【优博微展2018】华钰超 ：微观与宏观结合的声子弹道扩散导热研究

华钰超：2018年清华大学优秀博士学位论文二等奖获得者

微观与宏观结合的声子弹道扩散导热研究

Study on Phonon Ballistic-Diffusive Heat Conduction in Both Micro- and Macro- Levels

作       者：华钰超          

指导教师：过增元

培养院系：航天航空学院             

学       科：工程热物理

读博感言：多读论文，勤锻炼

研究背景/选题意义/研究价值

无论是要解决器件散热问题，还是要更好地设计热功能材料，都需要对纳米尺度导热规律有更深入的了解。纳米结构特征尺寸与平均自由程相当，此时傅里叶导热定律不再适用。本文基于微观与宏观相结合的研究思路，使用声子蒙特卡罗模拟方法、玻尔兹曼输运方程和实验手段，研究弹道扩散导热中宏观非傅里叶现象的内在微观机制，导出微观机制对应的预测模型，并从宏观角度对导热过程的最小作用量原理和优化进行研究。

主要研究内容

开发了声子蒙特卡罗模拟程序，并在此基础上发展了一种可以高效地计算大面积周期性纳米结构材料等效热导率的两步声子蒙特卡罗法，能够在不产生显著偏差的条件下，极大地减小计算量。基于声子玻尔兹曼方程和蒙特卡罗模拟方法，研究了弹道扩散导热中的边界温度跳跃和边界热流滑移。纳米结构等效热导率表现出显著的尺寸效应，通过理论、模拟和实验的手段研究了典型纳米结构等效热导率。对导热过程的作用量和优化进行了研究。描述导热过程不可逆性的函数并不唯一，除熵产以外，“火积”耗散也能描述导热不可逆性。导热过程的作用量是唯一的，基于“火积”耗散才能导出傅里叶定律。

两步声子蒙特卡罗方法的算法流程图

SiC纳米线的等效热导率测量

主要创新点

1. 提出计算纳米结构材料等效热导率的两步声子蒙特卡罗方法，可有效降低计算时间； 

2. 提出了声子边界失配热流滑移模型和多约束纳米结构模型，能够用于预测多约束纳米薄膜和有限长纳米线等多种典型纳米结构的等效热导率； 

3. 证明了“火积”耗散是导热过程的作用量，能够描述导热过程的不可逆性；基于“火积”耗散最小可以导出傅里叶导热定律；提出瞬态导热的卷积“火积”耗散概念，卷积“火积”耗散极值对应了瞬态导热的最优热导率分布。

代表性学术发表

1. Hua Y C, Cao B Y. An efficient two-step Monte Carlo method for heat conduction in nanostructures. Journal of Computational Physics, 2017, 342: 253-266.

2. Hua Y C, Zhao T, Guo Z Y. Transient thermal conduction optimization for solid sensible heat thermal energy storage modules by the Monte Carlo method. Energy, 2017, 133: 338-347. 

3. Hua Y C, Cao B Y. Cross-plane heat conduction in nanoporous silicon thin films by phonon Boltzmann transport equation and Monte Carlo simulations. Applied Thermal Engineering, 2017, 111: 1401-1408. 

4. Hua Y C, Guo Z Y. The least action principle for heat conduction and its optimization application. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2017 105: 697-703. 

作者：华钰超

供图：华钰超

编辑：清华大学研究生院  周明坤  吴佳瑛 李文