丁英涛[1]2003年在《表面效应对微管道中气体流动特性的影响》文中研究指明随着微电子机械系统（MEMS）技术的迅猛发展，微流动特性的研究已成为当前流体力学研究热点。因此对微管道内流动特性的研究有着重要的理论价值和实际意义。本文通过实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法，就微管道内气体流动的若干问题进行了较为深入、细致的研究。主要工作如下：（1）提出了一种便于工程应用的，适合于深宽比较大的，部分考虑压缩性的，微管道内质量流量的近似理论模型，给出了该近似理论模型和常用近似理论模型的适用范围。（2）指出关于微管道内已有的一维可压缩等温流动的平均阻力系数确定方法的不足之处，并提出了一种便于实用的可压缩流动平均阻力系数的确定方法。该方法适用于可压缩流动，在实验数据的基础上可以方便地得到平均阻力系数和壁面平均切应力。（3）将微管道表面粗糙度的影响等效为粗糙度粘性系数，提出适合于可压缩流动的二维和叁维粗糙度粘性系数模型。应用该模型得到的数值模拟结果与实验结果符合的较为一致。（4）对等直－收缩－扩张－等直微管道中气体流动的实验研究发现两个特异现象：其一为微管道内最早出现声速点的位置不一定在喉部附近，其二为微管道中的临界压比与常规值有很大差别。并采用数值实验的手段研究了微管道表面积与体积之比值对上述两个特异现象的影响。（5）对等截面长微直管道中气体流动特性的实验研究发现：在保持进口压力不变的条件下，降低出口压力，质量流量随进出口压比增大而增加，但当进出口压比达到某一临界值以后，质量流量将保持基本不变。本文将这一现象定义为亚堵塞现象，并将对应的压比定义为亚堵塞临界压比。并研究了微管道表面积与体积之比值对亚堵塞临界压比的影响。（6）采用BGK 方法对微管道内流动进行了数值模拟，得到微管道内连续流和滑移流并存流动的数值模拟结果，其沿程压力分布，质量流量与实验结果吻合。
董涛[2]2003年在《微管道换热器内微流体的流动与换热》文中认为微管道换热器以其换热性能卓越、结构紧凑等优点成为小体积高功率电子器件首选的新型散热方式。本文结合硅加工的多路感应耦合等离子体蚀刻工艺，设计并加工了硅制微管道换热器内微流体的流动与换热实验装置，完成了微管道换热器内单相去离子水的湍流对流换热和CFC-141b的流动沸腾换热实验。 分析表明水力直径为100μm左右的微管道内单相液体流动仍满足连续介质假设，引入粗糙度粘性系数，建立了微管道内单相液体湍流对流换热模型，并采用3维有限容积法(FVM)进行了数值计算，将计算结果与实验结果进行了对比。利用有限元法(FEM)解决了热负荷任意分布条件下微管道换热器的换热特性分析的困难；提出并程序实现了一种新的FEM与FVM耦合求解算法，从而获得任意热负荷边界下微管道内湍流对流换热的速度场与温度场，并给出了工程应用实例。 考虑微管道表面粗糙度对流动沸腾的影响及界面区域液滴夹带和沉积效应，以双流体模型为基础，建立了微管道内流动沸腾环状流模型，并进行了数值求解，并对数值模拟结果进行了分析。采用分子动力学模拟方法，首次对CFC-141b在恒定热负荷下流动沸腾过程中壁面附近的气泡形成、气液相界面区表面张力等进行了模拟，结果显示：分子动力学模拟方法可作为研究微管道换热器内流动沸腾微观现象的有效途径。提出了平行阵列微管道内流动沸腾不稳定性分析模型，采用多变量系统频域分析法中的Nyquist稳定性定理判定平行阵列型微管道换热器流动沸腾的稳定性，利用4组相同的微管道阵列并联完成了平行阵列微管道流动沸腾不稳定性实验；分析模型计算结果与实验结果对比显示：分析模型可定性地分析平行阵列型微管道换热器内流动沸腾地稳定性，对微管道换热器的设计和应用具有指导意义。 