石英微管内的流动及换热特性的实验研究

论文摘要

微机电系统(MEMS)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,这些管路内的工质的流动规律和换热规律引起了行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的实验和理论研究,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19.6μm和44.2μm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,考虑到石英微管中的EDL效应,根据静电学相关理论,确定出了控制方程的边界条件。用SIMPLER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Re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50μm时,粘性耗散的影响不能忽略。同时测量了19.6μm微管在不同工质(纯水,四氯化碳,氮气)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EDL效应粘性耗散效应、稀薄效应等对f值的影响。其次对水力直径为304.1μm及192.9μm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304.1μm及192.9μm在突扩和突缩时的f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f值与Re数的关系。以去离子水为工质,采用缠绕细铜丝法对水力直径分别为44.2μm、91.7μm、141.1μm微石英管进行加热,得到Nu数与Re数的关系,并与经典理论值进行对比,研究表明,在低Re数下,实验Nu数小于经典理论值,这主要是由于工质沿微管流动方向的热物性变化效应导致的。随着Re数增加,实验Nu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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的背景和意义
• 1.2 微尺度的基础理论
• 1.3 微尺度研究方法
• 1.4 微尺度的尺寸效应
• 1.5 国内外研究现状
• 1.5.1 微通道内流体流动特性的研究
• 1.5.2 微通道内流体换热特性的研究
• 1.6 本课题主要研究内容
• 第二章 实验系统及误差分析
• 2.1 石英微管几何尺寸的测量
• 2.2 石英微管粘性耗散实验系统
• 2.3 石英微管流动与换热实验系统
• 2.3.1 流动与换热实验系统
• 2.3.2 变径石英微管内部流动的实验段
• 2.4 换热实验段
• 第三章 石英微管内部粘性耗散的数值及实验研究
• 3.1 二维数学模型控制方程的建立
• 3.2 数值计算部分
• 3.3 实验部分
• 3.4 本章小结
• 第四章 石英微管的流动特征的实验研究
• 4.1 石英微管（内径19.6μm）的内部流动的实验研究
• 4.1.1 实验过程
• 4.1.2 实验结果与分析
• 4.2 变径石英微管内部流动的实验研究
• 4.2.1 流动实验过程
• 4.2.2 实验结果及分析
• 4.3 本章小结
• 第五章 44.2μm、91.7μm和141.1μm石英微管内部换热特性的实验研究
• 5.1 实验过程
• 5.2 实验结果与分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 全文总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 未来研究工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文
• 致谢