（农业生物环境与能源工程专业论文）石英微管内的流动及换热特性的实验研究.pdf

山东理工大学硕士学位论文摘要 摘要 微机电系统( m s ) 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：l = 质的流动规律和换热规律引起了彳子业内专 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韵实验和 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1 9 6 呻和4 4 2 岬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，考虑到疆英微管中的e d l 效应，根据静电学相关理论，确定出了控制方程昀 边界条件。用s 蹦p l e r 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m 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5 0 岬时，粘性耗散的影响不能忽略。同时测 量了1 9 ，6 阻微警在不同工质( 纯水，踞氯化碳，氨气) 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e d l 效应粘性耗教效应、 稀薄效应等对厂值的影响。 其次对水力直径为3 0 4 1 岫及1 9 2 9 岬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3 0 4 1 哪及1 9 2 9 岬在突扩 和突缩时的厂值。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 厂值与数的关系。 以击离子水为工质，采用缠绕细铜丝法对水力直径分别为描2 社m 、9 1 7 呻、 1 4 1 1 岫微石英管进行加热，得到撇数与鼬数的关系，并与经典理论傻进行对比， 研究表明，在低足# 数下，实验肌数小于经典理论值，这主要是由予工质沿微管流 动方向的热物性变化效应导致的。随着m 数增加，实验讹数迅速增加，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。 关键词：石英微管，粘性耗散，摩擦系数，努谢尔特数 山东理工夫学颀l ：学位论文 a b s t 豫e t a b s t r a c t m e ! 谨sh a sb e e 堇ld e v e l o 蛰e d 糟p i d l yi n 燃勰y 是e l ds 糍ha sa s 翅陇a u t i c s ，w 默i n d u s 乜飘 l i f es c i e n c ea n de l e c 仃o n i c ，e t c ，d u r i n gr e c e n ty e a r s t h e r e f o r e ，鼬e a ta n e n t i o nh a sb e e np a i d 撼基o w 醒dh e 敷 r a n s 怒fc h 皴敬逢e 砖s 鼍i e 遗也em e m s ，a 秘dm 鼹v 羚躺k s 幻燃蕊he 量孙妓 t ot h ei n v e s t i g a t et h en o wa 1 1 dh e a tt r a l l s f e rc h a r a c t e r i s t i c si nm i c r os c a l ec h a i m e l s b e s i d e s ， ag r e 继d e 蠢o fb u d 譬e 抟辩觚& d 攮e s e a 羚hi nm 黻塔e o l 描硒e se v e 拶y e 馘 i nt h i sp a p e r ，t h ev i s c o u sd i s s i d a t i o n ，n o wa 1 1 dh e a tt r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i c sa r e 馘p o 斑赘鼹纨l l y 联d 像o o 羚l i e 奎l yi 毅v e s t i g a 据d 及l e 黻a 主np 娃帮o s eo f 也e 怼a 粒蠡i s 幻o b t a i n e x p e r i m e n t md a t aa 1 1 dc a l c u l a t e dr e s u l t so fm en o wa 苴1 dh e a t 协叭s f e rc b a r a c t e r i s t i c si n q 疆蔽z 趱i e f o 瓣b e s ，诚i e h 、v i l lb ou s e 龟l 岛ft h e 免眦诧s e 爨c h 。 t h ev i s c o u sd i s s i p a t i o no fn o wi nq u a i r t zm i c r o t u b e sw i t hd i a m e t e r so f19 6ma i l d 4 4 2撒，愆s p e 文i v e l y ，鑫勰魏雌e 蠢e 羹l ys i 融毽l 鑫e d 。