微细通道内单相和两相阻力损失特性的研究

摘要

微细通道在微机电系统、微电子、生物、通讯，尤其是航空航天上的广泛应用使得微尺度流动及换热特性研究成为当前重要的研究课题。近二十年来，大量的实验及分析结果说明微细通道内流动和换热与常规尺度通道的结果不同，具有明显的尺度效应，同时，不同研究者实验得到的结果大相径庭，甚至相互矛盾。本文以揭示微细通道内流动的机理为目的，以局部阻力特性为着重点，对微细通道内的单相和两相流动进行了实验研究及理论分析。 本文首先针对微细通道流动的实验需要，发展了缝隙测压的压力测量技术，就缝隙测压的可行性以及缝隙宽度大小对压力测量的影响进行了实验研究。首先采用缝隙测压技术(缝隙宽度分别为33μm、67μm和132μm)测量不同的流体流过内径为336μm的不锈钢管时的摩擦阻力：然后将所得的实验数据与经典公式进行比较。实验结果显示，应用缝隙测压这种压力测量技术于微管内流体压力的测量是可行的。当取压缝隙宽度与管径之比ξ≤0.2时，测量误差很小，且随着流体Re数的增大变化很小，因此为了减小测量误差，取压缝隙宽度最好小于0.2倍管径。 其次，采用缝隙测压的方法，分别以去离子水、甲苯、无水乙醇和氮气为实验工质，首次测量了内径在330μm～850μm的微管内单相以及氮气-水气液两相流体的突扩及突缩局部阻力损失。实验是在室温和大气压力下进行的。单相流体的雷诺数范围为589～8520，气液两相质量干度为2.6×10<'-3>～1.63×10<'-1>。实验结果表明，1)对于单相流体突扩流动来说，当较小管内流体处于层流阶段时，微管内流体突扩局阻系数稍大于常规管内的实验结果；当较小管内流体处于湍流阶段时，微管内液体突扩局阻系数和常规管的对应值基本一致，但微管内气体突扩局阻系数远远大于常规管的对应值，其原因可能是由于气体的局部马赫数大于0.3，气体的可压缩性不能忽略，因此常规管内局部阻力系数的数据处理不再适用于微管内可压缩流体。2)对于单相流体突缩流动来说，当较小管内流体处于层流阶段时，微管内流体突缩局阻系数远远大于常规管内的实验结果；当较小管内流体处于湍流阶段时，微管内流体的突缩局阻系数和常规管的对应值基本一致，K<,c>=0.5×(1-σ)<'0.75>能较好地预测微管内的突缩局部阻力系数。3)对于气液两相流体突变(突扩及突缩)流动来说，均相流模型远远低估了微管内突扩局部阻力损失，而远远高估了微管内突缩局部阻力损失；滑移比S=(p<,L>/p<,G>)<'13>的滑移流模型能够较好地预测微管内突变局部阻力损失，说明在突变区域流体间出现了速度滑移。4)得出了单相突缩阻力预测关系式，并采用洛克哈特-马丁内利的实验数据处理方法以及该预测关系式，得出了两相突缩阻力的预测关系式及使用范围。第三，由于尺度的减小使得微细通道通常具有较大的相对粗糙度。二维粗糙元模型预测及数值计算结果显示，由于粗糙元的存在，3％的相对粗糙度将对管内突缩流动阻力产生较大的影响。粗糙元存在导致涡流区的增大及涡流损失的增加可能是导致微细粗糙管内突缩流动阻力增加的原因。 最后，采用高速摄像仪以及压差波动相结合的方法，以氮气-去离子水为实验工质，对水力直径为0.99mm的矩形小通道内的两相流流型及摩擦压降变化进行了实验研究。实验结果表明，除了由于表面张力增强而引起的泡状流流型(此流型中圆形气泡占据整个通道)不同以外，小通道中的流型和常规通道中的流型大致相同。两相流摩擦压降预测关系式的选用与流型具有密切关系。从总体来说，L-M关系式比其它预测关系式的偏差都小，能更好地预测了两相流压降变化。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号表

声明

第1章绪论

1.1前言

1.2文献综述及研究现状

1.2.1微细通道内单相流动特性研究现状

1.2.2微细通道内两相流动特性研究现状

1.2.3微细通道内流动的影响因素

1.2.4小结

1.3本论文的目的及任务

第2章实验系统及测量技术

2.1实验系统及装置

2.1.1实验系统

2.1.2实验参数的测量

2.2微小尺度静压测量技术的研究

2.2.1影响壁面取压孔测量精度的因素

2.2.2缝隙测压技术

2.2.3试验件及实验部署

2.2.4实验结果及分析

2.3小结

附图

第3章微管内过流通道突变阻力特性

3.1试验件及实验部署

3.2实验数据的整理

3.3实验数据不确定度分析

3.4实验结果及其分析

3.4.1单相流体过流通道突变阻力特性

3.4.2两相流体过流通道突变阻力特性

3.5小结

附图

第4章微管内突缩流动阻力异常的解释

4.1问题的提出

4.2关于微管内较大粗糙度的讨论

4.3突缩流动理论分析

4.3.1单相突缩流动物理模型

4.3.2理论计算式的局限性

4.3.3粗糙度对微管内突缩流动的影响

4.4小结

附图

第5章矩形小通道内气液两相流流动特性

5.1实验系统及研究方法

5.2实验结果及其分析

5.2.1实验系统的标定

5.2.2气液两相流流型图

5.2.3气液两相摩擦压降

5.3小结

附图

第6章结论与展望

6.1本文的研究结论

6.2本文的创新点

6.3对未来工作的展望

参考文献

附录

攻读学位期间发表的论文

致谢