（流体机械及工程专业论文）微尺度器件及旋转干气密封微间隙内流体流动问题的研究.pdf

摘要 微尺度器件内部流动的研究是微机电系统研究领域中不可或缺的一部分，是近年来 国内外学者关注的研究前沿。本方面国内外研究水平很不平衡，国内起步较晚，相关研 究最早开始于上世纪九十年代，近十几年来逐渐成为研究熟点，受到广泛的关注。微尺 度通道是微尺度器件的重要组成部分，本文通过实验与数值计算，对静止与旋转的、尺 度在1 0 - 5 0 微米左右的微通道内部流体流动现象与规律进行了详细的研究，主要包括以 下几个部分的内容； 第一部分：徽管道内流体流动特性研究 对公称直径为2 0 微米和5 0 微米的微圆管道内的压力驱动氮气流动进行了定量实验 研究，得到了微尺度圆管道内的压力流量曲线。试验结果表明，当m a 数小于o 3 时， 微管道内气体流动必须按可压缩流动考虑。 开发了二维微通道内有边界滑移的流体流动的数值计算程序，其中压力与速度的耦 合采用s i m p l e 算法。数值计算结果表明，稀薄效应使徽通道内的流体流量较宏观理论 值为大，同时流量也受流动的k n 数及微通道的切向动量调节系数所影响。通过三维数 值计算与实验结果的比较和分析，m a 数小于0 3 ，低k n 数范围内，气体的可压缩效应 与边界滑移效应均存在，并可求得微管道的切向动量调节系数。数值分析表明可压缩效 应对流动的影萌占主导地位，面边界滑移效应对流动的影躺很小，扶工程应用的角度考 虑，可忽略不计。 第二部分：微射流放大器内流体流动特性研究 对液体偏向型微射流放大器内部流场进行三维数值计算进行了有益的尝试，得到了 平均流量增益曲线。计算结果与分析表明，在液体微尺度流动理论尚不完善的情况下， 求解n - s 方程可对微射流放大器内部流动进行预估，将其内部流场分析与外部运行特性 分析有机地结合起来，为今后的实际应用和优化设计提供了较为可靠的依据。 第三部分：千气密封微间隙内流体流动特性研究 提出了旋转螺旋槽气体密封内部流动的近似解析算法，并在旋转状况下微间隙流动 的三维流场数值模拟方面进行了尝试和探索，提出虑及气体的可压缩性与物性参数变化 的修正方法，并经与经典文献中试验结果比较表明，上述的方法是可靠有效的。 关键词：微机电系统( m e m s ) ；微尺度；微管道；微射流放大器；干气密封 r e s e a r c ho nf l o wi nm i c r o - d e v l c eo fm e m sa n d d r y - g a ss e a l s a b s t r a e t t h es t u d yo ff l u i df l o wi nm i r c o - d e v i c ei so n eo f m a i na s p e c t sf a c e di nm e m sa n dg e t s m o r ea t t e n t i o nf r o mm o l ed o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h e r s t h e r ei sm u c hd i f f e r e n c ej nt h i s f i e l db e t w e e nd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h 确ed o m e s t i cs t u d yo fm i c r o f l u i ds t a r t s a t n i n e t e e n si nt h el a s tc e n t u r ya n dg e t sm o r ef o c u si nr e c e n ty e a r s m i r c oc h a n n e li so n eo f m a i np a r t si nm e m s i nt h i sp a p e r , t h ed e t a i l e di n v e s t i g a t i o nb ye x p e r i m e n t a la n dn u m e r i c a l m e t h o di sg i v e nt ot h ef l u i df l o wi ns t a t i ca n dr o t a r ym i c r oc h a n n e lw i t hc h a r a c t e r i s t i c d i m e n s i o n1 0 - 5 0n m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： t h ef i r s tp a r ti sf o rs t u d yo f f l u i df l o wi nm i c r oc h a n n e l s t h ep r e s s u r e - d r i v e nn i t r o g e ng a sf l o wi nm i c r op i p ew i t hn o m i n a ld i a