a e e o 挝i 鑫g 谂也。融珏d s o 程e 正艳蠢。建，斑e c o n t i n u o u sa p p r o x i m a t i o ni ss t i l la p p l i c a b l et om en o wi nm i c r o t u b e si n v e s t i g a t e di n 辩s e 疆l 赞s e 皴c h t h ee o n 秘d l 镧豫t i o n sa f eb 毽i l t 。髓l eb o 瓣n d 皴ye o 珏d i 基。鑫s f 磕ee q u 躐i o 魏s a r eb u i l ti nc o n s i d e r a t i o no fm ee d le 岱：c t t h es i m p l e ra j g o r i t h mi se m p l o y e dt o d i s c f e t i z e 像ee o 魏l f 式。翻暖睫i o n & 鞠d 摄髓耗懋p e f a 耄鞠陀蠡e l d sw i 也文鼹r o 懿tl 沁羲珏辩b e 籍遗 m i c r o t u b e sa r eo b t a i n e d t h ee x p 嘶m e n t a l 酬s t e mc o n s i s t so fp r e s s u r es o u r c e ，n o wp i p e s ， d 采a 蠢s i i o ns v 或e 戳程n da 莨l re 锄e 斑，e t e 1 强es 璎是e e 挺隰p e 赋挂f e 式s 援b 磁i o n 两。幻s o ft h em i c r o t u b e sa r et a k e nb yi rc 锄e r aw i t hd i 脯r e n tp r e s s u r ea t 伽eo u t l e ta n dd i f r e r e n t 薹k 蘸髓b e f s 。b ve o m 芬a 蠢n 鼗搬ee x ，e 蠢礅e 鞋t 越幽穗越遗氇e 勰璎默i e 啦忿s 蠢l s ，i e a 藏b e 蛀o w t h a t 也ev i s c o u sd i s s i p a t i o ne f i e c ti nm i c r o t u _ b e sc a nn o tb en e g l e c t e dw h e nt h ed i 锄e t e ri s s 毪l 越l e f 也a 飘5 0m f 毽瞧h e 斑n o l 。氆ef e s i s 攮n e ee h 翻a c 矧s c so f 爨o wi 鼗毽i c 锤毫l eo f 19 6mw i mu l 协a p u r ew a t e r ，c a r b o nt e t r a c h l o r i d e ，a i l di l i t r o g e na s 、o r k i n gf l u i d 薹e s p e c 甚v e l ya 霉。瓿i n e db ye x p e 蠢l 鞋e 羲砉a li n v e s l i 露建i o 囊c o 撒p 鑫蠢琏g 饿ee x p e 蠢越e 曩瞧l r e s u l t so fr e s i s t a n c ec h a r a c t i 。r i s t i c sw i t ht h e o r t i c a lr e s u l t s t 王l ei n n u e n c eo fe d le f i b c ta n d 粼鼹e s se & c 耄。歉馥ev 越黼。玎i s 腿蠢y 鹚d b e s i d e s ，d e i o n i z e d 、 ，a t e r ， u s e da sw o r k i n gn u i d ， f l o w e d恤o u g hv a “o u s e s s s e 文i o 爨e h 黻擞e l 擞藤e 毪移o f 爨i e 羚瓤k sw i 也i 勰e rd i 曩薹】3 瞧e r so f3 0 4 1 攀糯a n d 19 2 9 ma n dt h ev a l u o so ffw i t ha b n i p te x p a n s i o na 1 1 da b r u l ) tc o n t r a c t i o n 跚eo b t a i n e db y i 珏v e 蔽g 蕊致鐾也e 爨o wi 投专量猃毽a 纛嚣r 蠢e 妁趣b e 。mr e 鼹薹专so f 蚀e x e 蛀辩蝴盛8 m p a 托d w i t ht h ec o n v e n t i o m lt l l e o r ya n dm er e l a t i o n s h i pb e t 、v e e nt l l ev a l u eo ffm l dr en u l n b e ri s o 蠹掴i 魏e d h e a tt r a n s f e rc h 糊旧l c t e “s t i c si nm i c r o t u b e s 、析t hd i n b r e n td i 踟n e t c r so f4 4 2 m 9 l 。