随机粗糙表面效应下微流体器件中的流动特性研究

摘要

近年来,微机电系统(MEMS)器件的应用越来越广泛,而微流体器件,如微通道、微喷管等,是非常重要的一类MEMS器件,吸引了众多研究人员的关注。
　　微流体器件的特征尺寸一般大于1μm而小于1mm,在其中工作的流体称为微流体。由于尺度效应,微流体与宏观流体的性质有很多不同,比如流体在边界处的速度滑移。随着尺寸的减小,在宏观流体中一般可以忽略的表面粗糙度对微流体的影响越来越显著。本文主要针对这两种因素,展开对微流体流动特性的研究。
　　本文采用求解考虑速度滑移边界的Navier-Stokes方程的办法,研究了不同微流体器件中气体在速度滑移和随机表面粗糙度耦合作用下的流动特性。其中,利用二阶速度滑移边界条件描述气体的边界滑移特性,利用分形几何学建立随机粗糙表面。本文的主要研究内容和结果如下:
　　1)结合计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)中的经典算法,开发了适用于随机粗糙表面的边界滑移速度迭代算法。
　　2)研究了由分形几何表征的随机粗糙矩形微通道内的气体流动特性,结果表明,采用二阶速度滑移边界条件得到的仿真结果与实验数据符合得很好;表面粗糙度影响气-固界面处的速度滑移,粗糙度越大,一阶和二阶滑移系数都越小;矩形微通道内的压强、速度分布以及阻力特性都受到随机表面粗糙度的显著影响。
　　3)基于分形理论建立了随机粗糙微喷管,并研究了随机粗糙度对喷管内亚声速流、超声速流的影响,并分析了随机粗糙度引起的推力损失和推力偏移。结果表明,随机粗糙度对亚声速流的影响较小,而对超声速流的影响显著;随着粗糙度的增大,推力损失和推力偏移也增大,喷管性能降低。
　　4)提出了采用二维 Weierstrass-Mandelbrot函数建立三维随机粗糙圆形微喷管的方法,并研究了表面的三维粗糙度单元对圆形微喷管表面的速度滑移、中心处流动参数的影响。
　　本文研究了随机粗糙度对边界滑移机理以及三种不同的微流体器件中流动特性的影响,在理论和实践上有一定的意义。

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第一章 绪论

1.1引言

1.2表面粗糙度建模研究现状分析

1.3微流体研究现状分析

1.4本文的研究目的和意义

1.5本文的主要内容

第二章 控制方程与粗糙表面的分形表征

2.1流体流动的控制方程

2.2流体在边界处的滑移

2.3表面粗糙度的分形表征

2.4数值算法

2.5本章小结

第三章 随机粗糙微通道内流动特性分析

3.1引言

3.2压力驱动下微通道内的流动

3.3计算模型

3.4计算结果及分析

3.5小结

第四章 随机粗糙度效应对微喷流动特性和性能的影响分析

4.1引言

4.2数值计算

4.3流动特性分析

4.4小结

第五章 三维粗糙表面分形表征及圆通道内的流动特性分析

5.1引言

5.2随机粗糙圆形微通道建模

5.3控制方程和数值计算

5.4计算结果及分析

5.5小结

第六章 总结与展望

6.1工作总结

6.2创新点

6.3研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的学术成果