微喷管内气体流动特性研究

摘要

研究旨在提高微型空间推进器和微型气体涡轮机等微器件的性能.采用硅微加工技术在硅片上制作出矩形截面三维收缩-扩张微喷管,喉部宽度为16,深度为20,收缩比为1.625:1.实验测量了不同进出口压比条件下微喷管内氮气流量特性.实验设定进出口压比范围为1.0～5.0,由此出口体积流量范围为0～0.2mL/s,出口截面特征雷诺数小于500.基于两种数值模拟方法(有限体积法和Boltzmann气体动力学方法)对微喷管内部流动特性进行了数值模拟.数值模拟结果与实验结果相吻合.数值模拟结果发现几点不同于宏观流动的异常现象:随着压比的提高,声速截面逐渐偏离喉部,向下游区移动,并且下游区的流动不断加速.当压比达到5.0时,出口截面中心区域的马赫数达到1.26.沿程压力分布呈现非线性下降的趋势.这些现象主要是由于相比于常规尺度管道,微小尺度下表面效应引起的粘性附面层效应和三维效应更显著.