7趣，1 4 l 。lm ，您靼e e l i v e l kw 囊i e ha 砖魏e 氍o db ye o p e w 奴：s 羚l l e do 致也e u 欲 s u r f - a c eo fm i c r 0 ，t u b e s ，a r ee x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i 黛a t e d t h er e l a t i o nb e 锨r e e n ，忆m l m b e r 鑫魏d 犬g 封l 砖魏b e fi so b 专a i 珏e db a s e do nl 搀o x 蛰e 蠢l 致e 嫩l 忿s 珏l s 。瑟e a 犍b e ；wt l 躐t 羚 v a l u c so f ha r el o w e rt h a nt h e o r e t i c a lr e s u l t s ，w h i c hm a yb ed u et 0t h ec h a n g eo f 馕e 锄。巾h y s i e a lp p e 瞧i e so f 氆ew 8 蕊n g 萎u 谴。b e s 堪e & 也ev a l u eo f 翘l 魏啦b 嚣i 是e a s e s w i m m ed s eo ft h e 尺en u m b e ra n de x c e e d st h et h e o r e t i c a lr e s u l t sa 1 1 d 也i sp h e n o m e n o n l 疑硒7b ec 戳l s e db y 斑e 氆i l 掇e fl i q 毽i dl 鑫y e 毛也ev 主s e o 潞d i s s i p 文i o ne l e t 越砖氆ef o 珏窒童搬e s s o f t h e w 砌l k e l 一o r d s ：q u a r t zi i l i c r o n l b e ； v i s c o l l sd i s s i p a t i o n ；黼c t i o nf l a c t o r ；n u s s e i tm u n b e r i l 独创性声明 本入声鞠雳里交麴论文是我个人在导群指导下进行熬研究工作及取得豹戮究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表藏撰写过的磺究成果，遵不毯含为获得由寒爨工天学或其它教育机构豹擎往 或证书两使用过的材料。弓我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了裙确的说翡并表示了谢意。 研究生签名：时间。西。吝年6 月f 6 日 关于论文使用授权的说明 本人宠垒了解由末理工大学有关裸留、使用学僚论文靛规定，即；学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许沦文被查阅和借阅；学校可以用不弼方式在不剐 媒体上发表、传播学位论文的全部藏部分内容，可醴采用影印、缩印或扫描等复制 季段保蟊、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协锄 研究生签名： 导师签名： 椒钾 岬 玲趸 对闻：五蜷年s 舞6 嚣 时间：6 殍6 月 日 山东理丁大学碰一e 学位论文绪论 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 逐年来，微机电系统发展迅速，微滚动系统作为它的一个重要分支也取得了 突飞猛进的发展。一般来说，在微流动系统中必须借助微管道来完成流体的循环流 动，在复杂的微流动系统中还耍在微管道上布置各种微型测试和控制器件。因此， 研究微管道内的流体流动特性对于徽流动系统的设计研发具寄重簧的现实意义，徽 管道换热器作为一种新兴的强化换热装置，以其传热温差小、传热效率高以及结构 紧凑、冷却性能良好等优点，成为取代风冷技术的最好电子器件冷却技术之一。1 9 8 1 年，t i l c k e n 缸和p e a s 一1 i 首次在硅制v l s i ( v c 珂l a f g es c a l ei n t e g r a t i o n ) 芯片上蚀刻 了微通道热槽，构造出了第个微管道换热器，为电子器件的冷却提供了一种全新 的思路，同时也将有关微尺度下流体流动和换热特性的研究引入了传热学界。现在 微管道换热器已在超大规模集成电路、超导电机、电子、航天、制冷、化工以及生 物工程等诸多领域得到了越来越广泛地应用。且从8 0 年代中期开始，徽管道内流 体流动和传热现象也成为了圈际微电子学界和传热学界的热点问题，美国电气工程 师协会( i e e e ) 每年召开徽电子器件的热测量和热管理事会议，美国机械工程师协会 ( a s m e ) 也组织召开电子系统中的热现象会议。9 0 年代以后，随着微纳米技术的发 展，器件构件尺寸的减小和功率密度的增大，使缛传统的流体力学和传热学霞临着 严峻的挑战，搞清楚微系统中的流动和传热特点和舰律迫在眉睫。