矩形微通道内流体流动特性的实验研究

1、PAGE PAGE 6矩形微通道内流体流动特性的实验研究刘 磊， 钟主海， 樊辉青（西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，西安 710049）E-mail: HYPERLINK mailto:rliu rliu摘 要：流体在常规通道中流动规律并不同于低渗透储层内流动规律，针对上诉问题本文进行实验研究，以水为实验工质，微通道水力直径为167.35m、194.83m、192.00m，相应高宽比为 0.673、0.822和0.793。实验结果表明：对相对粗糙度较小的微通道，层流区的摩擦阻力系数与理论值一致；矩形微通道内压降与流量关系与传统理论吻合；Poiseuille数与理论预测值基本一致；壁面

2、相对粗糙度对流动有重要的影响，其对摩擦阻力系数影响机理还有待于进一步研究。关键词： 高宽比；摩擦阻力系数；相对粗糙度；Experimental study of flow characteristics in rectangular microchannelsliu lei, zhong zhu-hai, fan hui-qing(State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering, Xian Jiaotong University, Xian 710049, China)E-mail: HYPERLINK mailto:r

3、liu rliuAbstract: Flow rules of fluid in conventional channel are different from in low permeability reservoir. The flow characteristics of Single-phase through rectangular microchannels were experimentally investigated in three microchannels with the hydraulic diameters of 167.35m, 194.83m and 192.

4、00m and with aspect ratio of 0.673, 0.822 and 0.793. In the experiment, deionized water was employed as testing flow. The experimental results show that the friction resistance coefficient in laminar flow region of microchannel whose surface relative roughness can be ignored agrees with conventional

5、 theory.the relationship of rectangular microchannels between pressure drop and the flow rate of water shows good agreement. Poiseuille number was found in good consistency HYPERLINK /with/ t _blank with classical theory. The relative roughness of wall has an important influence on the flow characte

6、ristics, of which the mechanism needs further research.Key words: aspect ratios; friction factor; relative roughness0 前言近年来，有关微尺度流动逐渐引起人们的重视。国内外学者对微尺度流动特性得出了一系列结论。对微通道内阻力特性，不同学者的观点很不一致，甚至互相矛盾。Qu 12000等实验研究了水流过水力直径为51m-169m的梯形截面的微通道，实验结果表明：表面粗糙度导致微通道压降梯度和摩擦阻力系数均高于层流预测值。Pega22007等实验研究了不同高宽比的矩形微通道内流体的流

7、动阻力特性，结果表明：对相对粗糙度小于0.3%的微通道，层流内摩擦阻力系数与预测值基本一致，作者还发现转捩雷诺数位于2150-2290范围内。Qi32007等测量了氮气流经微圆管时的摩擦阻力系数，发现其流动阻力比理论预测值高。彭晓峰41994等研究了不同尺寸的不锈钢微通道阻力特性，实验结果表明：临界雷诺数与通道水力直径有关、层流区摩擦阻力因子与通道几何形状有关，并提出了相关的经验公式。Wu和Little 51983实验研究了气体流经微槽道时的流动特性，发现通道摩擦阻力系数远高于预测值，作者将其归因于相对粗糙度和微通道尺寸测量误差。大部分学者将研究重点放在层流向湍流转捩是否提前，摩擦阻力系数与通

8、道高宽比、当量直径的关系，相对粗糙度对摩擦阻力系数产生的影响。其研究雷诺数大部分为1000以上，但对低渗透油藏注水开发、地下水渗流和低渗透油藏注水与压裂开发等方面，其雷诺数大部分较低。因此我们将研究重点放在低雷诺数的微通道流动，实验使用的微通道由化学蚀刻技术得到，其通道尺寸、壁面粗糙度采用三维立体显微镜测量。图1为微通道矩形截面测量示意图。其测量的详细尺寸列于表1。 Figure 1. rectangular profile survey plan of microchannels试验测试系统微通道测试段为多通道并联结构，如图2所示。实验所用的微通道是通过在硅片采用化学腐蚀（HF）得到并与玻璃

9、盖板采用化学键和密封，微通道流动截面为矩形，如图3所示。所有通道参数见表1所示。Table 1. geometric parameters of microchannels(unit: m)编号深度H宽度WH/WDhL/Dh /Dh 通道1177.5215.90.822194.8192.50.22%通道2172.12170.793192.0169.30.31%通道31402080.673167.4194.10.33% Figure 2. the parallel connection scheme of microchannel Figure 3. a three dimensional fi

10、gure of microchannel实验装置如图4所示。高纯氮气作为动力源推动储液罐中流体工质流过微通道实验段，其两端的压力和温度信息由压力传感器和温度传感器来记录，流过微通道的流量由体积式流量计来测定。为防止微通道的堵塞，在氮气瓶与储液罐间安装滤膜半径为10m过滤器。Figure 4 the schematic diagram of experimental equipment2 理论模型与分析本实验中假定N-S方程仍适用，工质为不可压缩流体，为防止环境温度改变给实验带来的误差，整个实验段都置于恒温恒湿干燥箱中（25，RH（%）=60%）。 实验测得的压差是测试段进出口的总压差，包括微通

