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微通道内液体流动和换热特性的数值模拟研究

作　者: 逄燕
导　师: 刘赵淼
学　校: 北京工业大学
专　业: 力学
关键词: 微通道数值模拟几何尺寸边界滑移
分类号: TK124
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着微型化逐渐成为科学研究和工程应用的一个重要趋势,其中涉及的微尺度通道内的流动问题越来越被重视。各种微元器件在生物、医药、航天、机械以及电子等各个领域广泛应用,微通道内液体的流动摩擦阻力和传热系数等的大小将直接影响微通道性能,进而影响微元器件的工作性能,但是微通道内流动和换热等方面仍缺乏成熟的理论和可靠的实验。本文的工作旨在将微尺度液体流动通过数值模拟的方法展现出来,分别对微通道内流动和传热特性等进行有效的预测,以指导和优化不同功能微通道的设计,加深和拓宽微尺度流动在工程领域的应用。基于连续介质方法数值模拟了液体在不同结构微通道内的流动状况,从截面形状、当量直径、壁面粗糙度和微通道长度等方面对通道内液体流动的摩擦系数和泊肃叶数的变化进行了分析,并将模拟结果与相同模型的实验结果和宏观流动中的经验理论相比较。通过摩擦系数随雷诺数的变化曲线得到微通道内流动的转捩雷诺数或者过渡状态存在的雷诺数范围,微尺度通道的截面直径会改变过渡状态存在的雷诺数范围;粗糙度会影响湍流状态下流动的摩擦系数。对比不同几何尺寸下的流动泊肃叶数,存在某一临界当量直径以及临界宽高比,当量直径或宽高比大于临界值时其对泊肃叶数没有影响。数值研究了矩形截面微通道中截面高宽比、当量直径和通道长度对传热性能的影响,分析了不同通道的温度分布和传热效果。在相同的热边界条件下,通过比较包括微通道当量直径、通道长度、通道截面的宽高比等几何尺度对传热努塞尔数等的影响,得到了具有明确物理意义的各几何参数、雷诺数和努塞尔数的关系式。在研究的雷诺数范围内,传热努塞尔数正比于当量直径和宽高比,但是通道长度对努塞尔数的作用受流动雷诺数的影响。数值分析了滑移边界条件和温黏关系对微尺度流动和传热特性的影响,分析了有无边界滑移条件和液体温黏关系时,微通道内的速度和温度分布,以及摩擦系数和努塞尔数的变化。边界滑移条件使相同雷诺数下的流动摩擦系数减小。在不同的雷诺数范围内,边界滑移对努塞尔数的影响不同。温黏关系使相同压差下,微通道内液体的流动速度显著提高,且相同雷诺数下的流动摩擦系数明显降低,但是对努塞尔数随雷诺数的变化关系没有明显的影响。

微通道内液体流动和换热特性的数值模拟研究

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