（机械制造及其自动化专业论文）低粘度液体及纳米流体微流动特性研究.pdf

独创性声明 l u l ll1i it l l l li i t l1 1 1 1 1 1 1 l y 17 4 8 7 6 4 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。除文中己注明引用的内容以外，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，均己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：绉始勇 日期：2 0 0 9 年，f 月，o 日 分类号 q 箜2 u d c旦盘 博士学位论文 密级 低粘度液体及纳米流体 微流动特性研究 凌智勇 指导教师 扬继昌教援 指导小组成员 申请学位级别埴士 专业名称扭越剑造及甚自麴丝 论文提交e l 期2 q q 窆生兰! 且论文答辩日期2 q ! q 笙鱼且 学位授予单位和日期 江菱太堂笙且 答辩委员会主席 陈盍因4 评阅人一 2 0 0 9 年1 1 月 c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： p h d d i s s e r t a t i o n m i c r o - f l o wc h a r a c t e r i s t i c so f l i q u i d s w i t hl o w v i s c o s i t ya n dn a n o f l u i d s b v ， l i n gz h i y o n g m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u ea n da u t o m a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f y a n gj i c h a n g j i a n g s uu n i v e r s i t y n o v e m b e r , 2 0 0 9 摘要 摘要 随着微机电系统( 删s ) 技术的迅速发展，微流体系统也得到了很大的发 展，并且其应用前景非常广阔。尽管已有不少前人对微流动系统中气体和液体的 流动特性进行了研究，但由于各自的研究方法和条件不同，其研究结论也各不相 同，有些甚至得出相反的结论。所以，微流动系统中流体的流动特性仍不十分清 楚，还有待于进行深入的研究。 论文以去离子水、低粘度硅油及铜一水纳米流体为对象，对其在微圆管道中 的压力驱动流动特性进行了实验研究。 首先，根据压力驱动微流动的特点设计了压力驱动微流动特性试验台及参数 测量系统。实验微管道直径范围为l o l i m l o o i x m ，驱动压力范围为o - - 1 m p a ，实 验温度控制在2 5 o 5 范围。 其次，实验研究了去离子水在亲水性和疏水性( 自组装o t s 膜) 壁面微圆管 道及硅油的微流动特性，探讨了微管道直径、长度、壁面性质及液体粘度对流动 特性的影响。由于液体在微管道内流动时的雷诺数r e 较小，流动均为层流流动， 流量一压力特性呈现良好的线性关系。去离子水在较小直径( 1 5l im ) 亲水性微管 道内流动时，存在一个长径l 七l d 的临界值( 在5 3 8 x 1 0 3 - 7 6 9 x 1 0 3 之间) ，当长径 比l d 超过临界值时，流量将明显增大；在疏水性壁面微管道内流动时，将出现一 定的表面滑移，导致流量有所增大，此现象随微管道直径的增大而更加明显。 第三，制备了质量分数分别为l 和2 的铜一水纳米流体，并采取一定措施 提高其稳定性，最大悬浮稳定时间可达3 0 - - - 4 0 小时，并对其在直径2 5um 和5 0 l zm 微管道中的流动特性进行了研究。纳米流体在微管道内流动时，流量一压力特 性呈现良好的线性关系，可将其假设为液相单相连续流体进行研究。在直径2 5um 管道内流动时，由于粘度变化以及粒子团聚等因素，使流动摩擦阻力增加以及实 际过流截面有所减小导致流量减小；在直径5 0i lm 管道内流动时，由于纳米粒子 使管道壁面处出现局部不连续而产生局部滑移现象导致其流量增加。 第四，计算了微流动特性实验中的原理性误差，分析了参数测量误差。原理 性误差包含了微管道入口和出口处的局部压力损失误差，参数测量误差包含了压 江苏大学博士学位论文：低粘度液体及纳米流体微流动特性研究 力、流量、微管道尺寸等的测量误差，温度和压力的变化引起液体粘度微小的变 化也将带来一定的误差，其综合误差在1 3 之间，表明实验研究的结果是可 信的。 最后，针对去离子水和纳米流体的微流动特性，提出了考虑表面速度滑移、 表观粘度和纳米流体粘度变化的流量修正方程，并通过实验结果验证了修正方程 的正确性。 