convective Heat Transfer in Silicon Microchannels with Different Surface Conditions / Int. J. Heat Mass Transfer, v.46, pp. 2547-2556 (2003)

5.   Fabrication of Miniature Silicon Wafer Fuel Cells with Improved Performance / J. of Power Sources, v.124, pp.40-46, (2003).

6.   Effects of Interface Wettability on Microscale Flow by Molecular Dynamics Simulation / Int. J. Heat Mass Transfer, v.47,pp.501-513 (2004).

7.   Boiling Instabilities in Parallel Silicon Microchannels at different Heat Flux / Int. J. of Heat & Mass Transfer, v.47,pp.3631-3641 (2004)

8.   The Growth and Collapse of a Micro Bubble Under Pulse Heating / Int. J. Heat Mass Transfer , v.46, pp.4041-4050 (2003)

9.   Gas-Liquid Two-Phase Flow Patterns in a Miniature Square Channel with a Gas Permeable Sidewall / Int. J. Heat Mass Transfer, v. 47, pp.5725-5739 (2004)

10.  Condensation Flow Patterns in Microchannels / Int. J Heat Mass Transfer, v.48, pp.2186-2197 (2005)