1 9 9 7 年，国际传 热传质中心首次组织召开了微传热的国际会议( h i t e n i o 叫s y r 】：1 p o s i 啪o n m o l e c m 矗r 强dm i c r o s c 出eh 。a t舢f ；玎i nm a t e r i 碓sp r o c e s s i n g 锄do 她r a p p l i c 瓶o n ) 。1 9 9 8 年7 月在法国召开了欧洲微尺度传热的学术会议。1 9 9 7 年1 月。 在美国出版了以田长霖教授( p r 0 c l - t i e n ) 为主编的微尺度热物理杂志( m i c r o * s c a l e n ：。瑚垂曲y s i 髓l 翼n g i n e 蘸n g ) 。这些情况均表明微通道豹流动和传热现象的研究芷 发展成为国际传热学和m e m s 学中的研究重点。 目前国内外，有关微通道内流体流动和传热规律的研究，远未达到成熟的水平。 学者们普遍认为微通道中流体的流动和传热现象有其特有的枫理和规律，与常规尺寸 通道内的流动和传热规律有着显著的差别。但不同学者的研究结果不尽相同，甚至相 互矛盾。比如有的研究者 2 】认为微细通道内部换热高于常规尺寸下的换热，而有的研 究者【3 】却认为低于常规尺度下的换热，有的研究者【4 j 甚至认为并没有明显的区别。同 时，在以上提刭的研究中，由层流辩紊流转变时的雷诺数也太为不同，可能的原因包 括表面粗糙度效应、双静电层效应及微细通道的长鹰比效应等。 玉东瑾了大学矮l ：擎缎论文缝论 许多问题还未得到统一的定性回答。比如：( 1 ) 微通道中流动阻力的影响因素 是如何作用的；( 2 ) 微通道几何参数对流动翻传热特性的影响规律；( 3 ) 常规的流动 和传热经典理论是否仍适用于微通道等等。 1 2 微尺度的概念 所谓“微尺度 并没有严格的界定，只是一个相对大小的概念。随着研究对象的 不同，出现微尺度效应的尺度范围也不相同。通常所指的空间微尺度是跨越微米到原 子尺度的宽广范曝： 一微米一亚微米一纳米一团簇一原子一 其中微米范围的上限是在l o o 斗激以下，丽亚微米通常定义为o 1 皿l 以下至n m 之 间。一般，m e m s 的特征长度小于l n u n ，有的只有几个微米大小，而且现在还在向亚 微米和深亚微米级尺度发展。关于尺度的划分，目前还没有一个统一的提法，一般来 说将大予l 封蠼l 的尺度称为宏观尺度，l 强m l 黼昀尺度称为微尺度( m i e 抛s e a l e ) 。也有 的学者将1 0 0 p m 1 m m 的尺度称为细尺度( m a c r o s c a l e ) 。事实上，尺度的划分标准也是 不相同的，有的仅仅以几何尺寸麴数值划分，有的则根据不固作用力的范围进行尺度 的划分。通常，按照水力直径的大小，将各种管道分为常规管道、小管道、微管道、 纳管道，如表l l 所示： 表1 1 管道尺寸的划分 名称本力直径( 辩毯 常规管道 5 小管道1 5 微管道 o 0 0 1 1 纳管道o o o l l 。3 微尺度研究方法 在微纳米尺度下研究问题时，特征尺度与分子平均自由程相近，或者小于分 子平均离由程，这就使得连续介质假设有可能不再适用。所以嚣前有关微尺度效应 的讨论从两方面进行： 1 ) 物体的特征尺寸远大于载体粒子豹平均自壶程，流体分子连续性假设仍然成 立，也就是流动与换热仍然符合n a v i e r s t o k e s 方程及f o 嘶e r 定律：但由于尺度的 微细，使得原来豹各种影响因素的相对重要性发生了变化，从两可能导致流动和传 2 山米理工人学碗士学位论文绪论 热规律发生变化。 2 ) 当物体的特征尺寸缩小至与载体粒子( 分子、骧子、电子、光予等) 的平均 自由程同一量级时，基于连续介质概念的一些宏观概念和规律就不再适用，粘性系 数、导热系数等概念要重新讨论，n a v 记r i 鼽d k e s 方程和导热方程等也不嘉适用。磷 究要以分子理论为基础展开。 连续介质模型适用于绝大多数场合，是现阶段微尺度研究中广泛适用的模型。 该模型忽略了流体的分子特性，蔼把流体当作可以用密度、速度、压力、温度等宏 观参数描述的连续介质。而且连续介质模型的数学处理较为容易，对于大多数流体 力学研究者来说也较为熟悉。因此，只要条件允许，应优先考虑选用连续介质模型， 以便应用n s 方程及其他类似方程。 随着计算机技术的迅猛发展，以连续介绍假设为基础的经典理论成为各国研究 者最有力的研究工具之一，典型的方式就是利用计算机进行模拟计算。近几年许多 研究者已开始这方面的研究，如t o h 【5 j 等( 2 0 0 2 ) 数值模拟了微槽道中流体的流动和换 热，利用寿限元法将稳态层流的流动帮换热方程进行了离散他，结果表明：给徽管 输入的热量越小，阻力损失越大，微尺度效应的影响不能忽略，尤其在小r 口数下。 l i 嘲等( 2 0 0 4 ) 对竞为5 7 雌、巍为1 8 0 岬、长为1 0 m m 的礁扳蚀刻矩形微逶道内的流 动和换热进行了数值模拟，成用t d m a 法求解控制方程。模拟结果表明流体温度 在商他数“f 沿流动方向是呈准线性变化的，而在低如数下则不同。 基于分子的模型认为流体由离散的颗粒如分子、原子、离子以及电子组成，研 究的目标在于确定所有的颗粒在所有时间的位置、速度及状态。