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微通道流动特性的数值分析

作　者: 刘君
导　师: 朱蒙生
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 流体力学
关键词: 微细通道流动特性数值模拟速度滑移粗糙度
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着微电子机械系统(MEMS)的迅速发展,微流体设备作为其重要组成部分受到人们越来越多的关注。微细尺度条件下流场内各种作用力的作用效果会发生相应变化,即微细尺度领域的许多物理现象与宏观现象有很大差别,流动过程呈现出许多与常规尺度情况不同的现象,使得这一课题的研究具有重要的现实意义和科学价值,从而成为当今流体力学研究领域中的一个新的热点。本文以典型的微尺度通道和?型复杂微通道流动为研究对象,基于数值模拟软件对微细通道的流动特性进行了研究。采用有限容积法,并对计算流体力学软件进行了二次开发,编写自定义函数,对所有计算区域,均采用变物性求解技术,采用标准k-ε模型与壁面函数法相结合的方法求解微流道内的流场。以圆管层流流动为研究对象,分析速度滑移对微细通道内气体流动的影响。先给出的是不考虑速度滑移下的圆管的粘性流动,然后推导出考虑速度滑移下的管内流动公式,通过MATLAB仿真计算可知,当滑移长度与微细通道的半径尺寸相当时摩擦系数值远小于没有考虑速度滑移时的值。通过数值模拟方法,研究了的物性参数变化、长径比、当量直径、高宽比对微细矩形通道流动特性的影响。其数值计算结果表明:(1)对于确定的微细通道,物性参数的变化对于层流及湍流流动特性影响很大,层流时考虑变物性求解的流动阻力系数和泊松数比定物性求解的缩小近15%,湍流情况下也有一定的影响。(2)为了消除入口段的影响,与常规尺度通道满足长径比大于50的结果所不同的是,微细矩形通道的计算模型应满足长径比大于70;(3)微细矩形通道的阻力系数和泊松数与当量直径成反比,当量直径越小,通道的阻力系数和泊松数越大; (4)微细矩形通高宽比越小,流体流动的阻力系数越小,流体的流动性能越好。利用数值模拟研究重点研究了相对粗糙度、粗糙元间距以及流场雷诺数对于微细粗糙圆管内流动特性的影响。分析结果说明:(1)在一定的间距比及雷诺数下,相对粗糙度ε/d≥2%时就会对圆管内的流动阻力产生不可忽略的影响;(2)相同雷诺数情况下,间距比越小,管内阻力系数f和流动泊松数Po越大;不同间距比情况下的流动泊松数差值可以达到27% ;(3)当流场内的几何条件固定时,流动的泊松数Po随着雷诺数Re的增大而增大。通过对(?)型复杂微细通道的当量直径、雷诺数以及截面类型对于通道流动的影响进行研究可以得出:圆形通道流场的压降随着当量直径的减小而增大,由此相对应的是当量直径越小的流场内的速度场变化剧烈,温度场的温度低。圆形通道内流场的负压区随着雷诺数的增大而增大,在拐弯处的各种流场变化明显。在相同的当量直径和雷诺数情况下,正方形通道的流动换热效果比圆形通道的要好。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章绪论  11-19
  1.1 课题背景及意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-17
    1.2.1 国外研究现状  13-15
    1.2.2 国内研究现状  15-16
    1.2.3 国内外研究概述  16-17
  1.3 本文的研究内容  17-19
第2章微流体力学基础  19-30
  2.1 根据尺度划分的几类微细通道  19
  2.2 微细通道中影响流体流动特性的因素  19-22
    2.2.1 尺度  19-20
    2.2.2 表面(界面)力  20
    2.2.3 气泡  20
    2.2.4 表面相对粗糙度  20-21
    2.2.5 液体的极性  21
    2.2.6 双电层阻力  21
    2.2.7 速度滑移  21-22
  2.3 微细通道模拟计算中的问题以及对策  22-29
    2.3.1 微流道进口效应  22-23
    2.3.2 流体物性变化的处理  23-24
    2.3.3 湍流模型的选择  24-25
    2.3.4 近壁区的处理方法  25-29
  2.4 本章小结  29-30
第3章速度滑移对微细通道气体流动的影响  30-38
  3.1 速度滑移简介  30-31
  3.2 无速度滑移下圆管中的粘性流动  31-33
  3.3 考虑速度滑移后圆管中的粘性流动  33-35
  3.4 微通道内滑移流动的仿真与分析  35-36
  3.5 本章小结  36-38
第4章微细通道的流动阻力  38-62
  4.1 微细矩形通道三维流动数学模型  38-41
    4.1.1 几个无量纲参数  39-40
    4.1.2 流动求解方法  40-41
  4.2 微细通道流动数值计算方法  41-44
    4.2.1 计算区域的离散  42-43
    4.2.2 控制方程的离散  43-44
    4.2.3 求解 N-S 方程的 SIMPLER算法  44
  4.3 物性变化对微通道内流动阻力的影响  44-46
  4.4 通道几何尺寸对微细通道内流动阻力的影响  46-50
    4.4.1 长径比对微细通道内流动阻力的影响  46-47
    4.4.2 当量直径对微细通道内流动阻力的影响  47-48
    4.4.3 高宽比对微细通道内流动阻力的影响  48-50
  4.5 粗糙度对微细管内层流不可压缩流动阻力的影响  50-61
    4.5.1 粗糙度对层流流动阻力影响的简化模型  50-52
    4.5.2 微细粗糙管内流动特点  52
    4.5.3 粗糙度对微细管层流流动阻力影响分析  52-61
  4.6 本章小结  61-62
第5章 Ω型复杂微细通道的流动阻力  62-76
  5.1 数值模拟方法与过程  62-65
    5.1.1 Pro/ENGINEER软件介绍  62-63
    5.1.2 管道三维实体模型的建立  63-64
    5.1.3 控制方程和边界条件  64-65
    5.1.4 计算方法和差分格式  65
  5.2 当量直径的影响  65-68
    5.2.1 当量直径对压力场影响  65-66
    5.2.2 当量直径对温度场影响  66-67
    5.2.3 当量直径对速度场影响  67-68
  5.3 不同雷诺数的影响  68-72
    5.3.1 不同雷诺数对压力场影响  69-70
    5.3.2 不同雷诺数对温度场影响  70-71
    5.3.3 不同雷诺数对速度场影响  71-72
  5.4 不同通道截面类型的影响  72-75
    5.4.1 不同通道截面类型对压力场影响  72-73
    5.4.2 不同通道截面类型对温度场影响  73-74
    5.4.3 不同通道截面类型对速度场影响  74-75
  5.5 本章小结  75-76
结论  76-78
参考文献  78-84
致谢  84

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