m e t e r2 0a n d5 0 t i mi ss t u d i e db ye x p e r i m e n t a lm e t h o d ，a n dp r e s s u r e f l o wr a t ec m v ei nm i c r op i p e si s o b t a i n e da c c o r d i n g l y t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o m p r e s s i o ne f 凳c ts h o u l db e c o n s i d e r e dw h e na d d r e s s i n gt h ef l u i df l o wi nm i c r op i p e s 1 r h en u m e r i c a lp r o g r a mt oa n a l y z et h ef l o wi n2 dm i c r o - c h a n n e lw i t hs l i pb o u n d a r yi s d e v e l o p e di nw h i c ht h es i m p l es c h e m eh a sb e e na d o p t e dt oc o u p l i n gt h ev e l o c i t ya n d p r e s s u r e t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o w w h e nt h er a r e f a c t i o ne 行宅c ti sb e i n gc o n s i d e r e dt h ef l o w r o t ei s l a r g e t h a nt h et h e o r e t i c a lv a l u e i nt h em e a n t i m e ，t h ek nn u m b e ra n d t a n g e n t i a l - m o m e n t u m a c c o m m o d a t i o nc o e f f i c i e n ta l s oh a v es o m ee 毹c t so nt h ef l o wr a t e t h e3 dc a l c u l a t i o ni sa l s ou s e dt oa d d r e s st h ef l o wi nm i c r op i p e s n ec o m p a r i s o n b e t w e e nn u m e r i c a lv a l u ea n de x p e r i m e n t a ld a t as h o w st h a tw h e nm a c hn u m b e ri sl e s st h a n o 3w h i l ek ni si nl o w e rr a n g e t h ee 位c t so f g a s e o u sc o m p r e s s i b i l i t ya n ds l i pa r eb o t hp r e s e n t t h et a n g e n t i a l m o m e n t u m a c c o m m o d a t i o nc o e f f i c i e n t ( t m a c ) a l s oc a nb ed e d u c e d i ti s f o u n dt h a tt h ec o m p r e s s i b i l i t ye f f e c tp l a y sm a i nr o l et ot h ef l o ww h i l es l i pe f f e c ti ss m a l l f r o mp o i n to f e n g i n e e r i n g ，t h es l i pe f f e c tc a nb en e g l e c t e d t h es e c o n dp a r ti sf o rt h es t u d yo f f l u i df l o wi nm i c r o f l u i d i ea m p l i f i e r s t h e3 dn u m e r i c a lc a l c u l a t i o nf o rf l o wi n l i q u i dj e t - d e f l e c t i o nt y p e m i e r o f l u i d i c a m p l i f i e r si sc o n d u c t e d a n dt h ea v e r a g ef l o wg a i ni so b t a i n e d n en u m e r i c a lr e s u l t ss h o w t h a tt h es o l v i n gn se