微通道内流流场的数值模拟及Micro_PIV测量_图文

1、 394 应用基础 与工程科学学报 V o.l 19 为了精确量化比较数值模拟结果与实验测量结果的差异 , 取数值模拟结果某一断面 上的速度廓线与实验结果断面上的平均速度廓线比较 (见图 5, 从图 5 可以看到两者极 其吻合 . 比较结果证实本文采用以多孔介质作为微尺度通道壁面粗糙元所建立的数值模 拟方案以及相关参数设定方法是切实可行的, 该方案可用于微尺度数值研究 . 本文在同样的数值模拟方案下对边长为 600 m 的微通道不加多孔介质进行模拟 ( 见 图 6 , 该模拟流场没有做微尺度处理, 如同常规尺度下的管流. 从图 6 可以看出模拟值与 实验值差别主要出现在 Y = 90 m 和

2、510 m 附近 , 模拟速度廓线在此附近拱起又导致中 心流速小于实验值. 而使用多孔介质模拟粗糙元进行微尺度处理时 , 针对实验试件相对粗 糙度设定其厚度约为 0 . 15D, 使模拟速度廓线在 Y = 90 m 和 510 m 附近出现下凹 (这一 特征在 R e增大时更显著 , 与实验速度廓线吻合. 该结果进一步证明采用多孔介质对管 道进行微尺度化处理是一种有效手段 . 3 . 2 Re = 300时边长 600 m 的微通道流场 在微通道结构不变的情况下增大 Reyno ld s数, 采用同样的微尺度化处理手段和数值 模拟方案, 在 R e = 300时 , 对边长为 600 m 的微

3、通道流场再次进行模拟计算 , 得到的数值 计算结果与同工况下 M icro P I V 实验测量结果比较 (见图 7, 发现两者仍有良好的吻合 性 , 在粗糙元区域的模拟效果尤为突出 ( 见速度廓线比较图 , 说明该方法在 Reyno ld s数 一定范围内对微尺度通道的模拟计算是适用的 . No . 3 金 文等 : 微通道内流流场的数值模拟及 M icro P I V 测量 395 3 . 3 模拟边长 800 m 的微通道流场 微通道边长改变时, 对微通道进行微尺度模拟处理所采用的多孔介质绝对厚度应有 所改变 . 由于采用相同材料、 同样技术加工实验中的微通道试件 , 因此它们的相对粗糙

4、度 基本一致. 边长 800 m 的微通道流场模拟计算仍采用 0 . 15D 的多孔介质厚度, 但在几何 建模时 , 多孔介质绝对厚度已与 600 m 微通道的有所不同. 图 8 给出边长 800 m 的微通 道分别在 R e = 100 和 R e = 300 下的模拟计算的速度廓线 , 并将模拟值与同工况下 M icro PI V 实验测量值进行比较, 图 8显示模拟值与实验值十分吻合 , 证明了采用微通道相对粗 糙度折算多孔介质厚度方法是有效的 . 396 应用基础 与工程科学学报 V o.l 19 图 8 800 m 微通道速度廓线模 拟值与实验值比较 F ig. 8 Co m par

5、ison on the 800 m m icro channe l s ve locity profilers o f CFD and M icro P I V 4 结论 利用 M icro P I V 技术 , 通过实验测量得到方形断面微尺度直通道流场的速度分布 , 并 以此为参照依据 , 验证了采用多孔介质模拟壁面粗糙元 , 配合 rea lizab le k 两方程模型进 行数值计算是一种有效的管流流场微尺度化数值模拟计算方法 , 并且给出了多孔介质模 型设置的两个关键技术: 一是几何模型设计, 多孔介质区域设在微通道壁面附近, 其厚度 根据微通道的相对粗糙度折算 ; 二是多孔介质参数选

6、择 , 多孔介质的粘性阻力系数和惯性 阻力系数由多孔介质区域内的流态及阻力来确定. 参考文献 1 王昊利, 王 元 . M icro PI V 技术 : 粒子图像测速技术的新进展 J. 力学进展 , 2005, 35( 1 : 77 99 W angH aol, i W ang Y uan. M icro PI V: A new developm ent of part icle i m age veloci m etry J . A dvan ces in M ech an ics , 2005 , 35 ( 1 : 77 99 S ant iago J G, W erely S T, M

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20、ed by M icro P I V technique . De io nized w ater seeded w ith 3 m d iam eter fluorescent particles w as introduced in to m icro channel pipe lin e . T he flow fie ld w as recorded by 14 bit CCD cam era system com bining 10 fo ld m icroscope . Under comm ercia l CFD so ft w are F luen, t Rea lizable k m ode l w ith porous m edium m ode,l as wh ich roughness elem ents of m icro channel w a ll w as abstracted , w as used to study on th e m icro channel hav ing rectangu lar cross sect io n w ith