微通道内流体流动的阻力特性课件.ppt

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1、微通道内流体流动的阻力特性叶昕王樱，刁彦华，赵耀华(北京工业大学建筑工程学院，北京，100124)背景随着微流体器件和微型传热装置被大量的运用于工质输送以及热量传递，微尺度传热学逐渐成为国际传热界研究的热点问题。从20世纪80年代起，便有大量文献对微通道内流动和换热特性进行了实验研究。迄今为止，众多学者关于微通道内流动阻力特性的研究所得的结论还很不一致，不同研究者的结论大相径庭，甚至相互矛盾。目前，微管中流动阻力特性的实验研究方法主要分为两种：一种直接在微通道内部布置压力传感器；另外一种为直接在微通道进出口的连接管道上连接压力传感器。由于管径较小，直

2、接在管道上开孔困难，而且费用往往很高，因此众多研究者往往采用第二种测压方法，测出压降后，利用公式求得摩擦阻力系数。大多数学者在采用这种方法的过程中忽略流体的入口效应对流动阻力特性的影响。众所周知，对于常规管道而言，通道内的入口段长度与长径比以及Re都有关，其长度可用公式加以计算得到，而微通道内入口段长度的研究是随着微小尺度下流动特性的研究才引起人们注意的。众多文献中提到的微管道内入口段长度的确定方法很不一致，目前还没有形成统一的公式。本文提出了研究具有不同长径比的粗糙微通道内流动阻力特性的实验研究，重点研究微通道内入口效应和粗糙度等因素对流动阻力特性

3、的影响。实验装置和实验方法图1所示实验台可以提供0~1.6MPa的压力，图2所示实验系统可用于系统压力高至6.0MPa时的实验工况。图1中实验系统由高压氮气瓶供压，经氧气减压阀后压力减至1.5MPa，贮液罐中装液体工质，液体在高压氮气驱动下流经在线过滤器(最小滤膜孔径7μm)后进入实验件。图2中实验原理和图1一样，但是所有实验件承压能力较高。微管横截面几何尺寸采用环境扫描电镜来测量，内壁面粗糙度由扫描电镜内壁面电镜图来进行估算。扫描电镜横截面图像如图3所示：图3(a)为微管端面扫描电镜图，图3(b)为微管内壁面扫描电镜图。微管长度用游标卡尺(精度为0

4、.02mm)测量。微管几何特性尺寸测量结果如表1所示*1/*2/*3/*4#5#6(a)微管端面扫描电镜图*1/*2/*3/*4#5#6(b)微管内壁面扫描电镜图图3微管扫描电镜图表1微管的几何特性实验结果及分析摩擦阻力系数计算方法当流过微管的流体流量恒定时，其摩擦阻力系数f、泊肃叶数Po和雷诺数Re的计算公式为：式中为运动粘度。式(1)中△P是微管两端的压差Po=f∙Re由于微管几何尺寸较小，受条件限制微管不是很长，因此需要在实验数据处理中消除进出口处各种压力损失的影响：包括截面突然收缩、流体加速造成的压力损失，入口处涡流、加速、撞击及转向造成的局

5、部压力损失，以及流动入口段速度剖面变化[12]。其中，v是实验工质的密度，Dh和L分别为微管的水力直径和长度，u是微管内流体的平均速度，其计算公式为：其中M为微管内流体的质量流量，S是微管的横截面积。误差分析本实验台主要测量仪器的精度为：压力传感器精度均为0.1%，温度测量采用铂电阻，其精度为±0.1℃，电子天平的精度为1mg，微管内径采用环境扫描电镜得到，但是考虑到图像处理方面的误差，最终内径测量误差会达到3.04%。微管内流量及流速测量的误差：测量流量与流速时，时间测量值大于2min，其分辨度为100ms，另外测量过程中考虑到操作等所引起的误差，

6、因此预计流量的测量误差达到0.5%，此外微管内径测量误差将引起流速的测量误差，试验工况的稳定对测量流量与流速的影响很大。综上所述，微管几何尺寸的测量误差是实验的主要误差，其次实验工况的稳定性对实验的测量影响也很大。因此，提高实验精度除了提高测量精度外，很重要的是解决微管的内径几何尺寸的均匀性以及减少实验误差。Lorenzini等通过分析压降、出口压力、温度、长度、内径和流速对圆管内摩擦阻力系数的影响之后也认为，在低雷诺数下流速和压降的测量影响最后的误差，在高雷诺数下内径对流动阻力特性的影响更大，表明设备仪器的精度影响了实验的误差。实验结果及分析常规尺

7、度下，圆管内层流流动时流动阻力特性符合经典层流预测关系式，即Po=f∙Re=64在常规尺寸充分发展层流区(Re<2300)摩擦阻力系数f∙Re值取决于高宽比α(0<α<1)，White[14]解出矩形微槽层流区的摩擦阻力常数，Hartnett[15]等拟合出它的多项式方程：Po=f∙Re=96(1-1.3553α+1.9467α2-1.7012α3+0.9564α4-0.2537α5)通过测量微管进出口压力、温度和流量，我们可以利用公式(1)~(4)计算出微管的摩擦阻力系数f、泊肃叶数Po和雷诺数Re，再将微管的摩擦阻力系数f与常规管内的层流区流动阻

8、力特性关联式的理论计算值进行比较，作出微通道内流动阻力特性的曲线图如图4~9所示上图为粗糙微圆管的摩擦阻力特