多孔介质微流动特性的实验-研究

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1、致谢非常荣幸能在中国计量学院度过两年半的研究生生涯，在这短短两年半的时间里，我受益良多，感悟良多，感慨万千。如今，研究生的生涯也即将离我远去，在这里对陪伴我度过研究生生涯的老师和同学们表示深深的感谢。首先，我要感谢我的导师王昊利教授的悉心指导。王老师渊博的知识，严谨的治学态度，创造性思维，以及忘我的敬业精神永远值得我学习。导师不仅在课题上引导我，更是生活中让我明白了很多做人的道理，这些宝贵的精神财富将使我终身受益。感谢恩师在这两年半时间里在科研上和生活上给予的关心和帮助，在此谨向我的恩师致以最诚挚的谢意，祝福恩

2、师工作顺利，身体健康，桃李满天下。感谢我的师姐韩巍，师兄徐明，麻程健，师妹翟美红，师弟史飞，赵攀杰给予我学习以及实验上的帮助，是徐明师兄教会了我使用Micro-PIV，师妹翟美红帮助我实验，麻程健在日常生活中给了我很多帮助，我感受到了同门师兄弟、师妹间的情谊与温暖。感谢寝室的于君坦，田鹏飞，1204的刘丁发，刘富海，宫通胜，还有组织里的樊奇，梁雪敏，秦广素等小伙伴们在研究生学习期间对我的关心和支持，因为有了你们，研究生生活才更精彩。同时，我还要感谢我的家人，感谢你们对我的支持。王鹏伟2014年9月万方数据多孔介

3、质微流动特性的实验研究摘要：多孔介质在自然界和生物体内广泛存在，其结构复杂多变，揭示其内部流场及压差特性对于研究多孔介质流动过程、动量、能量及质量的复杂输运机理具有重要意义。本文利用MEMS技术设计加工了两种不同结构的多孔介质模型：微柱群型和微珠填充型。采用Micro-PIV技术和高精度的微差压变送器对多孔介质模型的流场和压差特性进行研究。首先，采用Micro-PIV技术测量了雷诺数为0.1~1时微柱群中间层的流场（20×物镜，1μm粒子），在速度分布的基础上计算了剪切应力的分布。结果表明，速度场沿流向和展向均

4、具有良好的对称性，符合低雷诺数流动特征。另外发现均匀排列微柱群多孔介质模型相邻两列圆柱之间存在两条对称流线，其上流速不变；非均匀排列微柱群模型相邻两列圆柱之间存在两条不对称的流线，其上流速不变。利用Micro-PIV系统的高精度移动平台采集二维流场，并构建三维流场，流场反映了多孔介质内的全场流动特征。剪切应力的均方根计算结果表明，不同结构的多孔介质模型剪切应力的均方根与雷诺数呈线性关系。随后，利用Micro-PIV技术测量了微珠多孔介质模型中不同位置以及不同流量时的流场，并对粒子图像的处理方法进行了探索。测量结

5、果表明，在微尺度条件下空隙大的地方速度值比较大。微珠空隙间的流场具有明显随机分布特征。采用概率密度函数对速度分量u，v进行了分析，统计结果表明沿展向方向速度分量呈高斯分布，且速度分量无量纲化之后的统计结果基本不受流量和微珠直径变化的影响。统计结果与文献结果进行了对比，统计曲线基本相同，峰值部分有所差异。最后，用微差压变送器测量了空气通过微柱群模型和微珠填充模型的压差。结果表明，无论微柱群模型还是微珠填充模型压差都与流量呈线性关系。压差随着孔隙率的增加而递减，其递减规律与剪切应力的均方根相似，由此可见，多孔介质流

6、动的压差主要源于由速度梯度引起的剪切能量损失。计算了柱群多孔介质的渗透率，结果表明不同结构的多孔介质模型的渗透率和孔隙率变化关系不同。关键词：多孔介质；微流体粒子图像测速仪；流场；剪切应力；压差分类号：中图分类号O368；UDC530I万方数据ExperimentalStudyontheMicroFlowCharacteristicsinPorousMediaAbstract:Porousmediawidelyexistinthenatureandindustry,andtheirstructuresareve

7、rycomplexandchangeable.Studyingtheinternalcharacteristicsoftheflowfieldandpressuredifferenceareimportantforunderstandingthecomplexmomentum,energyandmasstransferinporousmedia.Inthisstudy,theMEMStechnologyisusedtoprocesstwodifferentkindsofporousmediamodels.One

8、isthekindofmicro-cylinderporousmediaandtheotherispackedmicro-beadsporousmedia.ThecharacteristicsoftheflowfieldandpressuredifferenceintheporousmediamodelsarestudiedbyMicro-PIVtechniqueandhighprec