分子的研究方法可 以是确定性豹，也可以是随机性豹。一般分子模型有两种： a 分子动力学模型现代分子动力学计算机模拟的先驱工作是由a l d e 和 碱n 、确出( 1 9 5 7 ) 开展的。这种模型模拟的对象是在一定空间内的一系列n 个分子， 对每一系列分子设定一个对应于b o l t 珊a 衄分布的在所艨兴趣温度下的随机速度， 颗粒之间的相互作用一般采用势能形式，从而分子位置的时间演化通过积分牛顿运 动方程确定。由于分子动力学模拟是基予最基本的一系歹l j 方程，原理上它对于任意 流动和参数范围均成立。该方法虽然在原理上是直观的，但仍存在两个困难：其一 是如何选取合适的针对特定流体和固体的襁互作用势；男一个则怒需要采用庞大的 计算机资源以计算个合理的流场范围。第一个困难较为棘手，因为迄今为止尚无 完全合理的方法来确定方便耐准确的作用势。第二个困难是到目前为止对分子动力 学方法造成的最严重的制约是计算机模拟的分子数n 不能太大。因为就目前的c p u 速度而言，为模拟1 s 真实时间内复杂分子的相互作用，所需要的c p u 时间高达数 千年，这显然是不现实的。 b 统计模型统计模型先后由许多人提出过，并不断被完善。在这娄模型中， 某一位嚣和状态下的分子数量是唯一的穗关变量，时闯、三个方向的坐标和分子速 3 山东理工人学硕十学位论文绪论 度是非相关的变量。 综上所述，连续介质模型在数学上较易解决，并且对于流体力学工作者更为熟 悉，而分子动力学模拟不具有这样的优点。所以，只要在适用的范围内，优先采用 连续介质模型。 1 4 微尺度的尺寸效应 对于当量直径在1 岬1 n u n 范围内的m e m s ，连续介质假设仍然成立， n a v i e r - s t o c k e s 方程仍然适用。实际上只要微通道的尺寸比分子平均自由程高1 2 个 数量级，连续介质假设就成立。对于本文所研究的微通道而言，连续介质假设、 n a v i e r - s t o c k e s 方程和傅立叶导热定律完全成立。 一个特征长度为l m 的器件所具有的比表面积约为l m 2 m 3 ，而对尺寸在l p m 的 微电子机械系统，其比表面积可高达1 0 6 m 2 r n 3 。显然，微尺度条件下表面效应显著 强化，这就使得原来的各种影响因素的相对重要性发生变化，从而产生各种微尺度 效应。基于连续介质模型的微尺度效应表现在以下几个方面：1 ) 流体可压缩性效应； 2 ) 表面粗糙度效应；3 ) 主要作用力变化效应；4 ) 表面几何形状、尺度效应；5 ) 表面 静电效应；6 ) 微通道壁面的轴向导热效应；7 ) 测量精度；8 ) 沿轴向流体物性变化效 应；9 ) 入口效应。 流体可压缩性效应只要马赫数m a 远小于1 ，常规尺度管内流动的气体被认 为是不可压缩的，即气体的密度在流动过程中不变化，流动达到充分发展流时，摩 擦系数与雷诺数的乘积是常数。然而在微小尺度下，人们经实验研究发现：即使马 赫小于1 ，流体也不能考虑为不可压缩流体。通常用叼，脒表示气体的可压缩性。 宏观尺度下的压缩性是惯性力和压力相互平衡的结果，有髟d 旷朋矿。而微尺度下 的可压缩性是由于粘性力和压力共同作用的结果，故嘶一肋矿胎，嘶一 彳矿砌，西z 为k n u d s o n 数，晒f 彳尼，名是分子平均自由程，三是该研究问题的特征 尺度。尽管在微尺度条件下流场中速度变化不大，但由于粘性作用的大大加强，使 得压力变化比宏观尺度下剧烈的多，从而引起流场中密度分布的不均匀，气体不能 被认为不可压缩流体。 表面粗糙度效应常规尺度下，管内壁面相对粗糙度小于5 ，其对层流流动 的影响可以忽略。但在微尺度条件下，研究却表明即使管内壁面相对粗糙度小于5 ，其对管内的层流流动和换热的影响也不能忽略。研究结果还表明不仅粗糙元的 大小影响微尺度下的流动和换热，粗糙元的分布形式也具有影响作用。目前有关这 方面的研究较多，如d u 【7 】数值模拟了粗糙微管内的层流流动，结果表明粗糙度形成 的阻力是导致厂值增大的主要原因之一，同时粗糙度引起的扰动也将影响微管内流 体的流动：m a l a 和l i 【8 】等实验证实了即使表面的粗糙度小于5 ，微槽道中的流动 4 由乐理一 入学硬土学位论文 缝论 仍会受到粗糙度的影响，并提出了粗糙度一粘度模型，用于解释微尺度下流动阻力 的增大。s 白鼹嘲等使去离子水通过相对糖糙度为4 6 的矩形微遥道，研究了粗糙度 对流动和换热的影响，他们发现粗糙度会使微通道内的对流换热系数降低。 主要作用力变化效应各种各样的力同时作用在楗道( 管) 内流动的流体上。这 些作用力与特征长度有着不同的依变关系，例如：电磁力和离心力与特征长度成四 次方关系：重力和浮力与特征长度成三次方关系；惯性力与特征长度成二次方关系； 粘性力和表瑶张力与特征长度成线性荚系；静电力与特征长度成负二次方关系。对 于些在常规尺度下可以忽略的力，如表面张力、粘性力及静电力等，因为其与特 征长度依变关系中的指数较小，其随着尺度的减小会急捌增大，霹能对微尺度下的 流动和换热产生重要的影响，所以在微尺度条件下不再可以忽略。国际上有很多研 究者就是从表面张力、粘性力及静电力在微尺度条件下盟著加强的角度来解释流动 和换热的异常现象的。 