微細通道內單相和兩相阻力損失特性的研究.pdf

1、微細通道在微機電系統(tǒng)、微電子、生物、通訊，尤其是航空航天上的廣泛應用使得微尺度流動及換熱特性研究成為當前重要的研究課題。近二十年來，大量的實驗及分析結果說明微細通道內流動和換熱與常規(guī)尺度通道的結果不同，具有明顯的尺度效應，同時，不同研究者實驗得到的結果大相徑庭，甚至相互矛盾。本文以揭示微細通道內流動的機理為目的，以局部阻力特性為著重點，對微細通道內的單相和兩相流動進行了實驗研究及理論分析。 本文首先針對微細通道流動的實驗需要，發(fā)

2、展了縫隙測壓的壓力測量技術，就縫隙測壓的可行性以及縫隙寬度大小對壓力測量的影響進行了實驗研究。首先采用縫隙測壓技術(縫隙寬度分別為33μm、67μm和132μm)測量不同的流體流過內徑為336μm的不銹鋼管時的摩擦阻力：然后將所得的實驗數(shù)據與經典公式進行比較。實驗結果顯示，應用縫隙測壓這種壓力測量技術于微管內流體壓力的測量是可行的。當取壓縫隙寬度與管徑之比ξ≤0.2時，測量誤差很小，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，采用縫隙測壓的方法，分別以去離子水、甲苯、無水乙醇和氮氣為實驗工質，首次測量了內徑在330μm～850μm的微管內單相以及氮氣-水氣液兩相流體的突擴及突縮局部阻力損失。實驗是在室溫和大氣壓力下進行的。單相流體的雷諾數(shù)范圍為589～8520，氣液兩相質量干度為2.6×10<'-3>～1.63×10<'-1>。實驗結果表明，1)對于單相流體突擴流動來說，當較小管內流體處于層流階段時，微管內流

4、體突擴局阻系數(shù)稍大于常規(guī)管內的實驗結果；當較小管內流體處于湍流階段時，微管內液體突擴局阻系數(shù)和常規(guī)管的對應值基本一致，但微管內氣體突擴局阻系數(shù)遠遠大于常規(guī)管的對應值，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)管內局部阻力系數(shù)的數(shù)據處理不再適用于微管內可壓縮流體。2)對于單相流體突縮流動來說，當較小管內流體處于層流階段時，微管內流體突縮局阻系數(shù)遠遠大于常規(guī)管內的實驗結果；當較小管內流體處于湍流階段時，微管

5、內流體的突縮局阻系數(shù)和常規(guī)管的對應值基本一致，K<,c>=0.5×(1-σ)<'0.75>能較好地預測微管內的突縮局部阻力系數(shù)。3)對于氣液兩相流體突變(突擴及突縮)流動來說，均相流模型遠遠低估了微管內突擴局部阻力損失，而遠遠高估了微管內突縮局部阻力損失；滑移比S=(p<,L>/p<,G>)<'13>的滑移流模型能夠較好地預測微管內突變局部阻力損失，說明在突變區(qū)域流體間出現(xiàn)了速度滑移。4)得出了單相突縮阻力預測關系式，并采用洛克哈特-馬

6、丁內利的實驗數(shù)據處理方法以及該預測關系式，得出了兩相突縮阻力的預測關系式及使用范圍。第三，由于尺度的減小使得微細通道通常具有較大的相對粗糙度。二維粗糙元模型預測及數(shù)值計算結果顯示，由于粗糙元的存在，3％的相對粗糙度將對管內突縮流動阻力產生較大的影響。粗糙元存在導致渦流區(qū)的增大及渦流損失的增加可能是導致微細粗糙管內突縮流動阻力增加的原因。 最后，采用高速攝像儀以及壓差波動相結合的方法，以氮氣-去離子水為實驗工質，對水力直徑為0.9