纳米热声机械振荡器中能量传输与转换机制的研究

热声效应是指可压缩流体的声振荡与固体介质之间由热交换而产生的时均能量效应，简单地说，热声效应就是热与声之间相互转换的现象。热声扬声器是利用交变电流加热极薄的金属箔，使其周围气体产生热声效应从而发出声音的一种装置。本项目旨在研究微纳米尺度下的热声效应，具体研究内容和目标是探索微纳米尺度下热声扬声器工作机理，通过深入探究该器件周围气体流动及传热过程中的基础问题，从而明确影响微纳米尺度热声扬声器工作性能的因素。明晰该器件工作过程中气体流动及能量转换机制问题，可促进微纳米尺度热声扬声器发声性能的提高，从而拓展其应用领域。代表成果如下： （1）针对微纳米尺度热声扬声器建立了数学模型，根据Knudsen数选择了速度滑移条件对连续性方程进行修正，并对其典型执行过程进行了流动及传热过程分析。 （2）基于上述数学模型，对热声扬声器执行过程进行了详细的参数化研究。 （3）提出了基于热声效应的微纳米尺度液滴的操控方法及应用拓展。 （4）提出了基于宏观流动实现的微尺度液滴的控制方法。 （5）提出了利用红外热成像方法对微流体器件工作过程的实时监测方法。

纳米机械振荡器（Nano Mechanical Oscillator）是纳米尺度电子机械系统中极具代表性的典型器件之一，它能够产生极高的运行频率,并拥有非凡的灵敏度。有别于现有的工作原理及激励方式，本项目将研究一种新概念型的纳米机械振荡器- - 纳米热声机械振荡器，系借助于纳米尺度管道外的加热结构对管内封装气体实施局部加热，利用封装气体与纳米尺度管道之间的热声效应（热声功转换），以激发封装气体稳定且高频的热声振荡并通过薄膜或其他装置输出相应的振荡力。并深入研究由该新技术引申出的基础流动、热学及能量转换问题，如纳米尺度管道内封装气体的基本的流动与传热现象，纳米尺度气体产生热声效应的基本规律。而探索纳米热声机械振荡器的工作性能是本项目研究的根本目的。明晰这种纳米热声机械振荡器的基础流动、热量传输及能量转换机制问题，可促成纳米机械振荡器领域的研究突破，从而将纳米尺度电子机械器件的研究不断推向深入。

现有的能量传输技术的分类

① 辐射技术：通过某种独特的接收器接收空气中尚未散失的辐射能量，并将其转换成电能，储存给附近的电池中；② 磁场共振技术：当两个物体在同一频率实现共振时，将实现能量的无线传输；③ 电感耦合技术：通过相对很直接的接触来进行能量传输，尤如把机器放在一个垫子上就能进行充电；④ 从环境中“收获”能源：将自然界出现的热能、光能和振动能转换成所需的能量

本项目根据自然科学发展历史及纳米科技兴起的现实情况，及时地开拓了矿物学与纳米科学的交叉学科 -- 纳米及微米矿物学。提出了"矿物及材料的物理性能不仅取决晶体结构，而且取决于其粒度特性。当颗粒粒度进入纳米量级时，尤其如此"的重要学术思想；应用扫描探针显微镜（SPM）及一系列的晶体学和矿物学的现代测试方法，证实了地壳中纳米固体的存在，对洋底锰结核、黄土、煤矸石中纳米矿物粒度、结晶状态等方面提出大量的测试数据，丰富了纳米及微米矿物学的具体内容；将纳米及微米矿物学的学术思想应用于建材、陶瓷等工业领域的新产品开发研究，研制成功了承重型加气混凝土和新型磁性日用陶瓷等产品。 2100433B