表面几何形状、尺度效应对于微通道内流动的液体，液体中的可溶性气体或 存在的气体将对流动和换热特性产生重大影响。因为这犊气体会聚集在非圆形槽邀 的角落里，减小湿周，从而导致液体流动速度增大。湿周变小将减少摩擦，而流速 变大将增加摩擦。计算结果表明，湿周对气渔尺寸的影晌要超过对液体平均速度的 影响，所以流道内瀑周的减小将会降低摩擦。在实验中，由于液体中或多或少会溢 出不可溶性气体或本身携带气体，均使湿周有所减小，所以实验中使用水力直径作 为特征尺寸是存在一定问题的。但目前的绝大多数的菲圆截面槽道的实验研究中都 是以水力直径作为特征尺寸的。 匡际上根多研究都是针对槽道形状对微尺度流动和换热的影响进行的。实验中 常用到的微通道截面形状有长方形、三角形、等边梯形以及圆形等。研究者还发现 同一截匠的微通道，其宽高比不一样或水力学赣径不同时，换热褪流动特性也会不 同。 同时由于微尺度条件下，表面积与体积之比可以达到1 g ，这必将影响到 与表面有关豹传热和传质过糕，例如某些梯度爨会变大，使得徽尺度下的换热能力 加强：尺寸缩小使沿管壁面的法向速度梯度增大，剪切作用增强，从而可能使流体 特性发生改变。 表面静电效应微通道内部固体壁面的静电荷与液体中具有相反电荷的离子 之间相互平衡建立起双电层电场( e l e d 矗cd o 曲l cl a y e r ) ，这电场将对流动和换热 产生一定的影响，就是所谓的表面静电效应。对于常规尺度的流动，e d l 的厚度相 对于槽道的特征尺寸而言是非常小的，所以e d l 效应可以忽略。面对于微通道内 流动的电解液来说，离子浓度较高时，e d l 的厚度能达刘几个纳米，离子浓度极低 时，e d l 的厚度能达到1 个微米，此时e d l 的厚度与微槽的特征尺寸相当，e d l 效应对通道内的流动与换热产生重大影响，其作用不能忽略。一些计算与实验证明 啦东理工人学琰上学位论文鳞论 e d l 效应将增加流动的摩擦阻力。 轴向导热效应由于微加工技术的限制以及微通道强度的要求，微通道的壁厚 与通道内径( 或水力直径) 尺度可能相当，甚至更大，因此对予在常规尺度下可以忽 略的轴向导热，在微尺度的情况却不能忽略。m a r a n z a n a 【1 0 】等( 2 0 0 5 ) 通过数值分析两 平板阕的微细通道内考虑轴向导热的对流换热，证臻：仅在d m l o 之( d m 为一无量 纲数) ，它表明了轴向导热量与对流换热量的相对大小时，轴向导热才可以不予考 虑。王玮等q 0 0 3 ) 遥过数值解柝方法研究了考虑壁蘧辘向导热时微细管内的对流 换热，结果表明：当管外围为定热流边界条件时，管内充分发展流时的舰数依然 在3 。6 6 4 3 6 之间；但若忽略壁面轴向导热，采用常规尺度下的维热阻模型整理微 细管内对流换热的实验数据将会导致错误的结论。 测量精度在微尺度流动与换热的实验中，一些参数如流量、微槽的几何尺 寸等都锻小，精确测量这些值很困难，例如p 萎越0 璩】等指墨其测量微耩道长度的相 对误差达到了2 0 ，这必将影响实验结果。所以微尺度实验中，提高测量的精度， 减少实验误差是实验成功麴关键。现前很多研究者都在提高测量精度上进行着不断 的尝试。 沿轴向流体物性变化效应很多研究者在实验中注意到，由于微尺度条件下 流体的流量缀夸，流体温度的微小变化很可能影响到流体温度，进丽影响到与澄度 有关的物性参数，如流体的粘度和热传导率。而这些物性参数的变化又使得微尺度 下的流动和换热发生变化。现阶段绝大多数微尺度实验孛，都将流体的物性定为常 数，以流体的进出口平均温度作为定性温度。但事实上流体的温度沿通道轴向并不 是线性变化的，流体的物性也是沿轴向变化的。 入口效应常规尺度下，通道的直径( 水力直径) 与其长度之比大于6 0 时，郎 可认为入口段对通道内流动和换热的影响可以忽略。但很多研究者发现：在微尺度条 件下，微通道内的边赛层发展较慢，入口段长度增加，所以此时即使直径( 水力盥径) 长度之比大于6 0 ，入口段的影响仍然存在。经实验验证，微尺度下直径( 水力直径) 长度比达到3 0 0 时，入口效应对流动和换热的影响才可以被忽略。 有关微尺度流动和换热特性的研究始于上个世纪八十年代。与认识宏观尺度下 流体的流动和换热规律一样，微尺度流动和换热规律的研究方法也分为理论分析、 实验研究和数值模拟三种方法。理论分析作为最基本的分析方法，是实验研究的和 数值模拟的基础；实验研究是微尺度研究中的重要方法，是提供理论分析依据和发 展相应数值方法的主要途径；数值模拟是近几年随着计算枫技术的迅猛发展焉发展 起来的新兴研究方法，其研究成本较低、周期短、信息量大，可以避开一些实验研 究中的困难，为微尺度器件的优化设计和开发提供依据。 6 山寐理t 大学面? 学位论文绪论 1 5 国内外研究现状 理论分析、实验研究和数值模拟作为微尺度流动和换热研究的三种手段，各有 其优点和缺点，是相辅相承的。目前，国内外有关微尺度流动和换热的研究，既有 实验方面，也有理论分析和数值模拟方面的。为了叙述方便，根据研究者研究露的 和侧重点的不同，本节分别从微通道内流体单相流动特征和微遁遂内流体对漉换热 特性两方面展开论述。 1 5 1 微通道内流体流动特性的研究 w 牡和l 硼e h 巩 1 9 8 3 ) 首次测量了气体流过硅管时的摩擦系数，其遴道的截面形 状为梯形，水力直径为5 5 8 1 岫，5 5 9 2 岬和7 2 + 3 8 岬。