微尺度管道流动实验及其精度分析

摘要

微流动研究在现代科技中起着越来越大的作用。本文对近十年来微流动实验研究文献进行了广泛调研，归纳了微管道流动实验研究内容和实验技术，对实验精度问题进行了专门的分析。本文通过微圆管和微方管压力流量实验，对影响实验精度的相关物理因素获得了比较真切的认识，并进行了深入分析。 本文的主要工作包括三个方面： 一、微管道流动实验技术和精度分析。通过对有关微管道流动实验的文献调研，发现由于实验条件和实验精度的不同，得到的实验结论也存在着明显的差异和矛盾。本论文对一些重要文献进行总结和分析，对不同实验的具体操作过程进行研究。通过总结实验技术，形成一套技术规程； 二、微圆管实验。微圆管道属于成熟的工业产品，其几何尺寸的精度比较容易确定，实验段加工方便。因此实验人员往往利用微圆管道实验结果作为其它截面管道微流动实验的参考。作者利用中国科学院力学研究所LNM实验室组建的微压流量实验台，用微圆管进行了流量实验，并与理论预测值进行比较。通过实验首次注意到毛细力在位移法纳升流量测量中的影响，给出了相应的理论修正。此研究有助于提高位移法的测量精度； 三、微方管实验。在实际应用芯片中，经常要利用微方管。但是，制作微米尺度的透明方管道，不仅技术复杂，程序繁多，且很难达到较高的制作精度。经过多次反复，作者基本掌握了微方管的制作技术，对自制的微方管道进行了截面观测、表面性能分析和流量实验。根据方管实验不确定度分析，采取减小实验误差的措施，使得实验结果达到了较高的精度。文中利用自制的微米管道测量了流量-压力关系，验证了所研究的情形中Navier-Stokes方程的适用性。

目录

文摘

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第一章绪论

§1.1微流动研究背景

§1.1.1 MEMS与微流动

§1.1.2微流动研究历史与现状

§1.2影响微流动的主要物理因素

§1.3微流动实验研究的特点

§1.4本文的工作

第二章微流动实验精度研究

§2.1引言

§2.2光滑管

§2.2.1 Reynolds数Re=0.1～24，水力直径d=3～10 μm的情况

§2.2.2 Reynolds数Re=8～2300，水力直径d=15～200 μm的情况

§2.3粗糙管

§2.3.1 Reynolds数Re=162～1257，水力直径d=300～800μm的情况

§2.3.2 Reynolds数Re=58～2431，水力直径d=75～125μm的情况

§2.3.3 Reynolds数Re=112～9180，水力直径d=70～300μm的情况

§2.3.4 Reynolds数Re=1000～1600，水力直径d=167～182μm的情况

§2.4疏水性微管

§2.5速度场显示

§2.6微流动实验精度分析和技术规程

§2.7小结

第三章微流动实验台和圆管实验

§3.1引言

§3.2流量测量实验的理论基础

§3.3微压实验装置与测量方法

§3.3.1压力传感器和温度的标定

§3.3.2超纯水的粘度

§3.3.3微管的切割和管径测量

§3.3.4位移法流量测量

§3.3.5位移毛细管内径测量

§3.4.实验不确定度分析

§3.5位移法纳升流量测量结果

§3.5.1 50μm圆管压力-流量实验

§3.5.2微管和位移管压力降分析

§3.5.3实验结果修正

§3.5.4毛细力影响的实验验证

§3.6小结

第四章微流动方管实验

§4.1引言

§4.2微方管的制备

§4.3微方管流量实验不确定度

§4.4实验结果与分析

§4.5小结

第五章结论和展望

§5.1本文工作总结

§5.2研究展望

参考文献

作者攻读硕士学位期间公开发表的论文

致谢