q u a t i o ni st h er e a s o n a b l ew a yt oa d d r e s st h ef l o wi nm i c r o f l u i d i c a m p l i f i e r s ，f o rt h em i c r of l o wt h e o r yf o rl i q u i dh a sn o tb e e nc o n s t r u c t e d c o m b i n a t i o no f f l o w f i e l da n a l y s i sa n de x t e r n a lr u n n i n gc h a r a c t e r i s t i cw i l lb et h ep r a c t i c a ls o l u t i o nf o ro p t i m u m d e s i g na n dp o s s i b l ea p p l i c a t i o n t h et h i r dp a r ti sf o r t h es t u d yo f f l u i df l o wi nd r y g a ss e a l s a na p p r o x i m a t i o na l g o r i t h mt oi n v e s t i g a t et h ef l o wi nt h es p i r a ld r yg a ss e a li sd e v e l o p e d 1 1 1 e3 df l o w f i e l dw i t h i nm i c r og a pi nt h es p i r a ld r yg a ss e a li ss t u d i e dn u m e r i c a l l y a m o d i f e dm e t h o di sp r e s e n t e d ，i nw h i c hg a sc o m p r e s s i b i l t ya n dt h ev a r i e t yo ff l u i dp h y s i c a l p r o p e r t i e si st ob ec o n s i d e r e d 1 1 1 ec o m p a r i s o nw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t ai nc l a s s i cl i t e r a t u r e s h o w st h a tt h i sm e t h o di sr e l i a b l e k e yw o r d s ：m e m s ；m i c r o - s c a l e ；m i c r o - c h a n n e l ；m i c r o f l u i d i ca m p l i f i e r ；, d r yg a ss e a l 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：坼石月l e t 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密日。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 铋 日期溯佯钥，日 指剥币微翻略 日期：砺弹 q v o - 而当驱动膜向上运动时，腔内产生负压，此时进口锥管处于 扩散管状态，而出口锥管则为收缩管状态，进出口锥管内的压力分布也不同，而 此时q v d q v c 。在这种情况下，如果正负压力相等，那么一个周期内通过进口锥 管进入泵腔的流体体积大于出流流体体积，而通过出口锥管进入泵腔的流体基体 小于出流流体体积，因此实现了定向差量流动。微型无阀泵在运行时，对流量和 压力的控制要求很高，所以，由此所涉及到的微尺度流动问题就不容回避了。 在微流控分析系统中广泛应用的微混合器【2 4 】，利用了分流混合的方法，该 方法的基本原理是：因扩散时间与扩散距离的平方成正比，通过将总液流分成多 个薄层液流，可缩短液流的扩散距离，显著降低混合时间。理论上，将液流分为 4 上海交通大学博士学位论文 n 个分支薄层液流，将使混合时间加快n 2 倍，该微流控混合器结构如图1 4 所示， 匾置管= 圈】等8 图卜2 微型无阀泵结构示意图1 2 3 】 f i g l - 2s k e t c h o f m i c r op u m p w i t h o u t v a l v e 鲫 _ _ 。 大流缀小藏麓 图卜3 微型无阀泵工作原理图【2 3 】 f i g 1 - 3p r i n c i p l eo f m i c r op u m pw i t h o u tv a l v e l 2 3 l 呈夹层结构( 玻璃硅，玻璃) ，硅片双面加工微通道，有贯穿硅片的垂直通道连接 两面的微通道，硅片两侧采用玻璃片封闭通道。