结果表明：实验测得的摩 擦阻力系数高出传统理论预测值1 0 - 3 0 。作者认为偏离的原因是微通道表面的粗 糙元分布不均匀所致。 a c o s 协【h j 等( 1 9 8 5 ) 研究了水力直径分别为3 6 8 9 岬和9 9 0 + 4 斗m 豹矩形微递道内 的流体流动特征，实验结果表明以上两种水力直径的微通道内的流动符合常规尺寸 内的p o i s e u i l e 流规律。 p 捌h e f l ”d7 1 9 9 0 。1 9 9 1 ) 等研究了水力学直径为1 6 脚和3 4 脚豹矩形通道及宽 为1 0 0 岬、深为o 5 5 0 岬的梯形微通道内的流动特征。分别以甲醇、硅油、氨气 及氮气作为实验工质，船数范围为5 0 3 0 0 。结果表明：实验测得的摩擦系数均小 于理论计算值，且孙i s 郎i l l e 数( 您p ) 随着船数的减小丽减小。作者还发现流体的极 性也将对微槽道内的流动特征产生影响。 y u u 硼等( 19 9 5 ) 对氮气和水在水力直径为l9 岬、5 2 岬和10 2 哪的刻蚀在硅板 土的微通道内的流动特性进行了研究，船数范围为2 5 0 2 0 0 0 。饨们发现实验得到 的摩擦系数小于理论计算值。同时作者分析了管壁粗糙度对流动的影响。 j i a l l g i l 9 】等( 1 9 9 5 ) 研究了水流过矩形和梯形微通道时的流动特性。实验中两种槽 形微通道都是通过化学腐蚀方法在硅板上形成的，其宽为3 5 n o 岬、深为 1 3 ，4 - 4 6 呻，蛳数范围为1 3 0 。实验结果表明实验测得的摩擦系数大于理论预测值。 h a 册s 【2 0 】等( 1 9 9 7 ) 实验测量了去离子水在矩形微通道中流动时的p o i s e u i l l e 数。 实验中的微通道在硅板j 二刻蚀而成，水力直径为4 0 4 岬。作者发现在层流范嘲内， 实验得到的摩擦系数与理论计算值相一致。 p 缸n d 【2 1 j 等( 1 9 9 8 ) 测量了水流过水力学直径为2 0 0 9 0 0 ”m 的矩形微槽道时的压 降，r 已数的范围是4 0 4 0 0 0 。作者发现在层流范围内，实验值与理论计算值相吻合， 且摩擦系数随着壁面粗糙度的增大而增大。 m a l a 和l i l 2 2 】( 1 9 9 9 x 速过实验研究了水在圆形微通道中的滚动特性。微通道车手质 7 山东理t 人学硕1 j 学位论文 绪论 为硅和不锈钢，直径为5 0 2 5 4 岬。实验结果表明：在给定体积流量的条件下，小 船数情况下，实验摩擦系数与理论计算值大致符合；随着黜数的增大，实验值显 著偏离理论计算值，偏离程度随管径的减小而增大。作者认为这是由于微管内壁面 的粗糙度造成的。 q u 【2 3 】等( 2 0 0 0 ) 实验研究了水力直径为5 l 岬和1 6 9 m 的梯形硅质微通道内流体 的流动特性。实验结果表明：在层流范围内，实验测得的摩擦系数大于理论计算值。 作者认为产生这种差别的原因是流体粘性度的变化。 d i n g 【2 4 】等( 2 0 0 0 ) 研究了r l3 4 a 和r 1 2 在矩形和梯形不锈钢管中的流动特征。微 通道的水力直径为4 0 0 6 0 0 岬。实验结果表明：实验得到的摩擦系数大于理论计算 值，且摩擦系数的大小与管壁的粗糙度相关联；作者发现在实验中p o i s e u i l l e 数在 层流范围内不再是常数，而是随着r p 数变化的。 x u 【2 5 】等( 2 0 0 0 ) 研究了水力直径为3 0 3 4 4 h m ，黜数为2 0 4 0 0 0 的微通道内的液体 流动特性。微通道在铝板和硅片上形成。他们认为：在水力直径大于3 0 岬的微通 道中，传统的n a v i e r - s t o k e s 方程仍适用；微通道中的流动现象虽然具有特殊性，但 这些现象由于加工工艺引起的，而并不是微通道几何尺度微小所造成的。 j i a i l g 【2 6 等1 ( 2 0 0 1 ) 实验研究了单相、非等温的水流过铜质微换热器时的流动特性， 发现由层流向紊流转捩时的r p 数小于6 0 0 ，达到充分发展紊流时的r p 数大于2 8 0 0 。 q u 和m u d 踟w 刚( 2 0 0 2 ) 在对矩形和圆形微通道内流体流动特性的研究中，在 r e 数为1 3 9 1 6 7 2 的范围内并没有发现层流向紊流过渡。 g u o 和l i 【2 8 1 ( 2 0 0 2 ) 研究了微尺度下对流动和换热存在影响的因素。他们认为： 由于微通道具有较大的面积容积比，所以与表面状况相关的因素都对微尺度流动 和传热有影响；表面粗糙度可能是造成层流过早向湍流转变的原因；其他因素如粘 性力、通道表面形状、表面电荷和通道壁面轴向导热率等都可能导致微通道内流动 和传热特性有别于常规尺寸下的流动和换热。 j u d y 【2 9 】等( 2 0 0 2 ) 测量了圆形、矩形的硅质和不锈钢微通道内的摩擦阻力系数。 i b 数变化范围为8 2 3 0 0 ，通道直径( 或水力直径) 为1 5 1 5 0 岬。实验中分别以蒸 馏水、甲醇和异丙醇作为工质。