关键词：去离子水硅油铜纳米流体微流动特性实验研究误差 修正方程 、 b e e nc o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fp r e s s u r e - d r i v e nl i q u i df l o w t h ed i a m e t e r o ft h er o u n dm i c r o c h a n n e lu s e dr a n g e df r o m1 0t o1 0 0g m t h ep r e s s u r eu s e dr a n g e d f r o m0t o1m p a ，a n dt h et e m p e r a t u r ed u r i n gt h ee x p e r i m e n tw a s2 5 + 0 5 c s e c o n d l y , t h e m i c r o - f l o wc h a r a c t e r i s t i c so fd e i o n e dw a t e ri nt h er o u n d m i c r o - c h a n n e l sw i t hh y d r o p h i l i ca n dh y d r o p h o b i cs u r f a c e s ( o t s ) a n dt h ee f f e c t so f d i a m e t e r s 、l e n g t h s 、i n t e r f a c ep r o p e r t i e sa n dv i s c o s i t i e so nf l o wf e a t u r e sh a v eb e e n p e r f o r m e de x p e r i m e n t a l l y t h ef l o wf e a t u r e sa r ea l ll a m i n a ra n dt h ef l o wr a t ea n d p r e s s u r er e l a t i o n s h i p sk e e p9 0 0 dl i n e a r i t yd u et ot h es m a l lr e y n o l d sn u m b e ro ff l u i d s f l o w i n gi nm i c r o - c h a n n e l s w h e nt h ed e - i o n e dw a t e rf l o w si nt h em i c r o - c h a n n e lw i t h s m a l l e rd i a m e t e r s0 s o r e ) a n dt h eh y d r o p h i l i cs u r f a c e ，t h e r ei sac r i t i c a ln u m b e r o ft h e r a t i ob e t w e e nla n dd ( 5 3 8 1 0 3 7 6 9 1 0 3 ) i ft h er a t i oo v e rt h ec r i t i c a ln u m b e r , t h ef l o wr a t e sw i l lb el a r g e r w h e nt h ed e - i o n e dw a t e rf l o w si nt h em i c r o - c h a n n e lw i t h t h eh y d r o p h o b i cs u r f a c e ，t h ef l o wr a t e sw i l lb el a r g e rd u et ot h eo c c u r r e n c eo fb o u n d a r y s l i p ，a n dt h i sp h e n o m e n o nw i l lb e c o m em o r eo b v i o u sw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ed i a m e t e r o fm i c r o - p i p e s t h i r d l y , c u w a t e rn a n o f l u i d sw i t hw e i g h tf r a c t i o n so fc un a n o p a r t i c l e so f1 a n d2 h a v eb e e np r e p a r e d t h es t a b i l i t yo ft h en a n o f l u i d sc a