微通道兩相流型、壓降及減阻特性研究.pdf

1、隨著微加工技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備元件趨向于小型化、微型化，如用于冷卻微電子電路的微小換熱器、用于生物基因工程的點(diǎn)陣芯片、用于環(huán)評(píng)檢測(cè)的便攜式反應(yīng)器等。這些應(yīng)用中都有一些元件涉及發(fā)生在直徑小于1mm通道內(nèi)的氣液兩相流問(wèn)題，為了更好的推進(jìn)工程設(shè)計(jì)應(yīng)用，達(dá)到流動(dòng)過(guò)程可控的目的，就需要人們對(duì)微通道內(nèi)工質(zhì)流動(dòng)特性的全面了解。鑒于此就需要很好的理解兩相流動(dòng)特性包括兩相流動(dòng)狀態(tài)，壓降和減阻效應(yīng)。雖然在對(duì)直徑相對(duì)較大的通道研究中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)許多理論

2、機(jī)理，例如兩相流的流動(dòng)模型和一些相關(guān)性概念，但它們對(duì)微通道的適用性還需要被研究證實(shí)，微尺度效應(yīng)對(duì)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)的影響有待進(jìn)一步說(shuō)明，且目前相關(guān)報(bào)道很少。
　　本文利用電子顯微鏡搭載高頻工業(yè)相機(jī)對(duì)Y型微通道進(jìn)行可視化實(shí)驗(yàn)研究，通道截面為矩形100μm×200μm。在實(shí)驗(yàn)中記錄了典型流型與壓力信號(hào)，繪制了流型圖，經(jīng)分析后提出流型轉(zhuǎn)變預(yù)測(cè)模型，并采用壓力信號(hào)對(duì)流動(dòng)壓降進(jìn)行研究，分別提出基于分相流模型的壓降預(yù)測(cè)公式以及基于流型為基礎(chǔ)的壓

3、降預(yù)測(cè)模型，在對(duì)減阻效應(yīng)研究時(shí)，發(fā)現(xiàn)證實(shí)添加高分子聚合物或者改變管壁親水性可實(shí)現(xiàn)流動(dòng)減阻效果。
　　在流型的研究分析時(shí)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)記錄了三種典型流型：彈狀流，環(huán)狀流，分層流。繪制流型圖并與已有文獻(xiàn)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)通道尺寸，截面形狀，壁面材料的濕潤(rùn)性以及氣液兩相的混合方式都影響著流型狀態(tài)，基于上述因素提出預(yù)測(cè)模型。
　　在對(duì)壓降的研究分析時(shí)，首先對(duì)壓降的影響因素展開(kāi)分析，包括氣液兩相表觀速度，表面張力，通道尺寸等因素。然后分別用

4、均相流模型與分相流模型對(duì)本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比，發(fā)現(xiàn)分相流模型對(duì)于本實(shí)驗(yàn)的預(yù)測(cè)更準(zhǔn)確些，并基于分相流模型提出修正公式應(yīng)用與本實(shí)驗(yàn)條件，預(yù)測(cè)誤差更小。最后以三種典型的流型為基礎(chǔ)，根據(jù)產(chǎn)生流動(dòng)阻力的來(lái)源不同，對(duì)流動(dòng)壓降進(jìn)行，提出以流型為基礎(chǔ)的壓降預(yù)測(cè)模型。
　　在對(duì)流動(dòng)減阻效應(yīng)的研究分析時(shí)，借鑒現(xiàn)有文獻(xiàn)分析，驗(yàn)證高聚物分子具有TOMS效應(yīng)，其中高聚物分子鏈具有抑制阻力產(chǎn)生的能力，并且流動(dòng)阻力隨著高聚物的濃度增加，在本實(shí)驗(yàn)條件下其減阻效