实验结果表明对于以上规格的微通道，其内流体的 流动规律未发现与s t o k e s 流动理论存在着显著偏差，工质的极性和粘性并未对流动 产生影响。 h e r 晰g 和h a u s n e r 川( 2 0 0 3 ) 认为与宏观系统相比，微小空间内部有一些重要的 微尺度效应，但对于层流流动来说，宏观与微观存在共同的理论基础。 l i l 3 1 j 等( 2 0 0 3 ) 采用去离子水为工质，实验研究了内径分别为1 2 8 8 岬，1 3 6 5 岬 和1 7 9 8 岫、表面粗糙度在0 0 3 和0 0 4 3 之间的不锈钢管内的阻力和流动特性。他 们的实验结果表明：三种钢管的阻力系数比经典理论解要高1 0 2 5 ，管内由层流 向紊流转变发生时的胎数等于1 8 0 0 。 8 由东理工大学硕士学位论文绪论 瑚吐p 2j 等( 2 0 0 5 ) 实验i 爨| | 量了水力直径为2 5 1 0 0 阻微管内的筮缩流和不可压缡 流体的流动特性，黜数的范围分别为6 8 1 8 8 1 4 和4 9 2 0 6 8 。实验结果表明实验测 得的摩擦阻力系数与经典理论计算值相吻合。作者认为众多文献得出的实验值与理 论筐存在差别的结论是由仪器误差或对哥压缩性的错误描述造成的。 通过对以上文献的分析可知，各国学者对微通道中流体的流动现象进行了积极 地研究和探索，得到了一些适用于一定条件的阻力系数关联式和一些有用的结论， 如：微通道中层流向湍流转变的临界船数比常规管道中临界值( 2 3 0 0 ) 要小的多，表 面静电效应将增大摩擦阻力等。但各个研究者所得的结论并不一致，甚至相互矛盾， 且对微通道内的流动现象的解释也存在着分歧。这表明微通道内的流动规律尚未明 了，需要建立合适的流动模烈，继续进行深入的研究。 1 5 2 微通道内流体换热特性的研究 w u 和l i 札l e f 3 3 1 ( 1 9 8 4 ) 首次用实验的方法研究了n 2 在4 种不同尺寸微遥道内的换 热特性，微通道的高为8 9 9 7 i 肚n 、宽为3 1 2 5 7 4 邺。实验结果显示：流动区可根据 鼢数分成三个不嘲区域：船 3 0 ) 对流换热在单面加热时的肋数，作者建议 采用的计算公式： k ：o 0 0 2 2 2r e l 舯p r o “ 在过渡区僻p = 1 0 0 0 3 0 0 0 ) 很难用经验关系式来拟合：在层流区僻p 1 0 0 0 ) ，随着 凡何尺寸的不同，各准则数之间的关系也各不相同。他们猜测其原因是微通道矩形 截面层流区的传热系数与微通道表面的边界条件关系非常密切。 c h o i 【3 4 1 ( 1 9 9 1 ) 研究了n 2 流过微通道时的传热特性，实验结果表明：所测得的层 流区的换热系数强烈地依赖于船数；而在湍流区换热系数，则比用常规的湍流关 联式j ! 蚕! 测值大。根据实验数据得出的拟合关联式为： 对层流区 五p 2 0 0 0 h ：0 0 0 0 9 7 2r - e 7p r w 对湍流区 ( 1 - 2 ) 2 5 0 0 诎p 0 4 m m ，测得的摩擦系数和局部n u 数均与经典理论相吻合；当e o 4 n l i l l ，测得的m ， 数明显偏低；通道尺寸对于由层流向湍流的转变没有影响。 c e l a t a 等( 2 0 0 2 ) 通过实验研究了制冷剂r 1 1 4 流过内经为0 1 3 0 m m 的微管时的对 l o 啦笨瑾工亢学坝_ l ：掌垃论义堵论 流换热特性。实验结果证明充分发耀流的经典层流和湍流关联式都不适用于微尺度下 的对流换热规律。 l d e a 等( 2 0 0 4 ) 通过实验和数值模拟两种方法研究了矩形微通道内的流动和换 热特性。擞遴道的材质为不锈钢，水力盎径为0 1 封抛、o 3 m m 及o 5 舢，觑激为昏s o o ， 实验工质为蒸馏水。实验结果表明：实验测得的摩擦系数、对流换热系数均与理论预 测值相一致。 k d o 和划e i n 蛐u e r f 4 刀( 2 0 0 4 ) 数值研究了圆形和矩形微通道内部的粘性耗散效 应。他们证明了粘性耗散效应与水力直径( 或直径) 及矩形微通道的长宽比密切相 关。 l e e 等h 硼( 2 0 0 5 ) 对内径为3 1 8 9 0 3 岫的微管内的对流换热特性做了实验和数值 分析。结果表明：在给定流量下，对流换热系数随着微管忐轾的减小而增大，且考 虑了入口效应和边界条件变化的数值计算结果与实验值相吻合。这说明对于以上规 格的微管，考虑了入口效应和边界条件变化的数值计算方法有很好的预测性。 m 耐碰等删( 2 0 0 5 ) 研究了矩形徽遥道内部的液体流动时的桔性耗散效应。在水 力矗径小于1 0 0 畔时，液体流过微通道时的粘性耗散效应变得非常重要。基于常规 理论，作者提出一种新型模型来预测微通道内部粘性耗散效臆。 g a 删脚等口翻( 2 0 0 5 ) 利用数值方法研究了层流流动时导热效应及入口效应对矩形 微通道内部换热特性的影响。研究结果表明：入口效应对微通道内换热的影响取决 于如数的大小；由于复杂的几何特征，求解沿壁面的轴向导热或热流沿壁面的分 布状况都很困难，所以微通道内部换热的减弱很难仅仅通过轴向导热效应来解释。 h e r 试g 等f 鲫1 ( 2 6 ) 系统地分析了流