将微管道换热器抽象成多孔介质模型，利用多孔介质双方程模型导出了微管道换热器系统总热阻计算式；以降低系统总热阻为目标，给出了矩形截面微管道换热器高宽比、肋宽等参数的优化方法。设计并加工了壁面集成微热管、壁面增加凹凸粗糙元、平行折线型等4种平行阵列型微管道换热器的强化传热结构；分析与实验结果显示：4种强化传热结构的总热阻均比强化前显着降低。 首次提出并加工出了树状分形结构微管道网络换热器和仿蜂巢结构微管道网络换热器；分别对2种硅制分形结构微管道网络换热器的流动与换热特性进行分析，并与平行阵列型微管道换热器进行了对比。结果表明：两种分形网络微管道换热器均比平行阵列微管道换热器具有更高的换热能力，且只需较小的泵送功率。
张凯[3]2007年在《微器件中流体的流动与混合研究》文中进行了进一步梳理本文主要是以数值模拟为主对微流体芯片中的流动、传热和传质现象进行研究，并且在此基础上对微流体芯片应用中遇到的混合和分离现象进行深入的探讨，所得的一些结论对于微流体芯片的商业化有一定的指导作用。首先，在介绍微通道在流体混合和分离的应用背景和研究状况的基础上，利用流体力学基本的控制方程和微流体的微观效应，推导出了本人实际研究所需的微流体的相关的控制方程。其次，针对实际的流体力学研究及其分析化学操作中常用的压力驱动方式，研究了如下几个方面的问题：压力驱动微通道流中对流和壁面效应对于扩散尺度的影响；压力驱动微通道弯管中二次流效应及其弯道曲率、Re数与其中的流体扩散的关系；具有电粘效应及其热物理效应的微管道的特征尺度和宽高比对Nusselt数以及Poiseuille数的影响。此外，随着微流体芯片的发展，电渗成为一种高效的微流体驱动方式，针对这种情况，进行了如下的研究：提出了一种通过周期性方波形壁面电势改性的具有二维微直通道的混合方法；提出了一种局部壁面电势改性的具有二维微弯道的混合方法；提出了一种对壁面电势的优化方法，从而可以减轻具有焦耳热和弯道效应中的样品的轴向扩散；电渗驱动微通道中的脉冲样品的浓度扩散与外加电场和缓冲液浓度、水力直径及其通道的高宽比的关系。
贺建坤[4]2008年在《石英微管内的流动及换热特性的实验研究》文中研究指明微机电系统(MEMS)近几来迅速发展,在反应国家科技实力的高尖端的领域包括航天,军工,化工,生命科学,电子等行业应用日益广泛。微机电系统中必然要布置微型的输送管路,这些管路内的工质的流动规律和换热规律引起了行业内专家学者的普遍关注,世界各国在该研究领域投入大量的人才和经费展开研究。本文旨在通过对微石英管内部的粘性耗散以及流动特性和换热特性的实验和理论研究,借鉴和总结前人的研究成果,通过实验和计算为微石英管通道内部的换热和流动特征提供一定的实验数据和理论基础。首先对水力直径19.6μm和44.2μm的微石英管内部的粘性耗散进行了数值计算,先根据努森准则得到连续性假设适用于微管流动,从而确定了微管内流动的控制方程,考虑到石英微管中的EDL效应,根据静电学相关理论,确定出了控制方程的边界条件。用SIMPLER算法求解控制方程,经过数值模拟计算绘制出各微管在不同Re数下温度场的分布情况。同时利用自行设计的由基本的供压、导流管路,数据采集和红外成像系统组成的实验系统,通过控制进出口的压力等参数拍摄得到不同雷诺数下各管径尺寸的粘性耗散影响的石英微管的分布图。通过对比数值计算值和实验值可以发现,当微管尺寸小于50μm时,粘性耗散的影响不能忽略。同时测量了19.6μm微管在不同工质(纯水,四氯化碳,氮气)流动阻力特征并与经典理论值进行对比,得到了微管内部规律性流动阻力特征以及EDL效应粘性耗散效应、稀薄效应等对f值的影响。其次对水力直径为304.1μm及192.9μm突扩和突缩情况下的微石英管内部的流动进行了实验研究,采用超纯水为工质,分别测量了304.1μm及192.9μm在突扩和突缩时的f值。实验结果与经典的理论值进行了对比,得到微管突缩与突扩时的f值与Re数的关系。以去离子水为工质,采用缠绕细铜丝法对水力直径分别为44.2μm、91.7μm、141.1μm微石英管进行加热,得到Nu数与Re数的关系,并与经典理论值进行对比,研究表明,在低Re数下,实验Nu数小于经典理论值,这主要是由于工质沿微管流动方向的热物性变化效应导致的。随着Re数增加,实验Nu数迅速增加,并超过理论值,这主要是由微管壁向处更薄导热液层、粘性耗散效应壁向表面粗糙度导致的。