其混合过程是，液流a 和b 分 别被逐次分为1 6 个分支液流，而后，a ，b 各分支液流问首先进行两两汇流混 合，最后各个分支混合液流再逐次汇合成一个总的混合液流。 图1 - 4 分流型微混合器口1 ( a ) 微混合器芯片构型图；( b ) 混合过程显微荧光图像 f i g 1 - 4d i f f i u e n tm i c r om i x 一划 ( a ) s k e t c ho f m i c r om i x e rc h i p ；( b ) m i c r o s c o p ef l u o r e s c e n c ei m a g eo f m i xp r o c e s s 该系统的优点是混合效率高，混合速度极快，可在微小体积内完成毫秒级的 混合( 在1 5 m s 内达到9 5 的混合) ；两液流流速和流速比范围均较广，分别为 箩 上海交通大学博士学位论文 l 2 0 0 a ，r a i n ，l ：l o o 1 0 0 ：i 。在微混合器的整个工作过程中部需要对每个 微通道内的流体流量进行精确控制，因此，微尺度流动分析必不可少。 在生物领域内微系统的典型应用足生物芯片 z 。z z l 。主要包括三种类型：蛋白 质芯片、p c r 芯片和d n a 芯片。d n a 芯片与蛋白质芯片的共同点是将探针固 定于各种载体上，用标记了特定荧光物质的样品与芯片探针作用，经漂洗后将未 能与j 卷片上探针结合的成分洗去，再利用荧光扫描仪或激光共聚焦技术测定芯片 上各点的荧光强度，通过荧光强度研究d n a 或蛋白质之间的相互作用。它们的 不同之处在于d n a 芯片的探针为碱基序列。利用碱基互补的原理进行结合，而 蛋白质：墨片的探针为蛋白质，利用抗体与抗原的特异性结合原理。聚合酶链式反 应( p c r ) 技术足实现将低浓度的d n a 样品进行化学放大扩增的过程，主要分为 三个阶段；在9 5 下加热双链结构的d n a 样品，使链间的氢键发生断裂，分解 成两条单链的分子，然后迅速降低温度到5 5 c ，此时单链d n a 与引物按照碱基 配对的原埘互补结合，最后把温度升到7 2 。e 进行d n a 的延伸反应。通过微型化， 不但可以在上述过程中节约样品的消耗量，而且有利于提高检测的效率及灵敏 度。由于所有反应都需要在液体环境下完成，并且涉及到温度的精确控制，因此 微尺度的流动问题以及传热问题显得格外重要。 微机电系统在医学领域的应用非常广泛。主要包括：靶药物输送，即将包含 有传感器、储药囊和徼压力泵的微型仪器植入人体，并在人体的精确部位释放精 确剂量的药物；监测皮肤或体内温度的集成无线微型仪器，可用来远程监测皮肤 或相关器官温度等参数，并将有关信息远程传送到接收器；在人工器官方面的应 用，如植入式微抽血泵，由微型电极驱动叶轮，驱动力是通过磁耦合传导的，经 外部的控制器进行驱动控制。此种血泵可将患者全部血液泵出，辅助患者过渡到 心脏移植或待自身心脏恢复功能m 1 2 9 。 以上是几种典型的微机电系统及其所涉及到的微尺度流动问题，f l 前，微制 造技术提供了丰富的加工手段，可以制造出所需的复杂的结构。而众多工程应用 和学科( 包括流变学、渗流力学、生物力学、电化学等) 都涉及到对微尺度流动 性质及输运性质的研究。这些为微尺度流动研究提供了可能和推动力。 1 1 5 微通道内流体流动研究现状 微通道是微流动系统中最常见的部件，因此对微通道内流体流动的研究是研 6 上海交通大学博士学位论文 究整个微流动系统中不可缺少的部分。 微通道内流动的实验研究有较大的难度，主要表现在以下几个方面：微通道 的制备，微通道几何参数的测量，实验装置的建立，压力、流量、温度的测量等 方面。尽管存在一定难度，但几十年来，人们对于微通道的研究给予了很大的重 视。大量学者分别对不同几何尺寸，不同截面形状，不同工作介质的微通道内的 流体运动规律进行了实验研究，其主要研究成果见表1 - 1 。这些实验结果有一定 的代表性，对于微尺度气体流动，因特征尺寸的缩小，表现出了宏观流动不同的 特性，由于不同研究者的实验条件不同，观察的侧重点不同，其结果也各不相同， 实验测得的流量值，或大于宏观理论值或小于宏观理论值或与宏观理论值基本相 等；对于微尺度液体流动而言，由于液体在常温、常压下其分子靠得更近，分子 间以及与固体之间的吸引力和粘着势在微流动中起主要作用，所以其微流体力学 问题要复杂一些，在不同的学者的实验中表现出一些矛盾的地方。一方面微尺度 流动的实验阻力系数与r e 数的关系确实与宏观理论存在一定的差异，另一方面 由于实验的难度和问题的复杂性，以往实验的设计往往只关注其中某一因素，而 且大多数学者也仅在实验的基础上做一些近似的一维估算。 近年来，有关微尺度流动理论研究方面也有重大进展，研究模型基本上分为 两大类，为基于连续介质模型及基于分子模型。但在气体与液体研究方面还有很 大差异，对于气体，由于具有比较完善的分子运动理论，于是引入了稀薄气体动 力学理论，将微尺度流动根据努森数k n 的范围不同而划分为连续流动区、滑移 流动区、过渡区和分子自由流动区。当流动处于滑移流动区时，一般采用修正连 续介质模型来进行描述，即有滑移边界条件的n s 方程，计算方法上沿袭了传 统的有限元法、有限体积法及边界元法等。