微通道流動特性的數(shù)值分析.pdf

1、隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)的迅速發(fā)展，微流體設備作為其重要組成部分受到人們越來越多的關注。微細尺度條件下流場內(nèi)各種作用力的作用效果會發(fā)生相應變化，即微細尺度領域的許多物理現(xiàn)象與宏觀現(xiàn)象有很大差別，流動過程呈現(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)實意義和科學價值，從而成為當今流體力學研究領域中的一個新的熱點。
　　本文以典型的微尺度通道和Ω型復雜微通道流動為研究對象，基于數(shù)值模擬軟件對微細通道的流動特性

2、進行了研究。采用有限容積法，并對計算流體力學軟件進行了二次開發(fā)，編寫自定義函數(shù)，對所有計算區(qū)域，均采用變物性求解技術，采用標準k-ε模型與壁面函數(shù)法相結合的方法求解微流道內(nèi)的流場。
　　以圓管層流流動為研究對象，分析速度滑移對微細通道內(nèi)氣體流動的影響。先給出的是不考慮速度滑移下的圓管的粘性流動，然后推導出考慮速度滑移下的管內(nèi)流動公式，通過MATLAB仿真計算可知，當滑移長度與微細通道的半徑尺寸相當時摩擦系數(shù)值遠小于沒有考慮速度滑移

3、時的值。
　　通過數(shù)值模擬方法，研究了的物性參數(shù)變化、長徑比、當量直徑、高寬比對微細矩形通道流動特性的影響。其數(shù)值計算結果表明：(1)對于確定的微細通道，物性參數(shù)的變化對于層流及湍流流動特性影響很大，層流時考慮變物性求解的流動阻力系數(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)尺度通道滿足長徑比大于50的結果所不同的是，微細矩形通道的計算模型應滿足長徑比大于70；(3)微細矩形通

4、道的阻力系數(shù)和泊松數(shù)與當量直徑成反比，當量直徑越小，通道的阻力系數(shù)和泊松數(shù)越大；(4)微細矩形通高寬比越小，流體流動的阻力系數(shù)越小，流體的流動性能越好。
　　利用數(shù)值模擬研究重點研究了相對粗糙度、粗糙元間距以及流場雷諾數(shù)對于微細粗糙圓管內(nèi)流動特性的影響。分析結果說明：(1)在一定的間距比及雷諾數(shù)下，相對粗糙度ε/d≥2%時就會對圓管內(nèi)的流動阻力產(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和流動泊松數(shù)Po

5、越大；不同間距比情況下的流動泊松數(shù)差值可以達到27%；(3)當流場內(nèi)的幾何條件固定時，流動的泊松數(shù)Po隨著雷諾數(shù)Re的增大而增大。
　　通過對Ω型復雜微細通道的當量直徑、雷諾數(shù)以及截面類型對于通道流動的影響進行研究可以得出：圓形通道流場的壓降隨著當量直徑的減小而增大，由此相對應的是當量直徑越小的流場內(nèi)的速度場變化劇烈，溫度場的溫度低。圓形通道內(nèi)流場的負壓區(qū)隨著雷諾數(shù)的增大而增大，在拐彎處的各種流場變化明顯。在相同的當量直徑和雷諾數(shù)