郭春海[5]2011年在《电磁力扰动作用下微管道中液体流动与混合的特性研究》文中研究指明微小机械装置,无论是在商业化应用还是在科学研究上都变得越来越普遍。而作为微电子机械系统(MEMS)的一个重要分支,微流体系统已得到了很大的发展和广泛的应用。微流体系统包括微传感器、微泵、微阀、微通道、微计量器等元件。微流体系统将采样、混合、反应、分离、检测等功能就集成到尽可能小的操作平台上,而对微升量级的液体的精确操控是实现微流体系统功能的核心和关键,微混合则是其重要环节之一。该过程通常是将两种或多种流体进行混合,而实际上对于仅用压力驱动的微流体管道中流动的Re很小,流动呈层流状态,相邻液体之间的混合方式主要依赖于扩散,而液体分子间的扩散系数大约是10-10m2/s,单独依靠分子扩散实现混合的效率很低,因此如何提高混合效率成为研究的主要目标。本文给出了一种微管道中主动混合的方案,其基本原理是通过电磁力的作用,诱导微流道中流体发生二次流动,使流道中流体出现往复运动及流体界面的弯曲延伸,使不同流体的接触面积大大地增加,有利于扩散,从而提高混合效率。采取试验研究与数值模拟相结合的方式对微管道中液体的流动与混合过程进行了研究。首先就电磁力对流动的影响进行了探索性研究,设计了一种小型的电磁力驱动混合装置,并进行了试验研究和数值模拟,两者结果相吻合。在此基础上设计了一种T形微混合器,对不同方式电磁力作用下的混合器中流体流动与混合过程进行了详细的研究。试验研究过程中采用定性研究与定量研究相结合的方案。通过添加示踪剂的方法定性地研究电磁力对微混合器中流动的影响。采用先进的显微粒子图像测速系统(Micro Particle Image Velocimetry,简称Micro-PIV),对流体的流动与混合过程进行了详细的定量研究。在连续介质模型的基础上进行了数值模拟。数值模拟过程采用有限体积法耦合求解流动的N-S方程、电磁力的麦克斯韦方程以及组分方程,得到了混合器中流体的流动参数分布。本文给出了评价微混合器中流体混合强度的性能指标,即通过分析在混合器某截面处不同流体的体积分数的方法,来评价混合的效率。并对不同的电磁力作用下的流体的混合情况进行了分析比较,在此基础上对微混合器进行了优化设计。本文研究表明,电磁力对混合器中流体的流动状态起到了扰动作用,能有效地增强不同流体间的混合。另外通过对不同形式的电磁力及不同的电磁力扰动方式下流动状态的研究表明,电磁力对流场的扰动越复杂,不同流体间的混合效率越高。
罗道威[6]2006年在《气液、气液固微反应器流动特性》文中认为微通道中多相流动压降是微反应器设计与放大必需的重要参数,而微通道中多相流动压降又与流型密切相关。近年来,人们对微通道中气液两相流动特性进行了较深入的研究,但尚未很好地解决流型的划分与压降准确预测的问题;而对于微通道中气液固叁相流动特性的研究尚未见文献报道。本文在内径400μm的玻璃圆形微通道中,进行了气液两相和气液固叁相流动特性的研究。实验过程中液相为水、乙醇、两种不同浓度的CMC水溶液,气相介质为氮气,固相为纳米二氧化硅。实验中通过高速摄像,在两相流和叁相流均观测到了泡状流、弹状流、弹-环形状流、扰动流和环形流等流型。