11、道内由摩擦力引起的压降，进出口的收缩和扩张引起的局部阻力，微通道内部由于流体加速度改变引起的加速压降。即： （1）式中：和分别为微通道进出口压力损失，其值为和；和分别为局部收缩损失系数和局部扩张损失系数，其值分别为1.0和0.5。 （2） （3）层流条件下，矩形截面通道的宏观理论流量为6 （4）式中：为微通道两侧沿程阻力损失，、分别是工质的密度、黏度，、W、H分别为微通道水力直径、长度、宽度、深度。Hartnett and Kostic 71989对处于完全发展层流区矩形微通道的Po数提出了如下拟合式，该拟合式与理论解的误差在0.05%范围内 （5）式中：为矩形截面高宽比（），上式应用于具有入

12、口端的微通道，当L/Dh120时不考虑入口效应，本实验中L/Dh均大于169，因此不考虑入口效应。 3 结果与分析将压差、流量Q代入公式(1)(4)，计算出摩擦阻力系数、泊肃叶数、雷诺数和理论流量，并与常规管内层流区理论计算值进行对比(如图614所示)。 Figure 5. the relation ofversus Re（channel 1） Figure 6. the relation ofversus Re（channel 2） Figure 7. the relation ofversus Re（channel 3） Figure 8. a comparison of Po versu

13、s theoretical value（channel 1）Figure 9. a comparison of Po versus theoretical value（channel 2） Figure 10. a comparison of Po versus theoretical value（channel 3） Figure 11. the relation of flow rate versus pressure drop（channel 1） Figure 12. the relation of flow rate versus pressure drop（channel 2） .

14、Figure 13. the relation of flow rate versus pressure drop（channel 3）图5-7为层流区去离子水分别在通道1、2、3的摩擦阻力与关系曲线。从图5-7中可以看出，对于通道1、2、3， 值与圆管理论曲线（）和Hartnett理论曲线（公式6）均吻合。从图5、6可以看出，对于高宽比较大的通道1和2，Hartnett理论曲线较圆管理论曲线更接近真实，在300，实验值均低于Hartnett理论曲线，并随着增加，实验值逐渐接近Hartnett理论曲线，在100200，实验值与Hartnett理论曲线的偏差最大。对于高宽比较小的通道3，圆管理论

15、曲线较Hartnett理论曲线更接近真实，在300，实验值均低于圆管理论曲线，并随着增加，实验值逐渐接近圆管理论曲线，在100200，实验值与Hartnett理论曲线的偏差最大。由图8-10可以看出，各通道的数均与Hartnett理论值吻合，但随着通道高宽比的减少，数明显偏离于Hartnett理论值，但与圆管理论值64接近。同时说明Hartnett理论在预测高宽比较小微通道的数时，需要进一步修正。图11-13显示了体积流量与压差呈线性关系趋势。对高宽比较大的通道1、2，当压差较小时，实验值均高于理论流量；当压差较大时，实验值与理论值基本相同。对高宽比较小的通道3，所有压差工况下的实验值与理论值

16、基本一致。4 结论通过对水在三种不同当量直径的矩形微通道内流动特性的实验研究。得到如下结论： 1）对相对粗糙度小于0.33%的矩形微通道，层流区内摩擦阻力系数与常规理论值基本一致。这与文献8关于直径为1067m、620m相对粗糙度分别为0.22%-0.28%、0.16%-0.35%的微管、文献9关于Dh=100.25-205.3m硅管均可作为光滑管的结论一致。2）水力直径低至的微通道内的流动规律并没有与常规理论相违背，这与文献9得出的直径大于79.9m硅管的摩擦阻力系数与理论值一致的结论吻合，但与文献5得出的Dh=45-165m矩形硅通道中摩擦阻力系数远大于理论值的结论相违背，据此可将上述矛盾

17、归因于壁面较大的相对粗糙度。3）摩擦阻力系数随的增大而减小；数只与通道本身有关，不随变化而改变，这与文献4得出的结论相一致；图5-7的与Re曲线显示，在Re900时，雷诺数未出现提前转捩的现象，这与文献4 、10得出的结论相矛盾。References (参考文献) 1 Qu Weilin, Gh. Mohiuddin Mala, Li Dongqing. Pressure-driven water flows in trapezoidal silicon microchannels J. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000

18、, 43 (3), P353-364.2 Pega Hrnjak, Xiao Tu. Single phase pressure drop in microchannels J. International Journal of Heat and Fluid Flow, 2007, 28 (1), P214.3 S.L. Qi, P. Zhang, R.Z. Wang, L.X.Xu. Single-phase pressure drop and heat transfer characteristics of turbulent liquid nitrogen flow in micro-t

19、ubes J. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2007, 50(9-10), P19932001. 4 X.F.Peng, G.P.Peterson, B.X.Wang. Friction flow characteristics of water flowing through rectangular microchannels. Experimental Heat Transfer, 1994, 7, P249-264.5 Wu P Y, Little W A. Measurement of Friction Factors for the Flow Gases in Very Fine Channels Used for Microminiature Joule-Thomson Refrigerators J. Cryogenics, 1983, 23(5), P273-277.6 高殿荣，吴晓明. 工程流体力学M. 北京：机械工业出版社，1999.7 James P. Hartnett, Milivoje Kostic. Heat transfer to Newtonian a