微通道流動(dòng)特性的數(shù)值分析.pdf

1、隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展，微流體設(shè)備作為其重要組成部分受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。微細(xì)尺度條件下流場(chǎng)內(nèi)各種作用力的作用效果會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化，即微細(xì)尺度領(lǐng)域的許多物理現(xiàn)象與宏觀現(xiàn)象有很大差別，流動(dòng)過(guò)程呈現(xiàn)出許多與常規(guī)尺度情況不同的現(xiàn)象，使得這一課題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)價(jià)值，從而成為當(dāng)今流體力學(xué)研究領(lǐng)域中的一個(gè)新的熱點(diǎn)。
　　本文以典型的微尺度通道和Ω型復(fù)雜微通道流動(dòng)為研究對(duì)象，基于數(shù)值模擬軟件對(duì)微細(xì)通道的流動(dòng)特性

2、進(jìn)行了研究。采用有限容積法，并對(duì)計(jì)算流體力學(xué)軟件進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)，編寫(xiě)自定義函數(shù)，對(duì)所有計(jì)算區(qū)域，均采用變物性求解技術(shù)，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型與壁面函數(shù)法相結(jié)合的方法求解微流道內(nèi)的流場(chǎng)。
　　以圓管層流流動(dòng)為研究對(duì)象，分析速度滑移對(duì)微細(xì)通道內(nèi)氣體流動(dòng)的影響。先給出的是不考慮速度滑移下的圓管的粘性流動(dòng)，然后推導(dǎo)出考慮速度滑移下的管內(nèi)流動(dòng)公式，通過(guò)MATLAB仿真計(jì)算可知，當(dāng)滑移長(zhǎng)度與微細(xì)通道的半徑尺寸相當(dāng)時(shí)摩擦系數(shù)值遠(yuǎn)小于沒(méi)有考慮速度滑移

3、時(shí)的值。
　　通過(guò)數(shù)值模擬方法，研究了的物性參數(shù)變化、長(zhǎng)徑比、當(dāng)量直徑、高寬比對(duì)微細(xì)矩形通道流動(dòng)特性的影響。其數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明：(1)對(duì)于確定的微細(xì)通道，物性參數(shù)的變化對(duì)于層流及湍流流動(dòng)特性影響很大，層流時(shí)考慮變物性求解的流動(dòng)阻力系數(shù)和泊松數(shù)比定物性求解的縮小近15％，湍流情況下也有一定的影響。(2)為了消除入口段的影響，與常規(guī)尺度通道滿(mǎn)足長(zhǎng)徑比大于50的結(jié)果所不同的是，微細(xì)矩形通道的計(jì)算模型應(yīng)滿(mǎn)足長(zhǎng)徑比大于70；(3)微細(xì)矩形通

4、道的阻力系數(shù)和泊松數(shù)與當(dāng)量直徑成反比，當(dāng)量直徑越小，通道的阻力系數(shù)和泊松數(shù)越大；(4)微細(xì)矩形通高寬比越小，流體流動(dòng)的阻力系數(shù)越小，流體的流動(dòng)性能越好。
　　利用數(shù)值模擬研究重點(diǎn)研究了相對(duì)粗糙度、粗糙元間距以及流場(chǎng)雷諾數(shù)對(duì)于微細(xì)粗糙圓管內(nèi)流動(dòng)特性的影響。分析結(jié)果說(shuō)明：(1)在一定的間距比及雷諾數(shù)下，相對(duì)粗糙度ε/d≥2%時(shí)就會(huì)對(duì)圓管內(nèi)的流動(dòng)阻力產(chǎn)生不可忽略的影響；(2)相同雷諾數(shù)情況下，間距比越小，管內(nèi)阻力系數(shù) f和流動(dòng)泊松數(shù)Po

5、越大；不同間距比情況下的流動(dòng)泊松數(shù)差值可以達(dá)到27%；(3)當(dāng)流場(chǎng)內(nèi)的幾何條件固定時(shí)，流動(dòng)的泊松數(shù)Po隨著雷諾數(shù)Re的增大而增大。
　　通過(guò)對(duì)Ω型復(fù)雜微細(xì)通道的當(dāng)量直徑、雷諾數(shù)以及截面類(lèi)型對(duì)于通道流動(dòng)的影響進(jìn)行研究可以得出：圓形通道流場(chǎng)的壓降隨著當(dāng)量直徑的減小而增大，由此相對(duì)應(yīng)的是當(dāng)量直徑越小的流場(chǎng)內(nèi)的速度場(chǎng)變化劇烈，溫度場(chǎng)的溫度低。圓形通道內(nèi)流場(chǎng)的負(fù)壓區(qū)隨著雷諾數(shù)的增大而增大，在拐彎處的各種流場(chǎng)變化明顯。在相同的當(dāng)量直徑和雷諾數(shù)