nb ei n c r e a s e dt oa sl o n g a s3 0 4 0h o u r sb ya d d i n gd i s p e r s a n t sa n du l t r a s o n i cv i b r a t i n g t h e nt h ef l o w c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r e p a r e dn a n o - f l u i d si nc h a n n e l sw i t hd i a m e t e r so f2 5a n d5 0i n n m 江苏大学博士学位论文：低粘度液体及纳米流体微流动特性研究 w e r es t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef l o wr a t ea n dp r e s s u r er e l a t i o n s h i p sk e 印9 0 0 d l i n e a r i t y , s ot h el l a n o f l u i d sc a l lb er e g a r d e da so n ep h a s el i q u i dt ob es t u d i e df o rt h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c s t h ed i a m e t e ro ft h ec h a n n e li sr e l a t i v e l ys m a l l ( 2 5 ，t h e r e s i s t a n c et of l o ww o u l di n c r e a s ea n dt h er e a la r e ao ff l o wd e c r e a s e ss l i g l l f l yd u et ot h e m i n u t ec h a n g ei nt h ev i s c o s i t ya n dt h ea g g r e g a t i o no fp a r t i c l e s ，l e a d i n gt ot h ef l o wr a t e s o ft h en a n o - f l u i d sb e i n gr e l a t i v e l ys m a l l w h e nt h ed i a m e t e ro ft h ec h a n n e li sl a r g e r ( 5 0 w n ) ，t h en a n o p a r t i c l e sn e a rt h ec h a n n e ls u r f a c ew i l lb el o c a l l yd i s c o n t i n u o u si n d u c i n g t h eo c c u r r e n c eo fb o u n d a r ys l i p ，a n dt h e nt h ef l o wr a t e so ft h en a n o f l u i d sw i l lb el a r g e r f o u r t h l y , t h es y s t e m a t i ce r r o r si nt h ee x p e r i m e n t so ft h em i c r o - f l o wc h a r a c t e r i s t i c s w e r ec a l c u l a t e d ，a n dp a r a m e t e rm e a s u r e m e n te r r o r sw e r ea n a l y z e d ms y s t e m i ce r r o r s i n c l u d et h ee r r o r so ft h el o c a lp r e s s u r el o s s e si nt h ei n l e ta n do u t l e t , a n dt h ep a r a m e t e r m e a s u r e m e n te r r o r si n c l u d et h ee r r o r sm e a s u r i n gt h ep r e s s u r e ，t h ef l o wr a t e ，a n dt h e c h a n n e ls i z e ，e t c a l s o ，t h et e m p e r a t u r ea n dt h ep r e s s u r ev a r i a t i o nc o u