突擴(kuò)及突縮微細(xì)通道內(nèi)流體局部阻力特性的實驗研究.pdf

1、近二十年來，自然科學(xué)及工程技術(shù)發(fā)展的一個重要趨勢就是朝著微型化邁進(jìn)。在飛速發(fā)展的微電子機(jī)械系統(tǒng)應(yīng)用中，微尺度流動與傳熱問題日益顯得重要和突出。迄今為止，研究者們對微尺度通道內(nèi)流動與換熱進(jìn)行了大量的實驗研究，其與常規(guī)管內(nèi)的結(jié)果體現(xiàn)出不同規(guī)律。不過這些現(xiàn)有的實驗研究還主要集中于直管段摩擦阻力特性的研究。除摩擦阻力外，還存在各種各樣的局部阻力。但是在微尺度中，這些局部阻力能夠引起很大的壓降，遠(yuǎn)大于直管段摩擦阻力引起的壓降，不能被忽略。因此，開

2、展微通道內(nèi)局部阻力特性研究是必要的。本文針對微細(xì)通道內(nèi)的單相流體流動，對由流道面積突變引起的局部阻力特性開展了實驗研究及理論分析。 本文改進(jìn)了研究微通道阻力特性的實驗系統(tǒng)。采用縫隙測壓法測量壓力。分別以去離子水、氮氣和氦氣為工質(zhì)，測量了內(nèi)徑在245μm～850μm的微管內(nèi)單相氣體的突擴(kuò)局部壓力降及內(nèi)徑在320μm～2100μm的微管內(nèi)單相氣體和液體的突縮局部壓力降。實驗是在室溫和大氣壓力下進(jìn)行的。雷諾數(shù)范圍為515～8743。實

3、驗結(jié)果表明，1)對于氮氣突擴(kuò)流動來說，當(dāng)較小管內(nèi)流體處于層流階段時，流體的突擴(kuò)局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化趨勢和常規(guī)管的情況相同，但是要稍高于流體流過常規(guī)管時的局阻系數(shù)。當(dāng)較小管內(nèi)流體處于湍流階段時，突擴(kuò)局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化很大，呈線性增長的趨勢。實驗所得的局部阻力系數(shù)不但高于常規(guī)管的值，而且也高于理論預(yù)測值。這是氣體的可壓縮性造成的。當(dāng)?shù)獨馓幱趯恿麟A段時，其局部馬赫數(shù)小于0．3，氣體的可壓縮性可以忽略。而當(dāng)?shù)獨馓幱谕牧麟A段時，其局部

4、馬赫數(shù)大于0．3，需要考慮氣體的可壓縮性。2)對于氦氣突擴(kuò)流動來說，當(dāng)較小管內(nèi)的氦氣處于層流階段，其突擴(kuò)局部阻力系數(shù)高于常規(guī)管的實驗數(shù)據(jù)和氮氣的局部阻力系數(shù)。原因是氦氣雖然還處于層流階段，但其局部馬赫數(shù)已經(jīng)大于0．3，由于可壓縮性的影響氦氣的突擴(kuò)局阻系數(shù)要遠(yuǎn)高于相同雷諾數(shù)的氮氣的局阻系數(shù)。作者擬合出了預(yù)測微通道內(nèi)氣體在湍流階段的突擴(kuò)局部阻力系數(shù)的實驗關(guān)聯(lián)式。3)對于液體突縮流動來說，當(dāng)較小管內(nèi)的流體處于層流階段時，突縮局部阻力系數(shù)隨著雷

5、諾數(shù)的增加而減小，且高于流體流過常規(guī)管的局部阻力系數(shù)。當(dāng)較小管內(nèi)流體處于湍流階段時，實驗所得的突縮阻力系數(shù)先增大后減小并趨于一個定值，其高于均勻流速度分布的理論預(yù)測值和常規(guī)通道內(nèi)流體湍流階段的實驗數(shù)據(jù)。4)對于氮氣突縮流動來說，在實驗研究的范圍內(nèi)，氮氣突縮局部阻力系數(shù)的變化趨勢和常規(guī)管的結(jié)果及去離子水的實驗結(jié)果基本相同。所不同的是，與常規(guī)管的突縮阻力系數(shù)相比，氮氣的突縮局阻系數(shù)無明顯的過渡流區(qū)，而是從層流階段直接轉(zhuǎn)變到湍流階段。湍流階段

6、突縮局部阻力系數(shù)高于理論預(yù)測值和常規(guī)通道的實驗數(shù)據(jù)。Kc=0．5(1-s)0.75已不能用來預(yù)測微管內(nèi)的流體突縮局部阻力系數(shù)。作者擬合出了預(yù)測微通道內(nèi)流體在湍流階段的突縮局部阻力系數(shù)的新的實驗關(guān)聯(lián)式。 運用掃描探針顯微鏡技術(shù)對微細(xì)通道內(nèi)壁面的相對粗糙度進(jìn)行了測量，并將相同尺寸下光滑管的計算結(jié)果與本文的實驗結(jié)果進(jìn)行了對比研究。結(jié)果表明，2％的相對粗糙度將對管內(nèi)突縮流動阻力產(chǎn)生較大的影響。 流體流過微細(xì)通道的突擴(kuò)局部阻力系數(shù)

7、隨著過流通道面積比的減小而增大。在突變面積比相同的情況下，微細(xì)通道的突縮局部阻力系數(shù)隨著通道直徑尺寸的增大而減小。由于微尺度效應(yīng)以及流體可壓縮性的影響，常規(guī)管內(nèi)流體局部阻力系數(shù)的計算公式已經(jīng)不再適用于微尺度下的流體局部阻力系數(shù)計算。因此擬合出適用于微細(xì)通道內(nèi)湍流階段氮氣突擴(kuò)阻力系數(shù)的預(yù)測關(guān)系式Ke=1．55×10-4Res0.86S-1.17以及微通道內(nèi)流體在湍流階段的突縮局部阻力系數(shù)的預(yù)測公式Kc=1．229×0．5(1-s)0.75