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1、申请代码： 受理部门： 收件日期： 受理编号：检查保护国家自然科学基金国家自然科学基金 申申 请请 书书( ( 2 2 0 0 0 0 8 8 版版 ) ) 资助类别： 亚类说明： 附注说明： 项目名称： 申 请 者： 电话： 依托单位： 通讯地址： 邮政编码： 单位电话： 电子邮件： 申报日期： 200 年 月 日国家自然科学基金委员会您现在不能检查保护文档或打印文档，请根据以下三个步骤操作：您现在不能检查保护文档或打印文档，请根据以下三个步骤操作：1)如果您是如果您是 Word2000 或以上版本用户，请把或以上版本用户，请把 Word 宏的安全性设为宏的安全性设为:“中中“方法方法: W
2、ord 菜单菜单-工具工具-宏宏-安全性安全性-安全级安全级,设置为设置为“中中“(如果您是如果您是 Word97 用户，继续执行以下步骤用户，继续执行以下步骤)2)关闭本文档，重新打开本文档关闭本文档，重新打开本文档3)点击点击“启用宏启用宏“按钮，即可开始填写本文档或打印了按钮，即可开始填写本文档或打印了国家自然科学基金申请书 2008 版第 2 页 版本 1.000.000基本信息基本信息姓名郭加宏性别男出生 年月1966 年 7 月民族汉族学位博士职称副研究员主要研究领域传热、传质和流体动 力学 电话021-56335314 电子邮件 传真021-36033287 个人网页工作单位上海
3、大学 /上海市应用数学和力学研究所申申 请请 者者 信信 息息在研项目批准号名称上海大学代 码20007201 联系人刘桂华 电子邮件 依托单位信息依托单位信息电话021-56331527 网站地址http:/ 单 位 名 称代 码在此录入修改合作单位信息合作单位信息在此录入修改项目名称细小喷淋冲击冷却及其形成的薄液膜特性研究资助类别面上项目 亚类说明自由申请项目 附注说明申请代码A020401:湍流与流动稳定性A020402:水动力学基地类别预计研究年限2009 年 1 月 2011 年 12 月研究属性应用基础研究 项项 目目 基基 本本 信信 息息摘摘 要要( (限限 400400 字字
4、) )：微电子机械系统（MEMS）的冷却技术日益受到关注。实验发现，在热物体表 面形成完整的薄液膜时，喷雾和喷淋冲击冷却性能最好。本项目旨在研究在热物面形成薄 液膜的细小喷淋冲击冷却机理，侧重分析细小喷淋冲击热物面形成的薄液膜的状态，与其 冷却性能的内在关系。拟以介观模型 LBE 为基础，建立细小喷淋液滴冲击热物体表面薄液 膜的传热、传质和流动过程数学模型，研究相应的数值方法，数值模拟细小喷淋液滴冲击 热物体表面薄液膜的复杂过程及液膜状态。开展液滴冲击薄液膜的实验观测和测量，验证 上述数学模型和数值方法。采用长波理论，建立细小喷淋冲击形成的薄液膜的演化方程， 研究受细小喷淋冲击的薄液膜的稳定性
5、。通过上述研究，将能定量分析主要影响因素对细 小喷淋冲击热物面形成的薄液膜厚度和稳定性的影响，计算液膜厚度，预测细小喷淋冲击 冷却的冷却性能。本项研究在芯片等微电子器件冷却技术中将有重要应用，并将促进薄膜 的力学和热学特性研究的发展。关关 键键 词词(用分号分开，最多 5 个)喷淋冲击冷却，液体薄膜，介观模型，稳定性分析，流动显示 国家自然科学基金申请书 2008 版第 3 页 版本 1.000.000项目组主要项目组主要成成员员（注: 项目组主要成员不包括项目申请者，国家杰出青年科学基金类项目不填写此栏。 ）编号姓 名出生年月性别职 称学 位单位名称电话电子邮件项目分工每年工 作时间 （月）
6、1陈红勋1962-2-26 男研究员博士上海大学 021- 56338641 理论研究和 实验 6 2杨帆1974-5-15 男博士后博士上海大学 021- 56338641 数值方法和 数值计算 8 3严永华1983-6-29 男博士生硕士上海大学 021- 56335314 数值模拟 10 4在此录入修改5在此录入修改6在此录入修改7在此录入修改8在此录入修改9在此录入修改总人数高级中级初级博士后博士生硕士生021 说明: 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报（含申请者） ，总人数自动生成。国家自然科学基金申请书 2008 版第 4 页 版本 1.000.0
7、00经费申请表经费申请表 （金额单位：万元）科目申请经费备注（计算依据与说明）一一. .研究经费研究经费31.5000 1.科研业务费22.0000 （1）测试/计算/分析费15.0000测试和分析 4.0 万元，计算机机时费 11.0 万元（2）能源/动力费2.5000实验台制作和运行（3）会议费/差旅费3.0000国际会议 1 次 1.8 万元，国内会议 4*0.3 元/人次（4）出版物/文献/信息传播费1.5000文献查阅 0.5 万元，发表论文 6 篇 1.0 万元（5）其它 2.实验材料费5.0000 （1）原材料/试剂/药品购置费5.0000液滴发生装置，液膜盘制作，实验台架制作等