l d i n d u c eam i n u t e c h a n g ei nt h el i q u i dv i s c o s i t y , r e s u l t i n gi ns o m ee r r o r sw i t hac o m p r e h e n s i v ev a l u e b e t w e e n1 a n d3 t h e s ec a l c u l a t i o n sa n da n a l y s e si n d i c a t et h a tt h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sa r ec r e d i b l e f i n a l l y , f o rt h em i c r o f l o wc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed e i o n e dw a t e ra n dl l a n o f l u i d s ， t h ef o r m u l ao ff l o wr a t e sc o n s i d e r i n gb o u n d a r ys l i pa n dc h a n g e si nv i s c o s i t yh a v eb e e n a m e n d e d ；a n dt h ec o r r e c t e df o r m u l ah a v eb e e nv e r i f i e da v a i l a b l ea c c o r d i n gt ot h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e y w o r d s ：d e - i o n e dw a t e r , s i l i c o no i l , c u - w a t e rn a n o - f l u i d s , m i c r o - f l o w c h a r a c t e r i s t i c s ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , e r r o r s , c o r r e c t e df o r m u l a i v 1 4 1 5 第二章 2 1 2 2 2 3 2 4 第三章 3 1 3 2 论文结构9 本章小结。1 0 微流动实验装置及参数测量 1 1 实验方案设计1 1 实验装置1 2 2 2 1 驱动压力气源。1 2 2 2 2 储液罐1 3 2 2 3 实验微圆管道1 3 2 2 4 实验介质1 8 参数的测量2 3 2 3 1 微圆管道内径的测量2 3 2 3 2 流量测量2 3 2 3 3 压力的测量2 5 2 3 4 温度控制2 6 本章小结。2 6 低粘度液体微圆管道微流动特性实验研究。2 7 微流动的类型2 7 亲水性微圆管道中去离子水微流动特性实验研究2 9 3 2 1 实验用微圆管道2 9 3 2 2 实验条件2 9 3 2 3 l o g t n 直径微圆管道去离子水流动特性2 9 3 2 41 5 9 m 直径微圆管道去离子水流动特性。3 2 v 江苏大学博士学位论文：低粘度液体及纳米流体微流动特性研究 3 3 3 4 3 5 3 6 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 第五章 5 1 5 2 5 3 3 2 5 2 5 1 a m 直径微圆管道去离子水流动特性o 3 4 3 2 6 5 0 1 t i n 直径微圆管道去离子水流动特性。3 8 3 2 7 微圆管道长度对流动特性的影响4 0 疏水性微圆管道中去离子水微流动特性实验研究4 3 3 3 1 微管道表面o t s 自组装膜的制备4 3 3 3 2 界面性质对流动特性影响的实验研究4 3 微圆管道中硅油微流动特性实验研究。4 6 3 4 1 5 0 1 m a 直径微圆管道硅油的流动特性4 6 3 4 2 1 0 0 1 a m 直径微圆管道硅油流动特性。4 9 液体粘性对微管道流动特性的影响5 2 本章小结5 3 微圆管道纳米流体微流动特性实验研究一一。5 5 纳米流体微流动的不同流动模型。5 5 纳米流体的制备5 5 纳米流体的稳定性分析5 7 4 3 1 纳米粒子间的范德华作用力势能。5 8 4 3 2 静电作用力势能5 9 4 3 3 粒子间的相互作用势能6 0 4 3 4 分散剂的作用6 1 微圆管道中纳米流体微流动特性实验研究。6 2 4 4 1 实验方法6 3 4 4 2 纳米流体微管道流动特性6 3 4 4 3 纳米流体微流动特性分析7 3 本章小结7 3 实验误差分析。