微管道内液体流动特性的实验研究

摘要

本文通过实验研究了液体在微圆管道内的流动特性。由于实验管道尺度微小，测试方法具有一定的特殊性，所以为了完成实验并保证实验精度，本实验中自行设计了一套的微流体实验装置。 实验装置采用高压氮气瓶作为压力源，以满足实验所需压力并保证压力恒定。压力气体经过三级过滤，其过滤精度可达0.01μm，以减小气体中杂质对液体流动的影响。实验压力由压力传感器测量，其精度为5‰。实验流量通过外接毛细管进行间接测量，通过测量毛细管中液面的位移和所需时间计算出其流量。为了减小温度变化对实验的影响，在实验系统的测量段安装了温控装置，温度控制在24℃±1℃。实验装置中的联接部件也都采用了特殊措施，以保证实验精度，减小误差。 在实验之前，根据实验条件对液体的流动特性进行了理论分析，并根据理论分析结果对实验流量、平均流速、雷诺数进行了预估。预估结果表明：实验中液体的流动属于低速层流。 本实验中采用的液体介质分别为蒸馏水和二甲基硅油。微管道采用石英玻璃圆管，其中蒸馏水实验管径分别φ15μmφ25μm，硅油实验管径分别φ50μmφ100μm，长度分别为70mm和100mm左右，实验压力控制在0～1Mpa。本文对此两种液体在不同微管内径和长度下的流量特性进行了实验研究，其实验雷诺数Re＜4。 在此条件下的实验结果表明：在定常层流条件下，实验中的两种液体在不同管径和管长的微管中流动的流量与管道两端压差之间仍存在线性关系，与宏观中经典的Hagen—Poiseuille流动相吻合。这表明了在本实验装置和实验条件下，流动规律仍然符合连续介质假说，经典理论在此条件下仍可适用。此外，实验流量和理论流量之间也存在一定的差异，表明液体在微管道内流动时存在着一定的尺寸效应，导致其流动特性略微偏离宏观理论预测值。 鉴于微尺度下流动规律的研究还处于初期阶段，具体的流动规律还需要进一步更深入的研究，本文也是对微尺度下液体流动特性研究的一种有益的探索。此外，文中还对误差的来源及提高实验精度的措施进行了论述。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章前 言

1.1研究背景

1.2研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3微系统和宏(常规)系统的联系和区别

1.4小结

1.5研究目的

第二章实验原理和实验方案设计

2.1圆管内液体流动特性的理论模型

2.2本实验的方案设计

2.2.1液体介质的选择

2.2.2需测物理量

2.3影响微流体流动的主要因素

2.3.1尺度效应

2.3.2表面力

2.3.3气泡的影响

2.3.4相对表面粗糙度的影响

2.3.5流体极性的影响

2.4小结

第三章实验测量装置和方案计算

3.1实验装置的介绍

3.2保证实验精度所采取的措施

3.2.1压力传感器的校准

3.2.2温度控制

第四章实验数据的测量方法及技术

4.1流量的测量

4.2压力的测量

4.3微管道内径的测量方法

4.3.1光学显微镜对微管内径的测量

4.3.2电子显微镜对微管内径的测量

4.4液体介质理论动力粘度系数μ(Pa·s)

4.4.1温度对液体粘度的影响

4.4.2压力对液体粘度的影响

4.5小结

第五章实验结果和分析

5.1实验条件

5.2实验结果

5.2.1蒸馏水流动的实验结果

5.2.2硅油的实验结果

5.3实验结果分析

5.3.1实验数据分析

5.3.2实验结果和理论结果比较

5.4误差分析

5.4.1压力误差

5.4.2流量测量误差

5.4.3温度测量误差

5.4.4微管内径的测量误差

5.5小结

第六章结论与展望

参考文献

研究生硕士期间发表论文

致 谢