应用数学和力学

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2014年第35卷第3期

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前言

"工程问题中的微尺度热力学与流体力学"专刊前言

谢永慧, 王沫然, 谢公南

2014, 35(3): 1-2.

摘要(835) PDF(1038)

摘要:
随着电子、能源、化工、航天以及生物医药等领域设备的微型化，微尺度流动和传热传质问题日益突出，并逐渐成为这些领域进一步发展的瓶颈.而微纳尺度加工技术的迅猛发展，则使得器件系统的微小化、轻量化、功能化以及集成化成为了可能，为微尺度相关问题的解决提供了机遇，微尺度科学已经成为了力学与其它众多交叉科学的研究前沿．

论文

近临界流体微通道内流动稳定性和换热特性研究

陈林, 张信荣

2014, 35(3): 233-246. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.001

摘要(1366) PDF(988)

摘要:
微尺度条件下的化工、医药、传热与能源利用等系统的研究已经成为极具潜力和挑战性的课题．相应条件下流体流动和换热的分析必须考虑尺度效应所带来的系列问题．该研究采用了数值模拟方法对近临界二氧化碳流体在微尺度通道内的流动稳定性和换热特性进行了探索．研究发现，在近临界区域内由于流体较强的膨胀特性和较低的热扩散特性，在微尺度几何条件下会产生瞬态不稳定的漩涡流动．该种条件下微尺度对流换热和混合效率都得到了大幅提高．进一步，研究针对微尺度局部稳定性演化进行了机理分析并应用了参数估计，总结获得了微通道内近临界流体瞬态换热和混合的基本特性.

液滴在固体平表面上均匀蒸发过程的格子Boltzmann模拟

谢驰宇, 张建影, 王沫然

2014, 35(3): 247-253. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.002

摘要(1946) PDF(1105)

摘要:
通过格子玻尔兹曼（lattice Boltzmann method, LBM）数值模拟，研究了液滴在固体平表面上蒸发过程形状变化的机理揭示了不同静态接触角下液滴蒸发过程中重力对其形状变化的影响规律结果表明，重力的影响随着液滴尺度的减小而减弱，达到某一临界点后，重力对蒸发过程的影响可以忽略模拟定量确定了液滴尺寸的这一临界值，并分析了蒸发过程中几个典型时刻液滴内部的流场分布，进一步研究了重力的影响.

基于球窝结构冷却通道的强化传热数值及实验研究

张荻, 郭帅, 谢永慧

2014, 35(3): 254-263. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.003

摘要(1117) PDF(770)

摘要:
球窝作为一种小流阻的强化传热结构，在微型换热器中有较大的发展前景．该文采用实验与数值相结合的方法，研究层流条件下布置球窝结构的矩形通道内部的流动与换热特性，比较了不同球窝深度、不同Reynolds(雷诺)数对其强化换热特性的影响，并与光滑结构进行了对比．研究结果表明：随着Reynolds数的增加，换热效果逐渐增强．在3种Reynolds数（Re=500、1 000、1 500）工况下，在球窝深度直径比在0.1~0.2之间时，球窝内部均存在流动分离且分离点位于球窝中心之前，球窝换热特性最好，与实验得出深度直径比为0.2时换热效果最好相吻合．在同一Reynolds数条件下，随着球窝深度的增加，其阻力特性逐渐降低．综合热特性随着Reynolds数的增大呈现下降趋势.

大功率LED荧光粉硅胶点涂工艺的三维格子Boltzmann模拟

李岚, 郑怀, 罗小兵

2014, 35(3): 264-271. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.004

摘要(1339) PDF(1026)

摘要:
为实现蓝光LED(light emitting diode)芯片向白光LED照明的转化，大功率LED封装工艺流程中存在一个关键的环节——荧光粉涂覆，即通过点涂方式将荧光粉硅胶涂覆于LED芯片周围．荧光粉硅胶涂覆工艺是一个两相流动过程，它直接决定了荧光粉硅胶层的几何形貌及物理特性，并影响LED最终的光学和热学性能；因此对其中流动过程物理机制的理解有利于提升荧光粉涂覆质量，实现高性能LED产品．基于格子Boltzmann方法，建立荧光粉硅胶流动模型，并应用该模型研究了在平坦表面和方形凸起结构两种封装形式上的荧光粉硅胶点涂成形流动过程．结果表明：格子Boltzmann方法能够准确地模拟荧光粉点涂流动过程；在平坦表面上荧光粉硅胶液滴接触线与液滴直径之比(dL/D)和相对时间(t/T)成幂函数关系.

微小通道内空气流动特性实验研究

郑光华, 张凯, 魏文强, 贺宜红

2014, 35(3): 272-277. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.005

摘要(1392) PDF(982)

摘要:
研究了空气在不同压比条件下，在内径分别为0.4 mm和0.5 mm的微圆直管内的流动特性．研究表明空气流过微圆管的阻力系数是常规管道的4至5倍，且存在层流状态提前过渡到湍流状态的提前转捩现象．微圆管管径越小，管内流动压力损失越大.

矩形微通道散热器流道的数值模拟及尺寸优化

何颖, 邵宝东, 程赫明

2014, 35(3): 278-286. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.006

摘要(1791) PDF(1191)

摘要:
微通道散热器具有体积小、流速小、压降小、散热高等优点，随着工业微型化的发展，微型散热器的应用越来越广泛．已有的研究表明，微通道的散热性能主要决定于微通道的几何参数和流体的流动情况，相对于三角形和梯形结构，矩形微通道具有更好的散热性能．基于ANSYS Workbench有限元软件，对长度为40 mm，不同截面尺寸的单通道内流体流动及传热性能进行了数值模拟，给出具有较小压降、较大散热效率的微通道尺寸．对优化后的模型计算分析，在一定流体流速和温度的初始状态下，基底给定热通量，经过计算，散热器可运输的热通量，压降较低，热传递效率较大，散热器具有良好的工作性能.