以We_(LS)、We_(GS)、Re_(LS)、Re_(GS)、ρρGL为输入参数,采用BP神经网络可以很好地预测微通道内的气液两相流的流型,辩识率为96.7%;以We_(PSLS)、We_(LS)、Re_(PSLS)、Re_(LS)、ρρP GSL、WS为输入参数,采用BP神经网络可以很好地预测微通道内的气液固叁相流的流型,辩识率为97.8%。利用神经网络的分区结果,对气液微通道中各区压降预测公式进行了研究,得到了如下结果:在扰动流、泡状流区域,选用平均动能法能很好地预测流动压降,平均动能法中的比例系数被修正为: );在弹状流区,采用Kreutzer等[74]的压降预测公式和神经网络预测弹状长度相结合,可以较好地预测该区域的压降;在弹-环状流区,Dukler模型在与弹状流与弹-环状流转换区域得到了很好的结果,平均动能法在弹-环状流和环状流之间的转换区域得到了很好的预测结果;在环状流区域,采用基于气相乘数的方法可以很好地预测流动压降。对气液固微通道中各区压降预测中,挠动流、泡状流、弹状流和弹-环状流区,选用平均动能法能很好地预测流动压降,平均动能法中的比例系数被修正为a=0.015,其与二氧化硅质量含量无关;在环状流区域,采用的是基于气相乘数Φ_(vo)~2的方法来预测流动压降。
胡瑞清[7]2017年在《非牛顿流体在微尺度管道内流动的实验研究》文中进行了进一步梳理非牛顿流体是一类不遵守牛顿粘性定律的流体的统称。在自然界中与人造物中都广泛的存在,血液和聚丙烯酰胺(PAM)水溶液就是分别属于自然界和人造物中的非牛顿流体,它们虽同属一个类别,但其实际的微观结构可谓天差地别。本文中通过微流动实验的方式,探究了这两种流体在微管道流动过程中的流动特性,总结出了这两种非牛顿流体在流动中表现出来的一部分规律。论文的主要内容和结果如下:1.搭建微管道芯片流动实验平台,设计了一种对实验装置要求不高的压力测量方法。自行搭建的实验平台可以满足包括流动实验、控制、观测、记录以及压力测量在内的实验需求。2.在单根毛细微管道中,进行了以压力驱动的PAM水溶液流动实验。实验结果表明,在管径足够小的毛细管中PAM水溶液需要一定的临界压力才能开始流动,并且其临界压力与PAM的平均分子量有着直接的关系。同时考察了实验其他参数对于PAM水溶液流动特性的影响。给出了一个特定条件下PAM水溶液临界压力与质量分数之间的数值关系,讨论了临界压力出现的原因。3.通过对肿瘤组织血管网络形态的分析,提取了其主要特征,结合肿瘤组织血管真实尺寸设计制作了微管道芯片。在置信度分析之后,使用红细胞悬液代替全血做为流动介质在微管道芯片中进行了流动实验,通过对以图像序列为形式的实验结果的分析,得到了红细胞悬液中的红细胞速度以及悬液流动特性与红细胞比容(Hct)、入口流速、管道尺寸结构之间的关系,并对其中的规律做了一定的总结。4.通过对视网膜血管网的分形结构的分析,模拟其几种比较典型的特征结构,结合血管的真实尺寸,本文设计制作了两系列共四种微管道芯片,同样通过进行了流动实验并通过数据处理分析了在这两个系列微管道中红细胞悬液的流动特性,还证实了在实验用微管道中Fahreaus效应的存在,并利用实验结果进行了交叉验证。
侯亚丽[8]2007年在《微通道内流体流动和换热特性的实验研究》文中研究指明近几年来,微尺度条件下的传热和传质问题受到了世界各地研究者的青睐,并在很多领域得到了广泛的应用,但有关微尺度下的流动和换热机理的认识仍然极不充分,实验结果相差很大,甚至相互矛盾。本文就是在这种背景下展开的,以揭示微通道内流动和换热机理为目的,对矩形和圆形微通道内的流动和换热特性进行了实验研究和理论分析。首先,以蒸馏水为工质,对水力直径为107.67μm-265.49μm、长宽比为0.2-0.9、内壁面相对粗糙度为2-6%、Re数范围在50-1400内的10根紫铜单矩形微通道内部的流动特性进行了研究。实验着重分析了矩形微通道内流动的异常情况及壁面粗糙度对流动的影响,并证明矩形微通道内流体的流动特征不仅与水力直径有关,且与矩形的长宽比也有着紧密的联系。