突擴(kuò)及突縮微細(xì)通道內(nèi)流體局部阻力特性的實(shí)驗(yàn)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(gè)重要趨勢(shì)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(dòng)與傳熱問題日益顯得重要和突出。迄今為止，研究者們對(duì)微尺度通道內(nèi)流動(dòng)與換熱進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)微細(xì)通道內(nèi)的單相流體流動(dòng)，對(duì)由流道面積突變引起的局部阻力特性開展了實(shí)驗(yàn)研究及理論分析。 本文改進(jìn)了研究微通道阻力特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。采用縫隙測(cè)壓法測(cè)量壓力。分別以去離子水、氮?dú)夂秃鉃楣べ|(zhì)，測(cè)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(shí)驗(yàn)是在室溫和大氣壓力下進(jìn)行的。雷諾數(shù)范圍為515～8743。實(shí)

3、驗(yàn)結(jié)果表明，1)對(duì)于氮?dú)馔粩U(kuò)流動(dòng)來說，當(dāng)較小管內(nèi)流體處于層流階段時(shí)，流體的突擴(kuò)局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)的變化趨勢(shì)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(shí)的局阻系數(shù)。當(dāng)較小管內(nèi)流體處于湍流階段時(shí)，突擴(kuò)局部阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)變化很大，呈線性增長(zhǎng)的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)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(cè)值。這是氣體的可壓縮性造成的。當(dāng)?shù)獨(dú)馓幱趯恿麟A段時(shí)，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(dú)馓幱谕牧麟A段時(shí)，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(duì)于氦氣突擴(kuò)流動(dòng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和氮?dú)獾木植孔枇ο禂?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?dú)獾木肿柘禂?shù)。作者擬合出了預(yù)測(cè)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(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。3)對(duì)于液體突縮流動(dòng)來說，當(dāng)較小管內(nèi)的流體處于層流階段時(shí)，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(shí)，實(shí)驗(yàn)所得的突縮阻力系數(shù)先增大后減小并趨于一個(gè)定值，其高于均勻流速度分布的理論預(yù)測(cè)值和常規(guī)通道內(nèi)流體湍流階段的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。4)對(duì)于氮?dú)馔豢s流動(dòng)來說，在實(shí)驗(yàn)研究的范圍內(nèi)，氮?dú)馔豢s局部阻力系數(shù)的變化趨勢(shì)和常規(guī)管的結(jié)果及去離子水的實(shí)驗(yàn)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?dú)獾耐豢s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(cè)值和常規(guī)通道的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。Kc=0．5(1-s)0.75已不能用來預(yù)測(cè)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(cè)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(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式。 運(yùn)用掃描探針顯微鏡技術(shù)對(duì)微細(xì)通道內(nèi)壁面的相對(duì)粗糙度進(jìn)行了測(cè)量，并將相同尺寸下光滑管的計(jì)算結(jié)果與本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究。結(jié)果表明，2％的相對(duì)粗糙度將對(duì)管內(nèi)突縮流動(dòng)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(jì)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(jì)算。因此擬合出適用于微細(xì)通道內(nèi)湍流階段氮?dú)馔粩U(kuò)阻力系數(shù)的預(yù)測(cè)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(cè)公式Kc=1．229×0．5(1-s)0.75