金属泡沫微流道热沉内流体流动与传热特性的数值研究

李勇铜, 徐会金, 巩亮, 张克舫

2014, 35(3): 287-294. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.007

摘要(1524) PDF(1137)

摘要:
为改善高能量密度电子设备的冷却效率，提出了在微流道热沉内填充金属泡沫的新型热沉结构，并数值研究了金属泡沫的孔隙率、孔密度、材质（铜、镍及铝）、流体工质（水、乙二醇及纳米流体）等相关参数对微流道流动与换热特性的影响．研究结果表明：金属泡沫可以显著地强化微流道热沉的换热特性；添加金属泡沫后微流道热沉的换热性能可提高2倍以上；采用纳米流体与金属泡沫相结合的双重强化换热手段可以进一步地增强微流道热沉的冷却能力；在层流流动状态下金属泡沫微流道热沉可以对发热量为200 W/cm²的电子设备进行有效地冷却，表明其在高功率密度电子设备热管理领域具有广阔的应用前景.

硅通孔（TSV）的工艺引入热应力及其释放结构设计

孙汉, 王玮, 陈兢, 金玉丰

2014, 35(3): 295-304. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.008

摘要(2580) PDF(2383)

摘要:
在3D SiP（三维系统级封装）的TSV（硅通孔）的工艺制造过程中，热应力会引发TSV周围的载流子迁移率的改变，进而改变3D系统级封装芯片的性能．针对这一问题，提出了一种TSV热应力释放槽结构，以期解决微机电系统（MEMS）应用的大尺寸TSV的热应力问题．在释放槽内外，硅衬底表面的应力得到有效隔离，表面应力大大降低．在结合可行工艺参数的基础上，通过数值模拟对比了3D与2D模型的区别、不同TSV材料的区别，计算应力释放槽的深度、位置、宽度等因素对硅衬底表面应力释放的效果，给出了TSV应力释放槽的布局建议．研究结果表明含有释放槽的TSV，释放槽外热应力可以减小至无释放槽情况下的40%~60%，保留区域的面积也相应降低.

格子Boltzmann方法解扩散方程的复杂边界条件研究

黄俊涛, 张力, 雍稳安, 王沫然

2014, 35(3): 305-312. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.009

摘要(1829) PDF(1437)

摘要:
对格子Boltzmann方法求解含第三类边界条件的扩散方程进行了理论和数值研究，构造了一种新的基于bounce-back的边界处理数值格式，用来处理复杂边界问题．借助渐近分析，证明了新方法的数值相容性．用数值算例从不同角度分析了算法的精度和稳定性等，与已有算法相比，新方法在精度、稳定性和效率方面均有较大提高．最后通过一个复杂边界反应扩散的示例演示了新方法应用于复杂多孔介质内多物理化学输运模拟的可行性和有效性.

等边三角形微通道内层流的流动特性和换热特性的研究

何颖, 邵宝东, 程赫明

2014, 35(3): 313-321. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.010

摘要(1502) PDF(972)

摘要:
研究等边三角形截面微通道内充分发展层流的流动特性和换热特性，基于Navier-Stokes方程的基本理论，在等边三角形一边向流体加入定常热流密度时，给出了微通道内充分发展层流的速度分布和温度分布的近似解，以及微通道内充分发展对流传热的摩擦因子和Nusselt数；并通过商业软件Fluent对微通道内的流动和换热进行数值模拟，得到通道内温度和速度的数值解，进而计算得到充分发展对流传热的摩擦因子和Nusselt数；二者进行对比，结果吻合很好，验证了计算结果的正确性.

复合超疏水表面制备及其上液滴运动特性研究

张静娴, 姚朝晖, 郝鹏飞, 傅承诵, 南豆, 韦进全

2014, 35(3): 322-330. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.011

摘要(1020) PDF(1265)

摘要:
采用光刻法制备出微米尺度的硅微方柱结构，并利用化学气相沉积的方法在其上可控地生长定向碳纳米管，由此制备出具有可控比例微纳二级结构的超疏水表面．通过扫描电子显微镜(SEM)测量和接触角、滚动角测试的方法对具有不同微纳结构比例及尺寸的表面形貌和性能进行探查和测试，对制备过程中参数的选择做出了优化处理．得到了表面性质均匀、稳定的二级结构超疏水表面．通过粒子图像测速(PIV) 的方法测量在结构表面滚动液滴的内部流动形态，并与一级结构表面进行对比．分析并总结了该文中表面的疏水机理及表面微纳结构比例、形态、尺寸等因素对疏水性能的影响.

针对蒸发弯月面附近微颗粒运动的数值模拟

潘振海, 王昊

2014, 35(3): 331-340. doi: 10.3879/j.issn.1000-0887.2014.03.012

摘要(1089) PDF(1137)

摘要:
蒸发弯月面附近存在复杂的流动结构．该文建立数值模型以精确模拟蒸发弯月面附近的传热传质过程并描绘液体中微小颗粒的运动轨迹．一方面，将弯月面上的蒸发、气相中的蒸汽扩散以及蒸发导致的界面冷却效果耦合求解．同时利用离散元方法（DEM）对颗粒在流体中的运动及其对流场的反作用进行耦合求解．通过与实验对比，该计算方法能够准确地描述弯月面附近的微颗粒运动轨迹.