国际传热研究前沿──微细尺度传热

微细尺度传热问题的工程背景来自于８０年代高密度微电子器件的冷却和９０年代出现的微电子机械系统中的流动和传热问题．它的特点是，当空间和时间尺度微细化后，出现了很多与常规尺度下不同的物理现象，其原因可以分为两大类：一类是连续介质的假定不再适用，另一类则是各种作用力的相对重要性发生了变化．所需研究的挑战性问题有，导热系数的尺度效应、导热的波动现象，微小通道中流动和传热，流动压缩性和界面效应等的影响，微细尺度下的辐射和相变等．  

非极性小分子有机液体在微管道中的流量特性

用去离子水及有机液体在内径约为25μm的石英圆管内进行了流量特性实验．液体分子量范围为18~160,动力黏性系数的范围为0.5~1mPa·s.实验雷诺数范围为Re＜8．所用有机液体为:四氯化碳、乙基苯及环己烷都是非极性液体,其分子结构尺度小于1nm．实验结果表明,在定常层流条件下,圆管内的液体流量与两端压力差成正比,其压力－流量关系仍符合经典的Hagen－Poiseuille流动．这说明非极性小分子有机液体在本实验所用微米尺度管道中其流动规律仍符合连续介质假设．鉴于微尺度流动实验的特殊性,文中还介绍了微流动实验装置,分析了微尺度流动测量误差来源及提高测量精度的措施．  

Tabor数、粘着数与微尺度粘着弹性接触理论

微电子机械系统（ＭＥＭＳ）等领域的飞速发展，促使我们迈进了一个表面效应在许多现象 中占主导地位的研究领域．本文重点介绍在ＭＥＭＳ中经常遇到的微尺度粘着弹性接触的相关理论． 通过对两个无量纲数——Ｔａｂｏｒ数μ（以及其相应形式）和粘着数θ的分析，以及考虑它们对于粘 着力的影响，指出了粘着弹性接触理论中所隐含的尺度效应，随着特征尺度的减小，粘着弹性接触中 的表面效应愈加明显．  

纳米压痕过程的三维有限元数值试验研究

采用有限元方法模拟了纳米压痕仪的加、卸载过程，三维有限元模型考虑了纳米压痕仪的标准Berkovich压头．介绍了有限元模型的几何参数、边界条件、材料特性与加载方式，讨论了摩擦、滑动机制、试件模型的大小对计算结果的影响，进行了计算结果与标准试样实验结果的比较，证实了模拟的可靠性．在此基础上，重点研究了压头尖端曲率半径对纳米压痕实验数据的影响．对比分析了尖端曲率半径r＝0与r＝100nm两种压头的材料压痕载荷—位移曲线．结果表明，当压头尖端曲率半径r≠0时，基于经典的均匀连续介质力学本构理论、传统的实验手段与数据处理方法，压痕硬度值会随着压痕深度的减小而升高．  

纳米尺度下气体薄膜润滑理论研究

提出了依赖于逆Knudsen数的纳米尺度影响因子Np，修正了目前应用较为普遍的FK-Boltzmann模型，并给出了其数值计算结果。结果表明：当膜厚小于单个空气分子平均自由程时，由于纳米尺度效应的影响，流量因子有所减小，承载能力略微增加。  

周期性点阵类桁架材料等效弹性性能预测及尺度效应

比较了Dirichlet型和Neumann型边界条件下的代表体元法及均匀化方法对具有周期性结构的点阵类桁架材料等效弹性性能的预测结果．数值结果表明，Dirichlet型和Neumann型边界条件下的代表体元法所得结果随着参与模拟的单胞（微结构的最小周期）个数的增加，分别从上下界逼近均匀化方法的结果．对于一类具有特殊微结构的桁架材料，只需一个单胞即可充分逼近均匀化结果．指出产牛尺度效应的判据是，对Dirichlet型边界条件下的代表体元法，单胞公共边界处的节点支反力是否平衡；对Neumann型边界条件下的代表体元法，单胞边界间变形是否协调．最后，我们证明了对于一类均匀化方法求解中没有广义自由度的桁架材料，其均匀化结果就是各构件性能按照体积份数加权平均得到．  

海堤越浪的数值模拟

基于RANS方程和两方程湍流模型，采用有限体积法，将人射波波场作为人工的分布源项加人动量方程，提出了适用于VOF方法的源造波一消波技术。通过对行波及驻波的计算，分别考察了数值波浪水槽前端及末端消波段的有效性。在本文建立的数值波浪水槽内对规则波在海堤上爬高和越浪过程进行了数值模拟，并将计算结果与现有实验结果进行了比较。验证计算结果表明，数值模拟结果较好地复演了海堤越浪过程。为了研究模型尺度对越浪量的影响，文中设计了一组满足重力相似但具有不同几何比尺的数值实验模型。系列数值实验结果表明，若按重力相似换算越浪量，计算结果与实验预报值间的偏差随模型比尺的增大和堤前波浪破碎强度的增强而增大，建议在进行越浪物理模型实验时需进一步考虑模型比尺对原型预报值的影响。  

微电子机械系统中的若干固体力学问题

简述了微电子机械系统若干固体力学问题研究的现状，包括：微构件材料的基本力学性能；微构件的力学分析与计算；微系统的失效分析研究；微系统的驱动等，并阐述了微系统力学问题中涉及的表面效应和尺度效应，提出了微系统多类型力作用，多种因素交叉，多学科耦合，非线性突出的特点和研究方向。  

非均匀微极介质的有效性质分析

首先讨论了不同尺度关系下宏细观 过渡方法,然后重点介绍了尺度关系满足L>>l>>A ≈lm时(适用于金 属基复合材料,泡沫基复合材料和纳米复合材料等),构元材料看作微极介质,而均质 化后的材料仍可看作传统Cauchy介质时的解析弹塑性细观力学方法.在这样的理论 框架下,细观结构的尺度影响可作为变量引入细观力学模型,并且当A>>lm 时, 该方法自然退化成传统的细观力学方法.  

纳米压痕仪接触投影面积标定方法的研究

基于Oliver与Pharr方法的纳米压痕实验以其简单方便获得广泛的应用，但众多因素对压 痕实验结果的影响范围并无明确的结论. 其中压痕接触面积的确定是一个重要环节，该因素 对实验结果，特别是小深度下的实验结果具有重要影响. 仔细分析了Oliver与Pharr 方法并进行了几种材料的纳米压痕实验，针对该方法在接触深度确定、不同深度范围下方法 的适用性进行了说明. 分析结果表明，对所有的材料使用统一的面积公式，只有在大压痕深 度时才是适用的，而在小压痕深度时可能带来较大的误差. 因此，应慎重使用由Oliver与 Pharr方法得到的小压痕深度的硬度数据.