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粗糙度对微细通道内流动与换热特性影响的实验研究与理论分析

作　者: 张春平
导　师: 唐大伟
学　校: 中国科学院研究生院（工程热物理研究所）
专　业: 工程热物理
关键词: 粗糙度可视化摩擦阻力系数流动转捩微尺度换热
分类号: TK124
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

科学技术的进步使得研制的设备和系统朝微型化和便携化发展，而且以MEMS为主流的技术也带动了微尺度条件下流动与传热的发展。由于研制开发微流动传感器(微流量计、微压力传感器、微表面应力传感器等)以及微流动系统与设备的需求，使得微尺度条件下的流动和传热成为一个新的前沿研究课题。而且由于尺度的减小使得微细通道通常具有较大的相对粗糙度，且其中的流动一般为层流。从众多文献研究来看，微通道内的流动与传热与常规尺度通道有很大不同，一个很重要的原因来自于壁面相对粗糙度对流动和换热的影响。因此本文主要对粗糙矩形微细通道内流动和换热特性进行了实验研究，并采用正则摄动法获得粗糙壁面微细通道内的解析数值解。Nikuradse和Moody等针对常规尺度层流流动得出众所周知的结论：当壁面相对粗糙度小于5％时对层流流动的摩擦阻力没有影响。但是常规尺度粗糙通道内的研究结果并不能满足粗糙微细通道内流动特性分析和应用的需要。不可压缩层流摩擦阻力实验结果表明，层流区f·Re随着Re数增大而缓慢增大，并非定值。且同一Re数下，壁面相对粗糙度越大，f·Re值和f值也越大。同时实验结果表明，壁面相对粗糙度为0.03％、0.40％、0.51％、1.21％、2.18％、2.32％、3.15％、3.91％和5.36％的矩形微槽的层流区摩擦阻力比传统理论预测值高0～35％、0～55％、19％～41％、9％～56％、13％～46％、8％～58％、28％～59％、31％～88％和12％～47％。强极性工质水、弱极性工质乙醇和非极性工质正己烷的摩擦阻力实验表明，对于水力直径大于250μm的微槽，工质极性对摩擦阻力的影响很小。对高宽比基本相同，壁面相对粗糙度分别为0.40％、2.32％和5.36％微槽内的单相对流换热实验表明，壁面相对粗糙度越大换热越强。与传统理论预测值相比，Re数大于400时所测三种粗糙度微槽换热依次增强约6％～66％、33％～84％和53％～88％。以蒸馏水为工质，以水溶伊红为着色剂的可视化实验表明，Re数较小时，整个微槽内的流型为一条清晰的直线，此时流动状态为层流，也与常规尺度著名的雷诺转捩实验相同。但随着Re数增大，微通道出口段、中间段及入口段流型先后变模糊，流型逐渐由层流过渡为湍流，与传统雷诺转捩实验现象不同。壁面相对粗糙度小于3％时，由流型观测到的转捩Re数均大于1700，与传统理论相比，转捩并未提前；但粗糙度大于3％时，转捩Re数为1500左右，与传统理论相比，转捩已提前。最后本文采用正则摄动法研究了壁面相对粗糙度对微细长直圆管层流流动的影响。通过对物理量进行摄动级数展开获得粗糙壁面条件下微通道流动的零阶和一阶线性(偏)微分方程，求得全场一致有效的渐近解。通过类比层流阻力损失和粘性耗散之间的关系，获得粗糙壁面微通道阻力损失或压降与壁面参数和和Re数之间的关系。粗糙元采用简单一维谐波函数和复杂周期函数进行模化，采用有限差分方法进行求解。计算结果表明，壁面相对粗糙度、壁面波数(或粗糙元间距)以及Re数是影响流动和摩擦阻力的三个主要因素。壁面粗糙度仅影响扰动函数峰值的大小，但不影响受扰区域的大小；粗糙元无量纲间距即粗糙曲线的空间波数对扰动流函数的峰值和受扰区域的大小都有影响；Re数的变化对流动扰动的发展有影响，但影响较小。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-10
第1章引言  10-36
  1.1 课题的背景及目的  10-11
  1.2 文献综述及研究现状  11-34
    1.2.1 常规尺度通道内流动阻力特性的认识  11-13
    1.2.2 微细通道内流动及换热特性研究  13-29
    1.2.3 影响微细通道内流动和换热特性的主要因素  29-32
    1.2.4 壁面粗糙度对流动影响的数值计算和理论分析  32-34
    1.2.5 小结  34
  1.3 本论文的目的和主要研究任务  34-36
第2章矩形微槽内部流动和换热特性的实验研究  36-64
  2.1 常规尺度矩形微槽内粘性不可压缩层流阻力特性  36-38
  2.2 实验用矩形微槽  38-42
  2.3 矩形微槽内不可压缩流动阻力特性的实验研究  42-52
    2.3.1 实验装置  42-43
    2.3.2 实验结果及分析  43-52
  2.4 粗糙度对微槽内部强迫对流换热特性的实验研究  52-57
    2.4.1 实验台装置  52-54
    2.4.2 实验数据处理  54-55
    2.4.3 实验结果及分析  55-57
  2.5 实验误差分析  57-63
    2.5.1 截面误差分析  57-61
    2.5.2 水力直径误差分析  61-62
    2.5.3 综合误差分析  62-63
  2.6 本章小结  63-64
第3章矩形微槽内部流场的可视化实验研究  64-77
  3.1 可视化实验  64-68
    3.1.1 实验装置  64-67
    3.1.2 着色剂选备  67-68
  3.2 实验结果及分析  68-75
    3.2.1 粗糙度对流场的影响  68-73
    3.2.2 矩形微槽的高宽比对流场的影响  73-75
    3.2.3 可视化实验结果与摩擦阻力实验结果的比较  75
  3.3 本章小结  75-77
第4章粗糙壁面微管层流流动的摄动分析  77-106
  4.1 壁面结构  77-79
    4.1.1 壁面结构的几何特征  77
    4.1.2 壁面函数和波数  77-79
  4.2 微尺度流体动力学的解析数值方法  79-87
    4.2.1 流体动力学基本方程组  79-81
    4.2.2 解析解法  81-85
    4.2.3 Fourier分析  85-87
  4.3 粗糙壁面微细圆管层流流动的摄动分析  87-105
    4.3.1 二维圆柱坐标流函数  87-89
    4.3.2 物理模型和方程  89-90
    4.3.3 正则摄动分析  90-92
    4.3.4 壁面为简单谐波函数  92-97
    4.3.5 壁面为复杂周期函数  97-104
    4.3.6 模拟结果与实验结果比较  104-105
  4.4 本章小结  105-106
第5章结论与展望  106-109
  5.1 本文的研究结论  106-107
  5.2 本文的创新点  107
  5.3 对未来工作的展望  107-109
主要符号表  109-111
参考文献  111-122
攻读博士期间发表的论文目录  122-124
致谢  124

粗糙度对微细通道内流动与换热特性影响的实验研究与理论分析

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