国内外研究者在这方面作了许多研究 工作，其中有代表性的有b e s k o k a 等 4 3 - 4 7 1 对不同截面的微通道内的气体流动进 行了二维数值模拟，分析了稀薄效应对流动的影响。z y g u o l 4 s ! 等采用等温模型 对微圆管内可压缩气体的流动进行了二维数值计算，分析了不同进口马赫数对 流动阻力系数的影响。d a i j 等f 4 9 】采用二阶滑移边界模型对几种不同努森数的微 通道内的气体流动进行了数值模拟，进一步提高了数值分析结果的精度。 当尺度继续减小，流动处于过渡区和分子自由流动区内时，修正的连续介质 模型失效，一般采用基于分子的模型，包括分子动力学方法以及后来在其基础上 发展起来的直接蒙特卡洛模拟方法等。最早开展分子动力学方法研究的是a l d e r 7 上海交通大学博士学位论文 和w a i n w r i g l l t ( 5 0 ，开始于1 9 5 7 年。他们对一定空间内的n 个分子的运动进行了 分析，认为分子之间的运动服从牛顿运动方程。由于直接模拟的分子动力学方法 中对分子数目限制严重的局限性，后来又发展出一种统计方法与直接模拟的分子 动力学相结合的直接蒙特卡洛模拟方法，通过分析有限数目的分子运动来研究真 实分子的运动。此方法由b i r d l 5 l l 于1 9 6 3 年开创并于近几十年来的成功推广，不 少研究者采用直接蒙特卡洛模拟方法在微尺度流动数值分析领域作了很多研究 工作，如m u n t z l 5 2 1 、c h e n g 5 3 】和o r a n 等矧。国内有王娴等刚和周靖等郾1 采用直 接蒙特卡洛模拟方法对高k n 跨流动区域的微通道内的流动及传热进行了模拟， 分析了不同流动区域的流动特性。 表1 1 微通道内流体流动部分实验研究结果 研究者通道尺寸( ”m ) 流体介质结果 w u 【刈 1 3 肛2 0 0 ( 宽) 3 0 n 2 ，h 2 a r fr c 蛙高可选到i i s 6 0 ( 谋) p 鼬1 0 3 1 10 5 5 0 a r f 与跏有关，在小r e 数时， ，随着耻的减小而减小 气 2 4 5 2 也 管径 i o ，r e 4 0 0 时，r e g jc b p l 为5 0 h a r l e y 3 3 】【3 4 l 3 4 8 0 xl i 4 梯形 n 2 ，h 2 ，a r与不町且王缩理论结果士差 体 ； 秦丰华【3 习 1 7 6 1 7 9 ， 低m a 敷时。可压缩性影响较 大 杜兴东【，6 l8 4 7 ，1 4 4 4 ，5 3 4 n z层流状卷下，大于不可压缩 流动理论值 牧原光宏【3 7 1 垂4 5 5 0 3硅油 流量与压力成比例关系，与 不可压缩流动理论值吻合 p 鼬i 3 8 】 5 3 x1 3 5 ，i 1 7 ， 异丙醇 深度为0 8 时，f r e d , f ；f l x 0 8 矩形 可压缩流动理论值 x u 【3 9 】2 9 3 “水 ，r c 符合不可压缩流动理论 液 值 m a l a 4 0 1 5 0 - 2 5 4水 ，r e 大于不可压缩流动理论 体 值 李勇洲 由1 7 、2 7 ，4 2 去离子水在较低压力下，流量与压力 成线性关系 崔海航【4 2 】 由2 2去离子水，四氯 在定常层流条件下，压力流 化碳、异i 玎醉量关系符合哈根一泊肃叶公 ， 式 对于液体而言，由于分子理论的不完善，尚没有合适液体的努森数用来进行 流动区域分析，理论研究方面还比较缺失，一般采用基于分子动力学方法直接对 8 上海交通大学博士学位论文 流动进行模拟，但由于液体分子较之气体而言靠得更近，同样大区域内的分子数 更多，因此导致进行分子模型数值模拟的困难更大。另一类基于试验数据分析进 行的唯象方法研究者认为可定义一个有效粘度，该值可用于传统的n - s 方程， 经数值分析和试验结果对比，可求出不同尺度流动的有效粘度。如g e e 等p7 l 和 p f a h l e r 等【5 s l 。 综上所述，对于微通道内流体流动的实验和理论研究工作尚处于初级阶段， 近年来这方面的研究一直是前沿和热点，许多问题尚未解决，更加细致、全面、 系统的实验和数值理论研究工作还有待迸一步开展。 1 1 6 微射流放大器研究现状 微流体开关是利用多相层流控制技术进行微流体控制的一个典型实例。其基 本原理如图1 - 5 所示。试样液流在两载流夹带下并行进入通道，控制流速条件， 使三液流呈现多相层流并行流动的状态。当液流间接触面积很小，接触时间很短 ( 小于秒级) 时，试样流与载流之间的混合效应小到可以忽略的水平。通过改变 两载流的流速大小和相互比例，可控制试样液流的宽度及其在通道中的位置。使 用此流体控制原理，已经实现有5 个出口的流路切换，实现了不使用任何固体部 件、以流体控制流体的功能。此种流体控制模式可应用于流动注射分析中的无阀 试样注入，亦可用于流式血细胞记数分析中的粒子或活细胞分拣。 