一7 5 误差的分类：7 5 5 1 1 系统误差。7 5 5 1 2 随机误差7 5 5 1 3 粗大误差7 6 随机误差的处理7 6 实验的原理性误差7 8 5 3 1 微圆管道入口的压力损失7 8 5 3 2 微圆管道进口起始段的压力损失。8 1 5 3 3 微圆管道出口压力损失8 3 v i 目 录 5 4 5 5 第六章 6 1 6 2 6 3 6 4 6 5 第七章 7 1 7 2 7 3 5 3 4 微圆管道流动总的压力损失。8 5 实验参数的测量误差8 8 5 4 1 压力测量误差8 8 5 4 2 流量测量误差8 8 5 4 3 微管道直径测量的误差8 9 5 4 4温度和压力对液体动力粘度的影响8 9 本章小结9 0 液体微流动特性理论研究9 1 微流动中流体的作用力9 1 微流动中的无因次参数。9 1 连续介质微流动基本方程。9 1 6 2 1 微流动的基本控制方程9 1 6 2 2 液体微流动的流量9 2 6 2 3 液体微流动的粘性阻力9 3 低粘度液体微流动特性。9 3 6 3 1 微管道尺度对微流动特性的影响。9 3 6 3 2 微管道介面性质对微流动特性的影响9 9 6 3 3 液体粘度对微流动特性的影响。9 9 纳米流体微流动特性9 9 6 5 1 纳米流体微流动的基本方程。9 9 6 5 2 纳米流体纳米粒子含量对流动特性的影响1 0 0 本章小结1 0 5 参考文献 致谢 结论与展望1 0 7 本文的研究结论1 0 7 本文的创新点。1 0 8 对未来工作的展望1 0 9 攻读博士期间发表与研究课题相关论文 v 1 1 1 1 1 8 1 1 9 机电系统( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，m e m s ) 发展过程中多种技术的出 现，并且指出了涉及m e m s 机理、设计与加工制造及应用等领域的重要研究课题。 m e m s 是由特征尺寸在亚微米至毫米范围内的电子和机械元件组成的微器件或 微系统，它将传感、处理与执行融为一体，提供一种或多种特定功能【4 1 。自2 0 世 纪8 0 年代后期，随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，m e m s 的研究得到了 迅速发展，美国、欧洲、日本、新加坡等国家都对该领域加大了投入，并指定了 国家级发展计划加以推动【5 1 。由于m e m s 具有体系小、重量轻、能耗低、成本低、 集成度高、智能化程度高、响应快、准确度高、性能好等优异的特点，是当前拥 有极好发展前景的科技领域之一。目前m e m s 已广泛应用于力学、机械、信息、航 空航天、自动控制、医学、生物学、热学、光学、近代物理和工程学等诸多领域 6 , 7 1 。 在微机电系统中包含了大量的微流动器件，有些就是根据流动的某些原理制 成的，如微型换热器【鲫、微型泵【l o l 、微型蒯1 1 1 、微型推进器【1 2 1 、微型生物芯片【1 3 1 、 微型流量传感器【1 4 1 5 】等，所以微流动系统已成为m e m s 的一个重要组成部分，为了 合理设计微型设备并使其高性能的运行，从而在工程实践中发挥巨大作用，研究 微管道内部流动特性是必不可少的【1 6 1 。 微流动系统的流量一般在n l m i n hl m i n 量级，由于尺寸微小，不仅可以 减少系统的无效体积，降低能耗，提高响应速度【1 7 l ，而且其流动完全不同于宏观 流动，具有许多与宏观流体力学不同的新问题，如描述宏观流动的基本方程是否 江苏大学博士学位论文：低粘度液体及纳米流体微流动特性研究 适用、是否需进行修正、边界条件的修正、基本流动现象等。随着m e m s 技术的不 断发展，同时由于巨大应用前景的激励，对微管道内流体流动特性的研究，将成 为一个长期研究的热点【1 趴9 , 2 0 1 。 微型流动系统与其它微型元件集成生产而构成各种微型系统，是目前的发展 方向之一。在工业过程中的精确气体和液体流量控制、微量化学分析、微量医学 注射和分析及高精度喷墨打印、微型发动机推进等方面具有良好的应用前景1 2 1 1 。 当前，微流动系统已广泛应用于集分析化学、生物化学、微电子技术等为一体的 微流体芯片系统，它不仅具有样品消耗量小、检测时间短、操作简便、能耗低、 效率高、结果可靠等特点，而且还具有系统集成化、操作自动化、数据获取和分 析智能化的特点。因此微流体芯片在新药物开发、高通量药物筛选、农作物优育 优选、疾病诊断和治疗、食品卫生监督、环境检测、司法鉴定、以及国防安全和 航空航天等领域有着广阔的应用前景和巨大的市场潜力1 2 2 , 2 3 1 。 在微流动系统中，随着尺度的减小，支配流动的各种作用力的相对地位发生 了变化，如表面力的作用相对增大而体积力的作用相对减小，其流动特性也发生 了相应的变化，由生物学研究表明，在低于l m m 时，表面力的作用要大于体积力【硎。 