项目名称：    微细通道内对流换热与沸腾的尺度效应

推荐单位：    教育部

项目简介：    属工程技术科学领域中工程热物理学科，针对电子器件等冷却技术的应用基础研究。

随科学技术发展走向纵深和微细化，物理现象和规律表现出强烈微尺度和瞬时作用的特殊效应，对经典传热传质理论提出挑战，形成朝微/纳尺度特殊传热传质现象研究的崭新学科前沿。本项目研究5－1000微米量级通道内液体对流与沸腾传热特性，探析揭示尺度微细化产生的传热现象与规律变异，尝试为利用微细通道强化传热及其它应用提供基础数据和理论依据，内容包括微细通道内液体流动与对流换热；沸腾核化和沸腾传热；微尺度沸腾核化与气泡动力学特性探析。

1)发现微细通道内沸腾核化因尺度减小更加困难，出现异于常规的核沸腾特性；提出"气化空间"和"拟沸腾"新概念诠释物理机制，具体阐明尺度效应产生的变异特征和过程特性；发现并描述出气泡相互作用、非线性振荡等行为和相关影响，开拓出崭新的科学研究方向。

2)从相稳定性、胚泡演化和扰动作用、微观活化与分子团聚统计特征等角度，揭示出沸腾与尺度的内在联系、相失稳和界面演化微观物理本质，具体给出核化和沸腾形成条件、演变等行为规律，赋予"气化空间"与"拟沸腾"具体和明确的内涵，形成了独特的基本理论框架。

3)发现和描述微细通道内单相液体层流湍流和传热形态转变等的变异规律；确认尺度效应特征，总结出流动和传热的重要实验关联式；系统积累相关对流和传热实验数据；构成了变异现象认识和机理探索体系。

本研究拓展了经典传热传质研究内涵，形成崭新的基础探索新领域和独特研究体系。成果已在微电子等冷却散热、航天热控制、高效传热和微型能源转换等中得到实际应用。该项目发表系列论文150余篇，SCI摘录90篇，为国际学术前沿进展丛书贡献3个章节，论文他引805篇次，10篇代表性论文他引442篇次。

主要发现点：  1)提出"气化空间"和"拟沸腾"二个概念描述微通道内沸腾核化现象，具体阐明尺度效应产生的变异特征和过程特性；前者表明核沸腾的产生或气泡的生成，因相变过程气、液相密度的巨大差异，需要有足够大的空间才能实现；后者具体描述微通道内已具备相变条件而未核化的液体的状态，即处于高度非平衡性和快速气泡产生与湮灭的物理过程，合理地诠释现象的物理机制(工程传热、传质学：沸腾)[3,8-9]。

2)从相稳定性、胚泡动态演化和扰动作用、微观活化分子与团聚的动力学统计特征等角度，描述沸腾与时空尺度的内在联系，揭示出相失稳和界面演化微观物理本质和对沸腾的作用，提出了几种不同物理模型，分别导出核化条件和沸腾的形成、演变等动力学行为规律，赋予"气化空间"与"拟沸腾"具体而明晰的内涵，形成以微观认识和界面描述为核心的微结构内沸腾现象认识的基本理论框架(工程传热、传质学：沸腾)[3,8-10]。

3)实验和理论分析确认，单相流动和传热的具体尺度效应，可用通道高、宽、水力直径、槽间中心距、单位尺度微槽数目等组成的几何特性参数进行描述，也包括新或变异现象的界定与内在涵义，表面粗糙度、进口效应与流量分配、各种界面效应等的影响，实验测试的精准度、整理数据和描述过程的特征物理参数选取等，在正确认识和理解现象中也扮演着重要角色(工程传热、传质学：受迫对流传热)[3-6,9]。

4)微细通道内沸腾显著受尺度减小的影响，核化将更困难，要在比常规尺度更高的过热度和热流密度下，才能观察到微小气泡生成，但既使在较低过热度(2－8度或更低)和没有可观察到的气泡生成时，传热性能仍具有通常核沸腾的特征和相当或更高的传热热流密度；在很高过热度或热流密度下可观察到非常多微小气泡生成，多数很不稳定且会被湮灭；气泡生长则呈球状和柱状二个阶段，发现并描述出它们之间之间的相互作用、非线性振荡等行为；实验分析了流速、几何结构尺度、过冷度以及组分浓度等对沸腾核化和沸腾传热的影响(工程传热、传质学：流动沸腾与传热)[1,3,7-10]。

5)系统积累微细通道内单相液体，包括单组分和混合液体等对流和换热实验数据资料，在所研究的范围内发现和描述层流与湍流流动、传热特性和形态转变等的变异规律，依尺度大小不同Re=100-500时就显示出流态失稳特征，Re=200-1000就能完成向湍流的过渡，Re=300-1500时即可呈现旺盛湍流特征，流动和传热过渡区都明显缩小，实验总结导出层流和湍流阻力与传热经验关联式(工程传热、传质学：受迫对流传热)[1-6,9]。

主要完成人：  1.   彭晓峰

1）对本研究主要发现点1－5做出了创造性贡献；

2）为10篇代表性论文中9篇论文（第1和3－10篇）的第一作者，第2篇论文的第二作者；

3）在该项研究中的工作量占本人工作量的75％。

2.   王补宣

1）对本研究主要发现点1－5做出了创造性贡献；

2）为10篇代表性论文中第2篇论文的第一作者，第1、3、4、9共4篇的第二作者，第7、8篇的第三作者和第10篇的第五作者；

3）在该项研究中的工作量占本人工作量的55％。

10篇代表性论文：  1.   Forced Convection and Flow Boiling Heat Transfer for Liquid Flowing Through Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer

2.   Experimental Investigation on Liquid Forced Convection Heat-Transfer Through Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer

3.   Liquid Flow and Heat Transfer in Microchannels with/without Phasechange / Heat Transfer 1994

4.   Experimental Investigation of Heat-Transfer in Flat Plates with Rectangular Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer

5.   The Effect of Thermofluid and Geometrical Parameters on Convection of Liquids Through Rectangular Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer

6.   Convective Heat Transfer and Flow Friction for Water Flow in Microchannel Structures / International Journal of Heat and Mass Transfer

7.   Flow Boiling of Binary Mixtures in Microchanneled Plates / International Journal of Heat and Mass Transfer

8.   Boiling Nucleation During Liquid Flow in Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer

9.   Force-convection and Boiling Characteristics in Microchannels / Heat Transfer 1998

10.  Cluster Dynamics and Fictitious Boiling in Microchannels / International Journal of Heat and Mass Transfer