出ni 蓑托i 入u联，疆： ( i ) 正常捩瘩( ”饲攘状蔗 图卜5 多相层流控制微流体开关【捌 f i g 1 - 5m i c r of l o ws w i t c hc o n t r o l l e db ym u l t i p h a s el a m i n a rf l o w l ”j 图中( a ) 试样液流于通道中央流动，由出口i 流出：( ”增大载流l 流速，降 低载流2 流速，导致试样流偏向通道右侧流动，因此改由出口2 流出，从而实现 试样液流在两个出口通道间的切换。 微射流器件与电子器件相比有许多优点，电磁波和温度的变化几乎不影响器 9 上海交通大学博士学位论文 件的性能：无需电液接口来把控制信号转换为机械信号；在执行流动控制任务 时没有机械部件之间的干扰。因此，微射流放大器以其结构简单、无旋转部件的 优点越来越多地应用于各种m e m s 微结构中以控制微流体的流动。大尺度的射流 放大器是一项已发展成熟的技术，一殷统称为射流控制元件，其中偏向型及附壁 型射流放大器多用于微系统中，近年来与它们相关的研究工作也有了很大进展， 如r f u r l a n 和j n z e m d 5 9 1 在硅片上制作了两种槽道式的微射流放大器，用氮气 作为工作介质分别进行了外特性实验，得到了压力增益曲线。e 砒s i m o c s 等脚1 以空气为工作介质，针对两种出口管道夹角不同的偏向型微射流放大器进行了外 特性实验，得到了流量增益曲线并进行了对比，对射流放大器的形状进行了优化。 z d e b l i c k 等1 6 l 】以氮气、氯气等不同工作介质对附壁型微射流放大器进行了实验研 究，得到了不同工质的增益曲线。理论研究方面，e w s i m o c s 等1 6 2 l 采用a n s y s ( f l o t r a n ) 及有限元方法以氮气为工作气体对两种形式的二维微射流气体放大 器流场进行了数值分析，通过计算发现相同进口条件下。偏向型微射流放大器的 出口速度大于附壁型。t h k i m 等即】对不同进口条件的附壁型微射流放大器的 气体流动进行了试验研究和数值计算，对几何参数进行了优化。 目前微射流放大器在m e m s 微结构中的应用基本上还处于微加工和功能实 现阶段。由于介质性质不同，液体微射流放大器进口压力较之气体更大。使得试 验的实现更加困难，再加上液体的微尺度流动理论研究方面的缺失，因此相关的 液体微射流放大器的理论及数值研究方面的工作还鲜有人涉及。 1 2 宏观机电系统涉及到的微尺度流动问题 宏观机电系统中有时也会涉及微尺度流动的问题，如大型压缩机系统配套使 用的干气密封系统，气体流经干气密封系统时，轴线方向的距离只有几个或十几 个微米，但其它方向都为宏观尺度。因此，由于一个方向上的尺寸缩小为微尺度， 而且为旋转流场，是否引起微尺度效应及其对气体的流动有无影响等复杂问题也 逐渐引起研究者的注意。 1 2 1 干气密封研究现状 在气体压缩机旋转轴的密封传统上，采用碳环密封、迷宫密封和双端面密封。 这些密封通常需要复杂的冷却和润滑系统。 上海交通大学博士学位论文 螺旋槽密封概念的提出始于1 9 6 9 年。用这种方法来密封压缩机完全不需要 复杂的油系统，从而显著地减少了大型压缩机地运行和维护费用。据一个国际石 油公司估计，由湿封系统改为干封系统可使运行维护费用减至原来的l 1 8 【删f 鲫。 研制这种现代密封过程中所经历的各个阶段具体年代如下： 1 9 7 1 年完成压力变形控制； 1 9 7 5 年研究刚性密封环与柔性密封环组合的关系： 1 9 7 6 年密封动力学与气膜刚度的分析； 1 9 7 7 年完成密封膜热平衡研究； 1 9 7 9 年研究自动调整机构； 1 9 8 2 年柔性密封端面概念的建立； 1 9 8 5 年二研究自动对中机构。 图卜6 压缩机用串装式气体密封”1 卜大气2 一排出口 3 一工作气体4 一内侧密封5 一外侧密封6 一衬套 f i g 1 4t a n d e mg a ss e a lu s e do nc o m p r 髓s o 一6 习 l a n2 e x n 3 - w o r k i n gg a s 牟m i r e s i d e5 m a io u t s i d e 6 - l m i n g 1 9 7 6 年。一个大直径商用密封首次安装到气体管线的i n g e r s o l l r a n dc d p 2 3 0 压缩机上，压缩机的轴径为1 5 8 7 m m ，如图1 6 所示。这种压缩机的排气压力为 6 4 5 b a r ，轴的转速为5 2 5 0 r r a i n ，气体温度为常温。在以后4 年中，对密封进行 了现场试验并进行了多次启动停车，经5 0 0 0 小时运转之后将密封从系统上拆下 进行磨损检验，结果没有发现明显的磨损和其它潜在的问题。由于其性能很理想， 上海交通大学博士学位论文 取消了原定在1 0 0 0 小时和2 5 0 0 小时之后进行的计划检查，允许继续运转直到4 年之后。在此期间，密封运行了6 0 0 0 小时，密封的泄漏量在1 8 2 8 m 3 1 1 的范 围之内。这一成功导致后来用于备种高性能压缩机的其它密封的发展。 干气密封根据使用场合的不同，可采用单级、串联或双端面的不同结构。单 级密封可用于压力较低的场合。