由于表面积与体积之比的巨大变化，表面效应在微流体器件中将起主导作用，这 将大大影响到质量、动量和能量的传输。此外，在微流动系统中出现了一些经典 连续介质模型无法解释的现象，使得适用于宏观流体的控制技术不能简单地移植 到微流动系统中。 由于微通道中的流体流动行为与宏观流体流动行为有着本质的差别，因此微 流体器件往往都与相应的宏观器件差别甚大；并且在微尺度下，许多宏观经典理 论并不适用于微观陋】，微流动技术也随着研究的深入而逐步变化，因此在科技迅 猛发展和对微流动系统需求日益增加的今天，对于微流动的理论及实验的研究和 建立微流动系统理论体系迫在眉睫。 国内外有不少学者对微流动进行了相关方面的研究，但是，由于这一领域的 研究还有许多问题需要进一步探索，尚无系统的理论，因此，有必要全面了解流 体在微通道中的流动特性，其研究本身已经成为提高微小器件性能的关键环节之 一6 2 第一章绪论 1 2 微流动的研究现状 在宏观流动中，由于所研究的流动特征尺寸远大于流体分子的平均自由程( 在 一个大气压下，气体的平均自由程约为6 0 r i m ) ，所以将流体假设为连续介质。随着 特征尺寸的减小，流体分子平均自由程与流动特征尺寸的比值相对增大，流体的 流动将可能出现与宏观流动不同的流动规律。目前一般将大于l m m 的尺度称为宏 观尺度，1um - - - ，l m m 的尺度称为微尺度【硐。当流道的征尺寸小于l m m 时，支配流体 流动的物理环境及其自身特性发生变化，探明微尺度条件下流体的流动特性对微 纳零件的制造与微机械装置控制系统的设计十分重要【2 7 】。微机械流体研究的特征 尺度目前一般在微尺度( 微米) 量级。微流动系统应用最广泛的领域之一就是微 流体芯片或称微全分析系纠2 8 l 。 1 2 1 气体微流动研究现状 由于气体具有较大的分子平均自由程和较大的可压缩量，所以其在微管道内 的流动表现出与宏观流动不同的特性。众多研究者对微管道气体流动特性的研究， 主要集中于流动摩擦阻力和对流换热特性的研究。 对于微通道内气体流动摩擦阻力的研究，自2 0 世纪7 0 年代w u 和p i t t l e 嗍 就已开始，此后l i 等 3 0 l 、p f a h l e r 等p 1 捌、c h o i 等【3 3 1 、a r a k i 等 3 4 3 5 1 、杜东兴婀 等许多研究者都对此问题进行了进一步的研究。他们研究的气体主要为氮气、氢 气、氩气和氦气等，微通道的横截面有矩形截面、梯形截面、三角形截面和圆截 面等，所得研究结果各不相同，有的得出摩擦阻力大于常规流动的摩擦阻力，而 有的则得出小于常规流动的摩擦阻力。w u 和p i t t l e 的研究得出摩擦系数厂与雷诺 数r e 的乘积( 厂r e ) 远大于6 4 ，可达到1 1 8 ，而且其转捩雷诺数大约为1 0 0 0 ； l i 等的研究在m a 0 3 时摩擦系数高于传统理论的预测值：杜东兴的研究表明摩 擦系数始终大于不可压缩、充分发展流动的数值。相反，p f a h l e r 的研究结果摩擦 系数比不可压缩流动的理论值低1 5 ；c h o i 得出摩擦系数与雷诺数的乘积( f r e ) 为5 0 2 ，- - - 5 3 9 ，小于6 4 的结论；a r a k i 的研究也同样得到摩擦系数测量值小于传 统理论预测值的结果。研究者们认为，由于微通道表面相对粗糙度对气体微流动 的影响很大，导致流动摩擦阻力增加；气体的可压缩性和稀薄效应也对其微流动 特性具有较大影响，特别是气体的稀薄效应将引起流动摩擦阻力的降低。 3 江苏大学博士学位论文：低粘度液体及纳米流体微流动特性研究 h a r l e y 等人p 7 l 、秦丰华等【3 8 】分别对梯形槽、圆管内气体的微流动特性进行了 研究。h a r l e y 等的研究结果与理论分析相差小于3 ，而秦丰华等的研究结果却表 明由于微尺度效应的影响气体流动的流量和压力特性不再呈线性关系。 杜东兴3 6 1 、邬小波等【3 9 】、唐桂华等人、杨宪章等【4 1 1 分别建立了气体微流动 的物理模型，并进行了数值分析计算。他们的研究结果表明，摩擦和气流加速使 气流压降加速并改变壁面处的无量纲速度梯度导致摩擦系数增加，而且气体的可 压缩性使气流的轴向流速剖面分布沿管长而变化，并且不能达到充分发展的流动 状态；流动进口段长度随努森数k n 而增加，但随动量调和系数及热调和系数而减 小；在滑流区和过渡区的速度滑移和温度跳跃现象明显，滑移速度、剪切力和温 度跳跃量均随努森数k n 而增大，但滑移速度和剪切力增长速度则递减。 可见，由于气体的可压缩性、稀薄效应、微管道特征尺寸、管道表面相对粗 糙度等众多因素的影响，使得各研究者的研究结论互不相同，甚至得出相反的结 论，表明气体微流动的复杂性和研究的难度。 