微細(xì)通道內(nèi)單相和兩相阻力損失特性的研究.pdf

1、微細(xì)通道在微機(jī)電系統(tǒng)、微電子、生物、通訊，尤其是航空航天上的廣泛應(yīng)用使得微尺度流動(dòng)及換熱特性研究成為當(dāng)前重要的研究課題。近二十年來(lái)，大量的實(shí)驗(yàn)及分析結(jié)果說(shuō)明微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)和換熱與常規(guī)尺度通道的結(jié)果不同，具有明顯的尺度效應(yīng)，同時(shí)，不同研究者實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果大相徑庭，甚至相互矛盾。本文以揭示微細(xì)通道內(nèi)流動(dòng)的機(jī)理為目的，以局部阻力特性為著重點(diǎn)，對(duì)微細(xì)通道內(nèi)的單相和兩相流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究及理論分析。 本文首先針對(duì)微細(xì)通道流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)需要，發(fā)

2、展了縫隙測(cè)壓的壓力測(cè)量技術(shù)，就縫隙測(cè)壓的可行性以及縫隙寬度大小對(duì)壓力測(cè)量的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。首先采用縫隙測(cè)壓技術(shù)(縫隙寬度分別為33μm、67μm和132μm)測(cè)量不同的流體流過(guò)內(nèi)徑為336μm的不銹鋼管時(shí)的摩擦阻力：然后將所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)典公式進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，應(yīng)用縫隙測(cè)壓這種壓力測(cè)量技術(shù)于微管內(nèi)流體壓力的測(cè)量是可行的。當(dāng)取壓縫隙寬度與管徑之比ξ≤0.2時(shí)，測(cè)量誤差很小，且隨著流體Re數(shù)的增大變化很小，因此為了減小測(cè)量誤差，

3、取壓縫隙寬度最好小于0.2倍管徑。 其次，采用縫隙測(cè)壓的方法，分別以去離子水、甲苯、無(wú)水乙醇和氮?dú)鉃閷?shí)驗(yàn)工質(zhì)，首次測(cè)量了內(nèi)徑在330μm～850μm的微管內(nèi)單相以及氮?dú)?水氣液兩相流體的突擴(kuò)及突縮局部阻力損失。實(shí)驗(yàn)是在室溫和大氣壓力下進(jìn)行的。單相流體的雷諾數(shù)范圍為589～8520，氣液兩相質(zhì)量干度為2.6×10<'-3>～1.63×10<'-1>。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，1)對(duì)于單相流體突擴(kuò)流動(dòng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)較小管內(nèi)流體處于層流階段時(shí)，微管內(nèi)流

4、體突擴(kuò)局阻系數(shù)稍大于常規(guī)管內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；當(dāng)較小管內(nèi)流體處于湍流階段時(shí)，微管內(nèi)液體突擴(kuò)局阻系數(shù)和常規(guī)管的對(duì)應(yīng)值基本一致，但微管內(nèi)氣體突擴(kuò)局阻系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)管的對(duì)應(yīng)值，其原因可能是由于氣體的局部馬赫數(shù)大于0.3，氣體的可壓縮性不能忽略，因此常規(guī)管內(nèi)局部阻力系數(shù)的數(shù)據(jù)處理不再適用于微管內(nèi)可壓縮流體。2)對(duì)于單相流體突縮流動(dòng)來(lái)說(shuō)，當(dāng)較小管內(nèi)流體處于層流階段時(shí)，微管內(nèi)流體突縮局阻系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)管內(nèi)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；當(dāng)較小管內(nèi)流體處于湍流階段時(shí)，微管

5、內(nèi)流體的突縮局阻系數(shù)和常規(guī)管的對(duì)應(yīng)值基本一致，K<,c>=0.5×(1-σ)<'0.75>能較好地預(yù)測(cè)微管內(nèi)的突縮局部阻力系數(shù)。3)對(duì)于氣液兩相流體突變(突擴(kuò)及突縮)流動(dòng)來(lái)說(shuō)，均相流模型遠(yuǎn)遠(yuǎn)低估了微管內(nèi)突擴(kuò)局部阻力損失，而遠(yuǎn)遠(yuǎn)高估了微管內(nèi)突縮局部阻力損失；滑移比S=(p<,L>/p<,G>)<'13>的滑移流模型能夠較好地預(yù)測(cè)微管內(nèi)突變局部阻力損失，說(shuō)明在突變區(qū)域流體間出現(xiàn)了速度滑移。4)得出了單相突縮阻力預(yù)測(cè)關(guān)系式，并采用洛克哈特-馬

6、丁內(nèi)利的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法以及該預(yù)測(cè)關(guān)系式，得出了兩相突縮阻力的預(yù)測(cè)關(guān)系式及使用范圍。第三，由于尺度的減小使得微細(xì)通道通常具有較大的相對(duì)粗糙度。二維粗糙元模型預(yù)測(cè)及數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，由于粗糙元的存在，3％的相對(duì)粗糙度將對(duì)管內(nèi)突縮流動(dòng)阻力產(chǎn)生較大的影響。粗糙元存在導(dǎo)致渦流區(qū)的增大及渦流損失的增加可能是導(dǎo)致微細(xì)粗糙管內(nèi)突縮流動(dòng)阻力增加的原因。 最后，采用高速攝像儀以及壓差波動(dòng)相結(jié)合的方法，以氮?dú)?去離子水為實(shí)驗(yàn)工質(zhì)，對(duì)水力直徑為0.9