图l 一7 表示一个轴径为5 4 r a m 的用于工艺气体的 密封。它己被用于密封压力达l o b a r 的各种工艺流体，轴的转速可达5 0 0 0 r m i n 。 在工艺流体对工作环境油危害的场合，要求使用引入隔离气体的双端面密 封。图l - 8 表示的是一食以氮气为隔离气体的双端面密封。该装置被用于密封 h c l 气体，压力为1 2 4 b a r ，温度为环境温度，轴的转速达到1 3 0 0 0 r m i n 。 图卜7 工艺流程压缩机用单密封的布置及零件” 1 一副密封0 形圈2 一弹簧3 一大气4 一推环5 一防转带6 一保持器 一静密封s 一工艺气体9 一动环t o 一静环 f i g 1 7 p a r t sa n d a r r a n g e m e n t o f s i n g l e g a ss e a lu s e d o nc o m p r e s s o r i n t e c h n i c s p r o c e s s 。“ l - ot y p er i n g2 - s p r i n g3 - a i r4 - p hr i n g5 - r o t a t i o np r e v e n t e r6 h o l d e r7 - s t a t i cs e a l8 - w o r k i n gg a s 9 - r o t a t i n gr i n gi o 。s t a t i cr i n g 干气密封的动环( 或静环) 密封面上精加工有均匀分布的浅槽，槽深度一般 在l o um 以下。干气密封运转对，平衡闻隙 即气膜厚度) 的典型值为3 5 pm 。 公布的有关干气密封实验研究的文献相当少，1 9 7 8 年r a l p h p g a b r i e l l 6 7 1 对工 作气体为空气时，螺旋槽干气密封运行的三种不同气膜厚度时的压力分布情况， 开启力及刚度系数进行了测量，此文献由于非常经典于1 9 9 4 年又被期刊二次发 表。d i r u s s o 【“4 研对各种工作气体在螺旋槽干气密封运行时的气膜厚度和阻力进 行了实验研究。 理论研究工作方面，1 9 6 6 年m u i j d e r m a n 7 1 埂出了“窄槽理论”，对平板、球 1 2 上海交通大学博士学位论文 型及圆锥型螺旋槽推力轴承的压力、载荷、摩擦扭矩给予了近似的分析，当时也 与很少的一些实验数据进行了比较，此理论的分析结果比较接近于实验结果。 1 9 6 9 年，c h e n g 【嘲运用“窄槽理论”分析了雷利阶和螺旋槽干气密封中槽区和坝 区的相对位移问题，说明了低转速时增大干气密封的气膜刚度，密封坝可起到减 小密封泄漏量的作用。1 9 7 2 年，s m a l l e y 7 3 1 推导出普遍坐标下“窄槽理论”，可 对平板、球型、圆锥型、圆柱型槽结构的干气密封进行分析，可得到近似的载荷、 泄漏量和刚度系数。 固卜8 处理危险气体的i 艺流程压缩机用双端面密封布置1 1 一工艺气体2 一氮气3 一大气 。， f i g 1 - 8b i - a r r a n g e m e n to f g a ss e a lu s e do nd a n g e r o u sg a sc o m p r e s s o r ” 1 - w o r k i n gg a s2 - n i t r o g e n3 - a i r 近代对干气密封的数值计算仅限于求解简化了的n s 方程二维雷诺方 程，也称为润滑方程。这种方法忽略了气膜厚度方向的尺寸，将流动简化为二维 模型进行研究。求解雷诺方程的数值方法分为有限差分法和有限元法，这两种方 法均被广泛应用。如1 9 6 7 年，j a m e s 和p o t t e r 7 4 1 采用f d m ( f i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d 。有限差分法) 求解雷诺方程对螺旋槽推力轴承和干气密封的流场进行了 计算，得到流场压力分布，采用坐标变换法解决了螺旋槽曲线边界应用有限差分 所遇到的困难。1 9 8 2 年，w a l o w i t 7 5 1 等用f d m 计算了端面矩形浅槽的机械密封 性能。1 9 9 2 年，b a s u t e l 分别采用f d m 和f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d , 有限单元 上海交通大学博士学位论文 法) 计算了径向槽气体密封流场，1 9 9 3 年，b o n n e a u 等7 7 1 采用f e m 和上风差分格 式对高速螺旋槽干气密封的流场进行了计算。1 9 9 5 年k o w a l s k i l 7 8 硼f d m 计算 了能反转的螺旋槽气体机械密封。2 0 0 0 年s h i f e n gw u 7 9 】对不同几何参数的螺旋 槽干气密封流场求解雷诺方程来研究端面几何参数对密封性能的影响。国内， 1 9 9 0 年，王美华【8 0 】采用f e m 对鱼骨型槽干气密封的流场进行了计算，对端面的 热变形进行了研究。