1 2 2 液体微流动研究现状 对于液体在微细管道中的流动，虽然也有一些研究报告的报道，但由于在常 压、常温下，液体分子间的距离更小，分子靠得更近，分子之间以及液体与固体 壁面之间的吸引力和粘着势在微小尺寸流动中起着主要作用，所以其微流体力学 问题要复杂一些1 4 2 】。 牧原光宏等 4 3 1 、p f a h l e r 等 4 4 1 、王补宣等【钢、李勇等i 蛔、江小宁【4 7 删和李战 华等【4 9 】分别对硅油、去离子水、甲醇、四氯化碳、乙基苯及环已烷等多种液体在 圆形、矩形、v 形等不同截面形状微管道内的流动特性进行了研究。他们的研究结 果表明，液体在微管道内流动时，流量与压力损失、摩擦系数入与雷诺数r e 均成 比例关系，其压力一流量关系符合经典的h a g e n p o i s e u i l l e 流动，并基本与n - s 方程的计算结果相吻合，仅在截面尺寸较小时的实验结果与n - s 方程式相偏离， 说明在微米尺度管道中低雷诺数下的流动规律仍然符合连续介质假设的经典流体 力学模型。 h a r l e y 和b a u 【卯】、r a h m a n 和g u i 【5 1 ，5 2 】、g u i 和s c a r i n g e l 5 3 、j i a n g 跚吲、s t e i n k e 和k a n d li k a r 5 5 1 、r e n q i a n gx i o n g 等【5 6 1 、张春平等【5 7 】和黄蕾等f 5 8 】对液体在微通道 内的流动摩擦阻力进行了研究。他们的研究结果表明，异丙醇在微梯形槽和矩形 4 第一章绪论 槽内流动时的摩擦阻力大于传统理论的预测值；水在梯形微槽内流动的摩擦系数 与传统理论的计算值一致，而且实验所得摩擦系数值与层流区的经典理论计算值 非常吻合；去离子水在槽宽3 5 , - - , 1 1 0um 、槽深1 3 4 - - - 4 6l am 的单晶硅片基板和玻 璃盖板微槽内流动的摩擦系数要大于经典理论的预测值，而在水力直径为3 5um 1 2 0um 之间的硅矩形槽内流动时，f r e 的值要比理论计算值小5 0 - - 1 0 0 。液体 在微管道内流动时，在雷诺数r e 较低时，实验结果与传统理论预测值保持一致， 当雷诺数r e 较大时，实验摩擦阻力系数与传统理论计算值的偏差逐渐增大，并可 能导致提前从层流到紊流的转捩。微通道的弯头将产生附加压力损失，且随r e 的 减小而降低，并趋于一个常数。液体流动时的摩擦阻力与相对粗糙度有关，层流 区的摩擦阻力系数均高于传统理论预测值，且随相对粗糙度的增大而增大，过渡 区的摩擦阻力系数均比传统预测值高3 0 - - - 4 0 。 n g a r c i a - h e r n a n d o 等1 5 9 1 、姜明健等嘲分别对水在微矩形槽和三角形槽内流 动的传热特性进行了研究，结果表明，实验结果与理论估算值吻合良好，传热性 能的提高以及压力损失的增加与微管道的小尺寸无关；微槽的结构尺寸对流动有 明显的影响，结构尺寸不同其临界雷诺数也不同，而且流动的均匀性对阻力系数 也有影响，流动均匀使阻力系数减小。 吴昌聚掣6 1 】对去离子水、6 的n a c l 溶液和油流过宽度2 0i im 、深度1 0l im 通 道的流动特性进行了实验研究。结果表明，流体的粘度对流速存在阻碍作用，其 流速随粘度的增加而下降，流体粘度不同流速差异明显；另外，流速随压差线性 增大，但增幅随粘度增加逐渐减小，流动仍然符合p o i s e u i l l e 定律。 可见，在液体微流动的研究中，多数研究者主要集中于液体微流动特性及流 动摩擦阻力的研究，而且其研究结果各不相同，有的与宏观流动规律相吻合，有 的比宏观流动规律的计算值大，而有的则小于宏观流动规律的计算值，由此表明， 微通道中液体的流动特性十分复杂，其流动规律还不十分清楚，在此方面还需要 进行大量的深入研究。 1 2 3 纳米流体微流动研究现状 将直径在1 , - 、, l o o n m 尺度的颗粒悬置于一些传热流体如水、乙烯乙二醇或机油 中时，其传热效果会得到增强，这是因为大多数固体材料的热导率均大于液体，因 而由颗粒、流体组成的混合物热导率将高于液体本身的热导率，这成为配制新型的 5 江苏大学博士学位论文：低粘度液体及纳米流体微流动特性研究 具有高热导性的工业流体的方法之一，由此制成的流体即称为纳米流体【6 2 】。 纳米流体是按一定的方式和比例在液体中加入纳米级金属或金属氧化物粒子 制备成的均匀、稳定、高导热的新型换热介质嘲。纳米流体具有以下特殊效果 6 4 1 ： ( 1 ) 可大幅提高纳米流体的导热能力和热容量，减少循环泵的能量消耗，降低 运行成本。 ( 2 ) 使流体流动的层流底层受到破坏，加强流体的扰动，增强湍流强度，减小 传热热阻，强化对流传热。 ( 3 ) 可作为润滑介质，减轻管道和设备的磨损，起到润滑流道的作用。 c h o i 等首先提出了用纳米颗粒强化流体换热的构想，并发明了制备纳米流体 的气相沉积法嘲，即在充有惰性气体的超高真空环境内，用激光照射金属靶使金 属受热蒸发产生金属烟雾，经液氮冷却后烟雾凝结成为纳米粒子，并落入基液中 而制成该金属的纳米流体。c h o i 还与e a s t m a n 等【6 6 】合作实验发现，以不到5 的体 积比在水中添加氧化铜纳米粒子，形成的纳米流体导热系数比水提高6 0 以上，强 化传热效果非常明显。 l e e 等【明将纳米流体用于微型换热器，解决在高强度x 射线作用下晶体硅镜片 的散热问题，系统的冷却强度可高达3 0 m w m 2 。 x u a n 和r o e t z e l v 斑1 分析了纳米悬浮液强化传热的机理。其后，李强和宣益民 p 7 0 】建立了测量纳米流体流动与换热性能的实验系统，测量了不同体积份额的c u 一水纳米颗粒悬浮液在层流和湍流状态下的管内对流换热系数和摩擦阻力系数。 结果表明，在液体中添加纳米颗粒显著增大了液体的管内对流系数，在相同雷诺 数条件下，纳米颗粒悬浮液的对流换热系数随颗粒体积分数的增加而增大；而由 于纳米颗粒的小尺度效应，并未明显增大纳米流体的流动阻力。 刘静、周一欣等【7 1 】和马坤全和刘静【6 2 】均提出采用液态金属或低熔点合金作为 基液，这种流体中纳米颗粒的添加体积份额显著高于传统纳米流体。纳米金属流 体由于采用了导热系数远高于传统流体的金属流体作为基液，而且由于液体金属 高密度可添加较大份额的纳米颗粒，因而可显著提升纳米流体的有效导热系数。 彭小飞等【7 2 1 采用“两步法 制各了若干种纳米流体，从纳米粒子种类、粒径、 密度、质量分数、基础液体性质、分散剂、p h 值和超声振动等方面，考察了纳米 流体系统中粒子的沉降状态，并结合颗粒的受力情况，分析了纳米流体悬浮稳定 6 第一章绪论 机理。结果表明，分散剂、粒子质量分数、基液黏度和p h 值的影响较大。 l ic h u a n p i n g 等 7 3 1 、d a s 等【7 4 】、p u t r a 等【7 5 1 分别测量了不同平均粒径的m ：0 。一 水纳米流体的粘度。结果表明，纳米流体的粘度远高于微米流体的粘度，而且随 颗粒浓度的增加和颗粒尺寸的减小而增加，并随温度的升高而减小；在纳米流体 中添加少量的低分子糖类，如蔗糖和果糖，可有效地降低纳米流体的粘度。 屈健等【7 6 1 测量了含不i 可体积分数的a 1 2 0 3 一水纳米流体流过内径0 1 9 3 m m 和 0 5 0 8 m m 玻璃微圆管的流动阻力特性。结果表明：纳米流体流动从层流向紊流的转 捩雷诺数r e 发生在2 1 0 0 附近；对0 5 0 8 m m 微圆管，转捩雷诺数r e 与去离子水基 本一致，对0 1 9 3 m e 较去离子水略有提前。雷诺数r e 小于1 5 0 0 - 1 7 0 0 时纳米流 体和水的摩擦因子都与经典理论预测值吻合良好，雷诺数大于此范围时纳米流体 的摩擦因子比水和理论值有所偏高；在过渡区和紊流区，纳米流体的摩擦因子比 水有较大提高，且随体积分数增加摩擦因子增加的趋势更为明显。 随着纳米技术用于医药研究，国外已生产出了不少纳米级的药物，其粒径范 围较宽，多在1 0 0 - 一1 0 0 0 n m 。由于药物本身或其载体为纳米粒，具有一些特别的性 质，如改善药物的溶解速率，增强药物的靶向性、缓解性、可控性、低毒性及智 能性等。当纳米药物通过某种溶剂载体进行传送时，其纳米粒与溶剂的流动即为 液固两相流动，该流体的流动特性对纳米药物作用的发挥应该具有一定的影响。 制备出导热系数高、换热性能好、传质效果强的纳米流体也必定会促进其在 能源、化工、微电子、信息等领域的发展网。 关于纳米颗粒悬浮液的研究还处于初期阶段，研究纳米流体的关键是制备出 悬浮稳定的纳米流体。目前有关纳米流体的研究多数集中在纳米流体的传热特性 的研究，关于微管道内纳米流体流动特性的研究还报道尚少。 综上所述，有关微流动的研究论文和研究报告众多，但由于微流动系统的尺 寸微小、微流动的复杂性以及各研究者不同的研究方法，其研究结果各不相同。 由此说明，流体在微通道内的流动特性是十分复杂的，有很多影响微流动的因素， 如微尺寸效应、表面力的作用、壁面相对粗糙度、边界层、流体粘度等的影响， 使得流体在微通道中的流动机理还不十分清楚，还有许多问题需要进行大量而深 入的理论和实验研究。 7 江苏大学博士学位论文：低粘度液体及纳米流体微流动特性研究 1 3 本课题的研究意义及主要研究内容 1 3 1 本课题的研究意义 随着纳米尺度机械零件加工工艺技术的逐渐成熟，微器件及微型机电系统的 应用领域不断扩大，其影响也日益明显。在一些微器件及微型机电系统中不仅涉 及到微流体流动的问题，同时微机电系统也为更好地了解流体流