微小通道内气体流动特性的实验研究

论文摘要

本文通过实验及数值模拟的方法对微小通道内的流动特性以及绝热条件下的温度场进行了分析研究；搭建了微圆管及微槽道实验台；针对微小槽道的研究,改变了微小型槽道的深/宽、槽道长度、水力直径及相对粗糙度；发现层流区（低Re数下）所有的槽道（除去L/D=38的微槽道）均与宏观理论值比较吻合,数值模拟工作进一步验证实验结果。长径比较小（或相对粗糙度较大）的槽道转捩均有不同程度的提前,相对粗糙度为2.26%的槽道转捩Re数甚至提前到500-600；在湍流区,微槽道的摩擦常数随Re数增加而增加,且均比宏观理论预测值要高,研究发现摩擦常数随深/宽减小、相对粗糙度的增加（或长径比值的减小）而增加,并拟合出摩擦常数与几种因素的幂指数的关联式。排除相对粗糙度影响,通过数值模拟研究发现在槽道长度不变条件下层流区摩擦常数随水力直径减小而减小；低Re数下（<500）沿程的压力损失呈线性趋势；在较小长径比值的槽道中,流体速度增大后,入口段处对流动阻力的影响明显加剧；水力直径减小后,稀薄效应会削弱入口段处对流动阻力的影响。此外,本文研究了不同气体（He、N2）在水力直径为0.255mm的微圆管的流动换热特性,在相对粗糙度及入口段效应影响减弱的条件下,发现稀薄效应以及可压缩性对流动换热影响加剧；稀薄效应可使摩擦常数降低,可压缩性可使摩擦常数升高；层流到湍流的转捩均发生在2000-3000左右；发现He的流动特性较宏观理论预测值要低（无论在层流区还是湍流区）；N2的流动特性较宏观理论预测值吻合；稀薄效应影响的加剧导致摩擦常数的较低。通过对比两组工况,发现截面形状改变可能对摩擦常数影响不大；摩擦常数的值应是稀薄效应、可压缩性、入口段效应及粗糙效应因素综合影响结果；最后,在无外热源及壁面绝热条件下,进行了热力分析；发现深宽越大槽道长度越大、相对粗糙度越大（或水力直径越小）其进出口温差越大；数值模拟也验证这一点；

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 前言
• 1.1 课题的背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微细通道内单相流动的阻力特性
• 1.2.2 微细通道内单相流动的转捩特性
• 1.2.3 微尺度流动特性的主要影响因素
• 1.3 研究思路
• 1.4 研究内容
• 2. 微通道的实验系统及数据处理方法
• 2.1 微通道的实验系统
• 2.2 微通道几何尺寸的测定
• 2.2.1 微通道几何尺寸的测量
• 2.2.2 微通道几何尺寸的修正
• 2.3 数据处理方法
• 2.3.1 微圆管数据处理方法
• 2.3.2 微槽道数据处理方法
• 3. 微流动的摩擦特性分析
• 3.1 微槽道的流动分析
• 3.1.1 微槽道的深宽比影响
• 3.1.2 微槽道的长度影响
• 3.1.3 微槽道的水力直径影响
• 3.1.4 壁面绝热分析
• 3.1.5 微槽道的流动小结
• 3.2 微圆管的流动分析
• 3.2.1 氦气的微流动分析
• 3.2.2 氮气的微流动分析
• 3.2.3 不同气体流动的分析
• 3.3 不同截面形状的分析
• 3.4 本章小结
• 4. 微槽道的数值模拟分析
• 4.1 物理及数学模型
• 4.2 流动的数值分析
• 4.2.1 变深宽比的影响分析
• 4.2.2 变水力直径的影响分析
• 4.2.3 变长度的影响分析
• 4.3 壁面绝热分析
• 4.4 微流动数值与实验比较
• 4.4.1 变深宽比的影响分析
• 4.4.2 变长度的影响分析
• 4.4.3 变水力直径的影响分析
• 4.5 本章小结
• 5. 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集