微通道论文：微通道内液体流动和换热特性的数值模拟研究

微通道论文：微通道内液体流动和换热特性的数值模拟研究【中文摘要】随着微型化逐渐成为科学研究和工程应用的一个重要趋势,其中涉及的微尺度通道内的流动问题越来越被重视。各种微元器件在生物、医药、航天、机械以及电子等各个领域广泛应用,微通道内液体的流动摩擦阻力和传热系数等的大小将直接影响微通道性能,进而影响微元器件的工作性能,但是微通道内流动和换热等方面仍缺乏成熟的理论和可靠的实验。本文的工作旨在将微尺度液体流动通过数值模拟的方法展现出来,分别对微通道内流动和传热特性等进行有效的预测,以指导和优化不同功能微通道的设计,加深和拓宽微尺度流动在工程领域的应用。基于连续介质方法数值模拟了液体在不同结构微通道内的流动状况,从截面形状、当量直径、壁面粗糙度和微通道长度等方面对通道内液体流动的摩擦系数和泊肃叶数的变化进行了分析,并将模拟结果与相同模型的实验结果和宏观流动中的经验理论相比较。通过摩擦系数随雷诺数的变化曲线得到微通道内流动的转捩雷诺数或者过渡状态存在的雷诺数范围,微尺度通道的截面直径会改变过渡状态存在的雷诺数范围;粗糙度会影响湍流状态下流动的摩擦系数。对比不同几何尺寸下的流动泊肃叶数,存在某一临界当量直径以及临界宽高比,当量直径或宽高比大于临界值时其对泊肃叶数没有影响。...【英文摘要】Withtheminiaturizationhasbeengraduallypopularintheinvestigationandapplication,themicroflowinvolvedisalsobeenputonanimportantposition.Theflowandheattransferpropertiesoftheliquidflowinmicrochannelsaffecttheperformanceofmicrochannelsdirectlyandthentheperformanceofthemicrodevices.Themicrodevicesarewidelyusedinthebiology,medicine,aerospace,mechanicalandmanyotherfields,whilethereliabletheoryandexperimentareshortintheflowandheattransferof...【关键词】微通道数值模拟几何尺寸边界滑移【英文关键词】microchannelnumericalSimulationgeometrycharactersboundaryslip【目录】微通道内液体流动和换热特性的数值模拟研究摘要4-5AbStract5-6第1章绪论9-171.1引言9-101.2微通道内液体流动的研究历史与现状10-151.2.1微通道几何构型对传热传质的影响10-121.2.2微通道表面性质对传热传质的影响12-141.2.3流动介质的性质对传热传质的影响14-151.3本课题的主要研究内容15-17第2章微尺度流动的基本理论及模拟方法17-272.1引言172.2微尺度液体流动的特性17-192.2.1尺度效应17-182.2.2边界滑移18-192.2.3动电效应192.2.4液体黏性192.3微尺度液体流动的主要模拟方法19-242.3.1连续介质方法20-222.3.2分子动力学方法22-242.4CFD-ACE+软件简介242.5本章小结24-27第3章不同结构微通道内液体流动性能的数值模拟27-433.1引言273.2计算模型27-293.3微通道内的液体流动状态29-333.4雷诺数和微通道性质对流动摩擦系数的影响33-393.4.1雷诺数对流动摩擦系数的影响33-363.4.2微通道性质对流动摩擦系数的影响36-393.5几何结构对流动泊肃叶数的影响39-413.6小结41-43第4章矩形截面微通道内液体传热性能的数值模拟43-554.1引言434.2计算模型与验证454.2.1计算模型43-444.2.2模型验证454.3微通道几何参数对液体传热性能的影响494.3.1影响传热性能的几何参数的确定464.3.2微通道几何参数对努塞尔数的影响494.4微通道各参数与传热努塞尔数的关系拟合49-534.4.1Nu与Re间的关系方程拟合49-514.4.2Nu-Re方程系数的拟合51-524.4.3拟合方程验证52-534.5小结53-55第5章考虑边界滑移和液体温黏关系的微尺度流动55-715.1引言555.2边界滑移对液体微流动的影响55-635.2.1计算模型55-585.2.2数值模拟结果分析58-635.3液体温黏关系对液体微流动的影响63-695.3.1计算模型63