文档介绍：中国工程热物理学会学科类别(传热传质学)
学术会议论文编号:123417
微纳气体导热的尺度效应
单小东,王沫然
清华大学工程力学系,北京 100084
(Tel:010-62787498, E-mail: ******@tsinghua.)
摘要:本文通过数值模拟方法(DSMC),对微纳气体导热现象及尺度效应的机理进行了探讨。分别对平板间气体导热及圆柱与方腔壁间气体导热进行模拟,发现了热导率随尺度变大逐渐变大并趋向于体材料。探讨了温度跳跃与分子平均自由程对微纳气体尺度效应的影响,其中对热导率采用三种不同的温度差进行处理,发现温度跳跃对热导率有一定影响,但不是根本原因;分子平均自由程具有明显的尺度效应,这也是导致微纳气体热导率尺度效应的根本原因。
关键词:气体薄层;热导率;温度跳跃;平均自由程
0 前言
当前采用微纳结构的集成微加热技术已经广泛应用于微纳机电系统(MEMS/NEMS)中。如Pirani传感器[1],其原理即是通过采集一加热的微梁/盘的传热信号最终得到环境的压力。热感应原子力显微镜(TSAFM)也是通过采集受热微结构的热传递信号,主要应用于地形遥感,当地热分析以及纳米光刻等[2]。
由于热传递在微纳器件中的重要应用,与之相应的热学特性的研究也受到了广泛的关注,对此微纳器件中涉及到的器壁间空气薄层及器件与外部环境间导热问题已经成为了一个非常重要的研究课题。根据气体稀薄程度的不同,对不同的努森数(其中是平均分子自由程,是特征长度),可分为连续区、滑移区、过渡区及自由分子流区。在微纳尺度下,文献[3, 4]采用蒙特卡洛模拟证实了自然对流换热可忽略不计,在此情况下,热传递以热传导为主,故而,在微纳尺度下封闭空间内仅需考虑导热即可。对于板间气体薄层内及板与周围环境的导热问题,前人在理论、数值模拟及实验方面做了大量的工作,探讨了导致导热的尺度效应的各种因素。Sieradzki[5]提出了气体压力对导热的影响,其理论在连续区与自由分子流区符合较好,但在过渡区仍有较大问题。Nanbu[6]采用DSMC法对两平板间一维导热问题在整个努森数范围内进行了研究,证明了在某些限定条件下四弯矩方程及NS方程的适用性。Zhu等[7]在较大努森数范围内对微纳器件内非连续气相导热问题进行了研究,对滑移流区,提出了一新的温度滑移模型,发展了无碰撞稳态导热问题的解析解,通过数值模拟验证了该模型与解析解,并通过模拟结果探讨了过渡区热适应系数对导热问题的影响。Denpoh[8]通过数值法对硅片与基底间稀薄气体导热问题,分别探讨了气体种类、壁面温度、壁面粗糙度及能量适应系数对导热的影响。
虽然前人对微纳尺度下空气导热问题进行了大量的研究,提出导致导热尺度效应的各种不同的影响因素,但至今仍未能够从物理机制上进行解释
。本文采用DSMC数值模拟法,讨论了热导率随努森数的变化规律,其中热导率分别采用三种不同的计算方法。通过对平板间导热以及圆柱与方腔壁间气体薄层导热两种不同的模型进行数值模拟,分别探讨了温度跳跃与分子平均自由程对微纳气体热导率的影响。
1 数值模拟与计算模型
直接模拟蒙特卡洛(DSMC)法
DSMC法是一种基于分子运动与统计规律对稀薄气体进行模拟流动的数值方法。其主要思想是空间步长小于分子平均自由程,时间步长远小于平均碰撞时间,从而使