微尺度通道内流动与换热特性的数值研究

摘要

作为MEMS技术的一个重要分支，微流体技术近年来已经有了很大的发展，并广泛的应用在生物、医药、航天、机械以及电子等各个领域。但是，在微流体内部的流动和换热等方面仍缺乏成熟的理论和可靠的实验。因此，本文的工作旨在将微尺度流动通过数值模拟的方法展现出来，分别就对微喷管内流动特性及推进性能、微通道换热特性等进行有效的预测，加深和拓宽微尺度流动在工程领域的应用。 根据喷管的准一维等熵流体理论，采用连续介质方法数值模拟研究了落压比变化对微喷管流场结构的影响，包括对马赫数的影响、对压力场及总压降的影响以及对密度的影响，发现在不超过设计落压比的情况下，落压比增大能够有效地抑制边界层分离现象并提高喷管效率；研究了高速流场中“超声速环”现象，发现其本质就是过膨胀状态下微喷管内形成的“马赫盘”，并利用激波理论分析讨论了在微尺度下该现象的形成机理及相应的产生条件；在保持出口压力的情况下，采用落压比界定出“超声速环”可能存在的范围。 采用连续介质方法和DSMC方法对二维微喷管的流动特性和推进性能进行了数值模拟，发现由DSMC方法得到的结果更接近真实情况；分析了外形结构及边界条件对微喷管的流场结构及推进性能的影响，发现喉部为圆角型的微喷管的推进性能最优，最优圆角半径为喉部宽度的0.686倍；而轻质推进剂和高温推进剂同样能够提高微喷管的比冲，但是需要牺牲推进效率；并由此提出了微喷管优化的建议。 根据微通道热沉原理提出了两种类型的微尺度换热器：微尺度气冷式换热器和微尺度液冷式换热器；基于VB软件平台设计开发了一套微通道换热器热设计软件，并将软件计算结果与文献数据进行了对比，取得了良好的一致。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2研究历史与现状

1.2.1微喷管内流动及其性能的研究

1.2.2微通道内流动特性的研究

1.2.3微通道热沉的研究

1.3微尺度流动与换热研究中存在的问题

1.4本课题的研究内容

第2章微尺度流动的基本理论及模型

2.1引言

2.2连续介质模型

2.2.1基本方程

2.2.2滑移边界条件

2.3分子运动模型

2.3.1分子动力学方法(MD)

2.3.2直接模拟Monte Carlo法(DSMC)

2.3.3信息保存法(DSMC-IP)

2.4本章小结

第3章微喷管内流场的流态分析

3.1引言

3.2喷管的准一维等熵流体理论

3.3计算模型

3.4结果及分析

3.4.1落压比对马赫数的影响

3.4.2落压比对压力及总压降的影响

3.4.3落压比对密度的影响

3.4.4超音速环现象的形成机理及产生条件

3.5本章小结

第4章微喷管内流场的数值模拟及其性能计算

4.1引言

4.2 DSMC程序的验证

4.3外形结构设计对微喷管推进性能的影响

4.3.1喉部形状的影响

4.3.2扩张比的影响

4.3.3圆角半径的影响

4.4边界条件对微喷管推进性能的影响

4.4.1推进剂种类的影响

4.4.2温度条件的影响

4.5本章小结

第5章微通道换热器热设计的软件开发

5.1引言

5.2微尺度换热器的设计

5.2.1微尺度气冷式换热器的设计

5.2.2微尺度液冷式换热器的设计

5.3微尺度换热器热设计软件

5.3.1软件的功能

5.3.2软件的总体设计

5.3.3软件的设计界面

5.4与数值模拟结果的比较

5.5本章小结

结论与展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