微通道气体流动换热特性数值模拟分析

摘要

微米级器械已经成为现代社会的宠儿，无论是医疗，军事，生活还是科学研究中对MEMS的使用已经普及，微细尺度内气体流动和换热过程已经成为当今研究的重点课题，所以深入研究微通道内气体的流动传热特性，将为精细机械的设计与使用提供重要的理论基础，具备巨大的商业价值以及深远的现实意义。本文针对平行平板间微通道内滑移区气体的流动与换热进行了分析与研究。假设微通道内部流体为可压缩理想气体。建立了二维平行平板微通道物理模型，基于N-S方程结合Maxwell一阶速度滑移以及温度跳跃边界条件，运用Fluent软件，模拟了微通道滑移流区域气体流动换热情况。 对于微通道内气体流动特性的分析中，结合速度滑移边界，壁面边界出现非零速度，随着努森数的增加，壁面边界速度值增大，滑移现象显著；压力曲率受可压性的影响，随着压比的增加而增大，但压力曲率在可压性与稀薄性的双重影响下随着努森数的增加而减小。 对于微通道内气体换热特性的分析中，结合速度滑移和温度跳跃边界条件，在双侧等壁温加热时由于温度跳跃效应的影响，壁面处气体温度值比壁温低，努塞尔数随着努森数的增加而减小。说明温度跳跃引起的附加热阻削弱了气体与壁面之间的换热效率。 考虑热蠕变对气体流动换热的影响，底部定热流加热气体，气体受压力驱动，微通道内气体温度梯度和压力梯度相反，导致热蠕变现象的发生，微通道内气体质量流量增加，温度值减小。努森数越大，稀薄效应越强，壁面切向温度梯度增大，热蠕变对气体换热的影响越大。

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