其次,采用蒸馏水、四氯化碳和氮气作为实验工质,对内径分别为19.60μm、44.63μm、91.65μm和140.86μm的四种规格的石英玻璃微管内流体的流动特性作了细致的研究分析。实验发现与常规尺度下的流动相比,工质为液体时,以上规格的微管内都出现了层流向湍流过渡的提前,导致实验f值在较大Re数处偏离经典理论值。同时发现除了直径为19.60μm的微管外,工质极性对微管内的流动特性不产生影响;当工质为气体时,在相同Re数下,管内径越小,微管内的f值越小;考虑实验误差的前提下,可近似认为叁种尺寸较大的管内部的f值在小Re数下与经典理论的预测值相等。最后,以去离子水为工质,对内径分别为44.63μm、91.65μm、140.86μm、241.98μm、314.97μm及520.05μm的六种规格的石英玻璃微管内的对流换热特性进行了实验研究。实验中采用电加热紧密缠绕于微管外表面的细铜丝的加热方法,实现了对微管的定热流加热。实验结果表明:随着微管直径的减小,由层流向湍流过渡时的Re数越来越小,当Re数较大时,换热强度也随着内径的减小而增强。同时随着直径的减小及Re数的增大,粘性耗散效应对换热的影响作用也相应增强。
顾春元[9]2008年在《石油储层微孔道纳米减阻机理研究》文中提出石油储层微孔道的纳米减阻技术是一种降低油田注水压力的新技术,其对于确保和提高油田注水量、进而提高低渗油田原油采收率具有十分重要的意义。尽管室内实验和现场试验结果都表明这种技术可以取得显着的减阻效果,但由于内在机制尚不清楚,使得这项技术的发展和应用受到了严重的制约。本文在此背景下,结合微流动方面的研究成果,针对石油储层微孔道结构的特点,提出了基于纳米滑移效应的减阻机理,并对其进行了较系统的实验验证。具体工作包括:1)提出了以纳米滑移效应为核心的石油储层微孔道纳米减阻机理。纳米颗粒与水分子发生竞争吸附,取代水化层在储层微孔道壁面形成强吸附层。该吸附层具有纳米结构和超疏水特性,当水流从纳米层表面流过时,产生了纳米滑移效应,使流道的有效直径超过实际直径,从而使流量提高、流动阻力下降。2)根据滑移长度的定义和多孔介质的基本渗流定律,建立了纳米颗粒吸附多孔介质的水流滑移模型,给出了滑移长度和渗透率之间的数学关系。该模型将宏观效应和微观特征联系起来,为纳米减阻机理提供了理论依据。3)基于对储层微孔道特性和纳米颗粒表面特性的研究结果,分析了疏水纳米颗粒在地层微孔道中的微观受力特征,归纳和推导了纳米颗粒与孔壁的各种微观作用能公式,并进行了数值计算。计算结果表明,静电引力作用是纳米颗粒克服疏水阻力作用的主要因素,多氢键作用是颗粒牢固吸附在储层微孔道壁面的关键。这一结果为纳米颗粒取代水化层形成纳米颗粒强吸附层提供了理论依据。4)采用岩心吸附和SEM扫描相结合的方法,观测了纳米颗粒在岩心表面的吸附特征和分布状态。结果表明,纳米SiO_2颗粒比TiO_2、ZnO颗粒与岩石表面的吸附力更强;颗粒在岩心表面的吸附特征受水膜的影响较小,但储层微孔道壁面的粗糙度对吸附特征有较大影响,粗糙度越大,纳米颗粒吸附层的厚度越大。5)利用岩心吸附法和纳米粉体压片法构建了微纳米结构表面,测试了这些表面的接触角和滚动角,采用SEM观测了表面的微观结构。结果表明,这些表面具有微纳米复合结构,其润湿性由强亲水变为超疏水,这说明疏水纳米颗粒的吸附使岩石表面具有了超疏水特性。通过数值计算分析了影响发生去水湿现象的一些规律,揭示了岩石润湿性变化的机制。6)基于纳米滑移效应的减阻机理开发了多种纳米增注剂样品,通过岩心流动实验评价了这些样品的减阻效果。结果表明,2种修饰剂改性的纳米SiO_2和两种粒径的ShU2样品均具有明显的减阻效果,水相渗透率平均增幅达24%～59%。7)模拟地层温度和压力条件,通过岩心流动实验对不同预处理工艺、以及纳米液注入量、纳米液浓度和关井时间等参数进行了优化,确定了矿场试验技术参数,制定了选井原则。设计了3口井的试验方案,开展了2口注水井的纳米减阻矿场试验。试验结果显示,保持注水量不变,注水压力平均降幅为4～12.5MPa。8)在模拟纳米颗粒吸附毛细管内水的流动特性的基础上,采用LBM模拟了纳米液驱替岩心流动实验结果,反演了纳米颗粒吸附引起的实验岩心微孔道壁面的滑移长度。