8、（2）其它 3.仪器设备费2.5000 （1）购置2.5000高速摄影仪专用镜头，激光打印机，专用存储设 备（2）试制 4.实验室改装费2.0000对实验室环境进行必要的改造5.协作费 二二. .国际合作与交流费国际合作与交流费1.0000 1.项目组成员出国合作交流 2.境外专家来华合作交流1.0000邀请一位境外同行专家三三. .劳务费劳务费2.7000每年 9000 元（博士生、硕士生）四四. .管理费管理费1.3000学校管理费合合 计计36.5000 国家其他计划资助经费 其他经费资助（含部门匹配） 与本项目相关的 其他经费来源其他经费来源合计其他经费来源合计0.0000国家自然科学
9、基金申请书 2008 版第 5 页 版本 1.000.000报告正文报告正文查看报告正文撰写提纲（一）立项依据与研究内容（一）立项依据与研究内容（4000-8000 字）： 1、项目的立项依据项目的立项依据（附主要的参考文献目录附主要的参考文献目录） 。细小喷淋冲击冷却是能与芯片等微电子器件集成的很具前景的微型化冷却方式。细小喷淋冲击冷却是能与芯片等微电子器件集成的很具前景的微型化冷却方式。本项目旨在应用计算流体力学方法，结合流动显示实验结果，研究细小喷淋冲击冷却的机理。侧重分析细小喷淋冲击在热物体表面形成薄液膜的状态，既液膜厚度与稳定侧重分析细小喷淋冲击在热物体表面形成薄液膜的状态，既液膜厚
10、度与稳定性，及其与冷却性能的内在关系；性，及其与冷却性能的内在关系；深入研究薄液膜内传热、传质和流动特性，推断其冷却能力，为细小喷淋冲击冷却的喷淋参数优化设计提供理论依据。本项研究在芯片等微电子器件的冷却技术中将有重要应用，并将促进喷雾和喷淋冲击冷却理论的发展。1.1 应用背景应用背景影响微电子器件工作可靠性和稳定性的热问题已日益突出（Boyd，1985；周德俭，1997） ，需要研究在微小空间范围内能达到较强冷却能力的强化传热技术。未来的MEMS 产品，需要微电子器件向微小型化发展，元器件密集程度提高，它们的使用范围很广，往往会工作在高温等恶劣环境中，也需要有相应的强化传热技术。采用液体工质
11、冷却，能利用液体的潜热，使得冷却能力大大提高，是未来微电子器件和产品冷却技术的一种发展趋势（Mudawar，2001；徐超，2003） 。与加强传统风冷散热的热管技术相比较，采用液体工质的冲击冷却是具有更强冷却能力的冷却方式。如果设计合理，控制得当，该冷却方式可在热物体表面形成具有稳定厚度的薄液膜。液体薄膜流具有小流量、小温差、高传热传质系数、高热流密度、结构简单且动力消液体薄膜流具有小流量、小温差、高传热传质系数、高热流密度、结构简单且动力消耗小等优点，已成为一项高效传热传质技术在许多领域得到广泛应用。耗小等优点，已成为一项高效传热传质技术在许多领域得到广泛应用。液体冲击冷却主要包括射流冲击
12、冷却、喷雾冲击冷却和喷淋冲击冷却等，本项目着重研究细小喷淋冲击冷却，迄今这方面的内在作用机制尚不清楚，冷却效率有待提高，相关的基础研究亟待进行。1.2 国内外研究动态国内外研究动态本项目所研究的内容属于微电子器件研究中的一个前沿性课题。美国学者Tuckerman (1981) 、Bergles（1982） 、Mudawar 及其合作者，较早开始了微电子器件采用各种液体冷却方式的研究，很多研究人员随后也开展了这方面的研究。1.2.1 液体射流冲击冷却，喷雾和喷淋冲击冷却的研究状况液体射流冲击冷却，喷雾和喷淋冲击冷却的研究状况模拟芯片采用液体射流冲击冷却的研究，开展较早，研究成果也较丰富。液体射国
13、家自然科学基金申请书 2008 版第 6 页 版本 1.000.000流冲击冷却，是将冷却液体直接喷射到热物体表面，通过强迫对流换热和沸腾换热等，将被冷却物体的热量带走。射流冲击冷却的换热系数大，在滞止区域对受冲击物体有很强的冷却能力。研究者主要从射流速度和流量（Wang，2004） 、喷嘴形状和大小（Tay，2002） 、喷嘴离热物体表面距离（Womac，1990） 、液体过冷度（Incropera，1996） 、热物体表面结构等因素着眼，研究液体射流冲击冷却性能。 国内以北京工业大学马重芳为首的研究小组，近年来也开展了模拟芯片射流冲击强化冷却的实验和理论分析研究。针对多种射流，研究了射流速
14、度、喷嘴尺寸、射流液体过冷度等因素，对换热能力的影响和对沸腾过程的影响，取得了很多领先水平的成果（王磊，1999；周定伟，2001；陈永昌，2001） 。西安交通大学陈庆光等人（2002）也开展了射流冲击强化换热的数值模拟研究喷雾冲击冷却和喷淋冲击冷却，类似地都是以一定密集度散布的冷却液滴冲击热物体表面带走热量，与射流冲击相比，换热系数分布均匀，而且换热能力强。喷雾冲击由于需要将液体射流雾化，结构和技术较为复杂，特别在微小的空间范围内产生所需的喷雾并非易事。然而采用喷淋装置来形成细小喷淋液滴冲击，既容易实现，又保持了换热系数分布均匀和换热能力强的优点，因此本项目以细小喷淋冲击冷却为主要研究对象。目前对于喷雾或喷淋冲击冷却的研究，大多还是沿袭了射流冲击冷却研究的思路，从喷雾或喷淋产生的液滴冲击速度和流量，喷嘴大小和形状，喷嘴离热物体表面距离、液体过冷度，以及热物体表面微细几何结构等方面着眼，从实验结果和简单模型计算结果，来分析其冷却性能，缺乏对其冷却机理的深入研究成果。实验研究结果揭示 (Amon C. H., 2001
