低粘度液体及纳米流体微流动特性研究

摘要

随着微机电系统(MEMS)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-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10μm～100μm,驱动压力范围为0～1MPa,实验温度控制在25±0.5℃范围。
　　 其次,实验研究了去离子水在亲水性和疏水性(自组装OTS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Re较小,流动均为层流流动,流量-压力特性呈现良好的线性关系。去离子水在较小直径(15μm)亲水性微管道内流动时,存在一个长径比l/d的临界值(在5.38×103-7.69×103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1％和2％的铜-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30～40小时,并对其在直径25μm和50μm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-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25μm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50μm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。