非平衡热输运边界条件影响研究

摘要

当材料的特征尺寸小到与声子平均自由程相当，或特征时间短到与声子弛豫时间相当时，准平衡假设就不再有效，系统内会产生非局部效应。此时，边界条件将成为影响非平衡热输运的重要因素之一。超快速激光加热纳米薄膜是反映此类问题的典型案例，其传热过程中不仅热影响时间极短，而且作用区域还在纳米尺度。文章研究了不同边界条件对纳米硅薄膜非平衡热输运的影响，分析了声子从扩散状态向弹道状态转变的特性。结果表明：采用镜面边界条件与反弹边界条件具有相似的热输运过程，薄膜内部能量密度差异较小；对流边界条件下薄膜内部热量持续向外界流失，其能量密度最低；通过改变对流方式，发现强制对流相比于自然对流会带走更多的热量；随着薄膜尺寸减小，边界条件对热输运的影响会增大。

关键词

非平衡热输运 / 边界条件 / 对流方式 / 纳米薄膜

基金资助

山东省高等学校青创科技支持计划项目(2019KJH012); 济南市科研带头人工作室项目(2019GXRC056); 山东省自然科学基金项目(ZR2017BEE052)