张先锋[10]2007年在《微尺度流动及强化混合技术的研究》文中认为作为MEMS技术的一个重要分支，微流体系统已得到了很大的发展和广泛的应用，但其内部的流动和传递过程的理论仍不成熟。为此，本文着眼微尺度流动与传热传质，采用理论分析和数值模拟的方法，分别就微喷管内的流动特性及推进性能、微尺度下强化混合技术进行了较为系统的研究，并设计和制作了微喷管和微混合器，用实验的方法来验证理论分析。针对微槽道中气体流动的特征，分别采用连续介质模型和分子运动模型(DSMC方法)简要分析了连续介质模型中不同滑移边界条件的适用范围，并总结出稀薄效应对槽道中压力的的影响和可压缩效应的作用趋势是相反的。通过DSMC方法和求解无滑移和有滑移的Navier-Stokes方程，对微喷管中的流动特性和推进性能进行了数值模拟，分析了喷管的外形、工作压力及温度边界条件对流场结构和推进性能的影响，提出相应的优化方案，并以此为参考设计和制作了微喷管。研究表明，在喷管扩张段气体的非平衡效应和稀薄效应增强；雷诺数是表征喷管性能的特征参数，调节喷管尺寸和工作压力获得合适的雷诺数，以改善推进效率；增大推进工质的滞止温度将提高比冲，但以牺牲推进效率为代价。微尺度下强化混合技术即是增大混合流体间的接触面积，加强分子扩散的过程。其中，被动式混合过程中，雷诺数(Re)和施密斯数(Sc)是它的相似准则数，而在主动式中，可以采用雷诺数(Re)、斯托拉赫数(St)和佩克莱数(Pe)或沃姆斯莱数(Pe)和佩克莱数(Wo)为相似准则数。从微尺度下混合过程的机理出发，根据不同应用场合，提出了基于合成射流的主动式混合器和带挡板的被动式混合器。利用Navier-Stokes方程和组分扩散方程研究了主动式混合器中进口条件以及射流参数对混合过程的影响，采用了相似分析方法分析了被动式混合器中不同槽道结构以及进口条件下的混合特征，研究表明，非对称的结构有利于混合的发生，被动式混合器中雷诺数表征了混合的发展状况。通过实验手段研究了不同槽道形状的被动式混合器中混合过程，利用流场显示方法验证了被动式混合器中混合效果随雷诺数的发展过程以及挡板高度对混合过程的影响的理论分析。
参考文献：
[1]. 表面效应对微管道中气体流动特性的影响[D]. 丁英涛. 清华大学. 2003
[2]. 微管道换热器内微流体的流动与换热[D]. 董涛. 南京理工大学. 2003
[3]. 微器件中流体的流动与混合研究[D]. 张凯. 浙江大学. 2007
[4]. 石英微管内的流动及换热特性的实验研究[D]. 贺建坤. 山东理工大学. 2008
[5]. 电磁力扰动作用下微管道中液体流动与混合的特性研究[D]. 郭春海. 南京理工大学. 2011
[6]. 气液、气液固微反应器流动特性[D]. 罗道威. 天津大学. 2006
[7]. 非牛顿流体在微尺度管道内流动的实验研究[D]. 胡瑞清. 中国科学技术大学. 2017
[8]. 微通道内流体流动和换热特性的实验研究[D]. 侯亚丽. 河北工业大学. 2007
[9]. 石油储层微孔道纳米减阻机理研究[D]. 顾春元. 上海大学. 2008
[10]. 微尺度流动及强化混合技术的研究[D]. 张先锋. 中国科学技术大学. 2007
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