1 9 9 4 年，蔡文新等引 i s 2 采用八节点f e m 计算了螺旋槽干气 密封的压力分布。1 9 9 6 年，胡丹梅i s 3 1 等采用f e m 计算了直线斜槽干气密封的压 力分布和密封性能，并对部分参数进行了优化。 目前尚无求解三维n - s 方程并考虑微尺度效应对干气密封微间隙进行流场 数值模拟的相关报道。 1 3 本文开展的主要工作 本文首先对微尺度通道内的流体流动问题分别进行了系统实验和理论研究； 然后在此基础上对一类微流控器件偏向型微射流放大器内部的流动进行了 数值分析；最后对螺旋槽干气密封微间隙流场进行了数值模拟，具体包括以下儿 个部分的工作： ( 1 ) 实现圆形等截面微通道内气体的流动测量，分别采用排水法和位移法对 压力和微流量的测量，并进行误差分析。建立不可压缩流体二维微通道内滑移流 动的数值计算程序。分别对微圆管及两平行平板间微通道滑移流动进行数值模 拟，并将数值计算结果与相应的解析解进行比较，以验证程序的可靠性。将所进 行的微通道流动实验作为算例，采用商业c f d 软件对其中可能的三维不可压缩 无滑移、可压缩无滑移、可压缩滑移流动分别进行数值模拟，并将数值计算结果 与实验结果进行对比，分析微尺度效应对流动的影响。通过数值计算求得微通道 的切向动量谓节系数。 ( 2 ) 采用商业c f d 软件对偏向型微射流放大器内部三维不可压缩流体流动 进行数值模拟，对其不同工况条件下的流场进行分析。 ( 3 ) 在w h i p p l e 平行槽二元计算理论的基础上，提出螺旋槽干气密封内部流 动近似算法，计算出压力分布。采用商业c f d 软件对高压螺旋槽干气密封内部 三维微间隙流场进行模拟，并与经典文献 6 7 q u 的实验结果进行对比，分析微尺 度效应对流动的影响。 1 4 上海交通大学博士学位论文 第2 章微尺度流动理论 2 1 基于连续介质的流动模型 微电子机械系统( m e m s ) 通常指特征尺寸小于1m m 而又大于l a n 的器件， 采用集成电路批量处理方法加工而成。迄今已制造出的尺寸小于1 0 0 * n 的微型 器件包括静电的、磁性的以及充气的效应器、马达、阀门及齿轮，它们可用作压 力、温度、质量流、速度及声音的传感器，以及一些复杂系统如微型热机、微热 泵的组成单元。然而，并非所有的微电子机械系统都涉及到流动问题，与液体和 气体流动相关的例子主要有微输运管道、微泵、微透平、微换热器及微阀等。与 传统的宏观器件相比，微电子机械系统提供了更好地了解流体，特别是对湍流诊 断及控制的重要手段，微器件的批量加工方式使得它在公差要求较高的情况下制 造出大量相同的替代品。微传感器及微效应器具有尺寸较小、价格低廉、反应迅 速及低能耗等优点，可以说是耳前最好的用于控制湍流的器件，因为湍流的测定 和控制需要采用分布式传感器及致动元件阵列。近几十年虽然在制造和应用微电 子机械系统方面取得了巨大进展，但对这些小器件操作和制造过程中所涉及的非 经典物理问题却远未获得应有的认识。然而，认识这些问题对于设计、加工及使 用微电子机械系统具有重要的意义。 微电子机械系统中的流体力学行为与其对应的宏观规律不同。比如p f a h l e r t 3 0 l 等对尺寸在0 5 a n 到5 0t a n 的槽道内气体和液体进行了一系列实验研究，槽道长 度与其水力直径的比值非常大，因不能找到计算可压缩流的阻力因子公式，作者 们引用了前人的观察结论，将不可压缩流的值用于一些噩音速可压缩流，于是所 测得的摩擦因子与采用不可压缩流理论预示出的结果存在差异，且几乎总是比理 论预测值要低。而且，在小r e y n o l d s 数下摩擦因子随着r e y n o l d s 数的降低而降 低。不少作割“】【8 5 1 也都纷纷报道了各类微尺度情况下的相应结论，如在一个长 微通道内，人们观察到压力梯度并不是一个常数，而所测得的流量高于传统连续 流动模型的估计值。现在已经得到普遍认同的是，小器件中的流体流动与宏观器 件中的规律不同。基于微电子机械系统的管、喷嘴、阀、齿轮、透平等不能用宏 观流体器件中常采用的一些方法描述，即它并不总能从传统流体力学模型，如具 有流体一固体界面无滑移边界条件的n a v i e r - s t o k e s 方程来预示。一旦从微器件 上海交通大学博士学位论文 中获得的一些实验结果不能通过传统模型解释时，自然就提出了许多新问题。 在处理微器件内的流体力学问题时，必须面对的一个问题是采用何种模型、 何种边界条件以及如何对现有问题的求解。显然，在小器件中表面效应占据主导 地位，一个特征长度为1m 的器件所具有的比表面积约为1m ，而对尺寸为l 加z 的微电子机械系统，其比表面积甚至高达1 0 6 m 一。小器件中表面积呈百万倍的增 加会显著地影响到沿表面的质量和动量输运，微器件中的微小尺度也使得连续近 似不再成立。于是。稀薄性、热蠕性、粘性耗散、可压缩性、变物性、分子间力 及其它非传统效应将不得不考虑在内，此时只有第一原理性定律，如质量守恒定 律、牛顿第二运动定律、能量守恒定律等更为适用一些。 同时。人们也采用基于分子的模型来试图考察某种范嗣的运动参数。这方面， 要