文档介绍：摘要微尺度条件下流体的流动特性是微纳零件制造与微机械装置控制系统设计中需考虑的重要因素,因此对涉及微流动的微机械零件的设计、制造具尺度下的流动存在许多不同于宏观流动的现象,分析其原因可能是宏观流动本文从数值计算和实验两个方面研究微尺度流动的阻力特性及其作用机理,主要有以下几个方面:下微管内可能存在微小的扰动。以此为指导思想,自行设计了气压驱动的稳糙度。分别为/、、艿赖南窒螅侠淼卮硎验数据,分析实验现象及实验过程中的潜在误差,提出可能的机理性解释。砻娲植诙鹊亩嗫捉橹适笛槟D狻Mü诹鞯滥谔畛淞W拥姆椒ǎ使管道的一个面成为多孔介质,模拟极端粗糙管道进行实验研究。关键词:有限元数值方法、定常充分发展层流、阻力系数、雷诺数、特征剪切应力、表面粗糙度有重要的理论指导意义。目前各国研究者已经做了大量的实验工作,发现微中一些被忽略的因素叨刃вΑ⒈砻嫘вΑ⒔隹谛в捅呓缁频对微流动产生了重要影响。有一些研究者提出多种物理模型试图解释微流动的作用机理,但并没有取得统一的认识。┱构赜诖植诒诿婺诙ǔ2懔鞒浞址⒄沟奶跫胙刂嵯虻暮截面上速度周期性分布的概念,从理论上分析得到枇ο凳肜着凳的乘积不随雷诺数的变化而改变的结论。经有限元数值方法验证,说明假设是合理的,指出将阻力常数的增大归结于雷诺数的影响是不恰当的。攵员砻娲植诙榷晕⒊叨攘鞫挠跋旎恚赋鲆酝氖笛樘跫定压力源和组合式流动阻力测量装置艿浪χ本对左右U攵实验初期存在的问题,提出改良方案,使之满足实验要求。号主轴润滑油和正丙醇为工作介质,实验研究其通过不同粗浙江大学硕宦畚
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第一章微尺度流动研究中的问题微尺度流动的研究状况微机电系统术为基础发展起来的,是多学科交叉的重大科技领域之一。它涉及电子工程、机械工程、控制工程、材料工程、物理学、化学等多种学科的知识和技术【¨。微机电系统,这一概念在世纪年代末提出之后,经过十几年的发展,已经成为当今科学技术最具发展潜力的方向之一微流体系统是微机电系统的一个重要分支I鲜兰湍┛蒲Ъ际趿煊蚶一个显著的特点就是研究对象的小型化与微型化,并以为主流技术带为微尺度条件下流体的流动特性是微纳元件制造与微机械装置控制系统设计中需考虑的重要因素,许多器件缥⒈谩⑽⒎А⑽⒘髁考啤⑽⒀沽传感器、微表面应力传感器等杏肓鞫泄氐牟考踔潦腔诹鞫某种原理制成,因此,微尺度条件下的流动与传热成为一个新的前沿研究课和、甧瓾淖凼鲋幸昧艘恍┦笛榻峁砻髟谖⒐艿中气体流动出现沿流向压力梯度的非线性变化和液体流动中表观粘性的改变这些结果说明在某种条件下微尺度流动规律的确与宏观理论不一致。其实,对微尺度流动现象的研究已有历史,而且在流体力学其他领域如流变学、渗流力学、生物力学、胶体科学等都可以找到对微观现象研究的报告。近来技术的发展并受其巨大的应用背景所激励,引起了前所未有的对微尺度现象的研究高潮。关于圆管或矩形截面管道压差层流中表面粗糙度影响的理论研究已经深入展开。最早可追溯到十九世纪,圆煌砻孀獠诙裙艿赖难共盍琈是以微电子技动了一系列相关学科的发展,这其中就包括微尺度条件下的流动与传热。因题】。进行了实验,引入相对表面粗糙度的概念,并指出流动性质与管道租糙度、浙江大学硕士学位论文
度的流动会维持不变;将枇ο凳琈描述为雷诺数和、和在水力直径分别为~潞~髗时研直径和管道坡度有关;随后,将压差表示为表面粗糙度的函数,他认为表面粗糙度是一个决定层流和湍流阻力系数的主要参数。在他的实验中,管道壁面粘贴有同等大小的均匀沙粒,以沙粒的直径表示表面粗糙度的值。实验测量了六种不同相对表面粗糙度的水流,获得的雷诺数范围为笛楣艿赖哪诰斗直鹞,K墓ぷ饔兄谌范ㄏ对表面粗糙度占/粤鞫灾实挠跋臁U饫镄枰K得鞯氖牵墓艿乐本妒在没有沙粒的情况下测得的;之后,发表了多种表面粗糙度对压差作用的研究结果:水流在过渡区和充分湍流区,阻力系数随速度的增大而增大,但是一旦速度轮廓达到符合方形定律的状态,阻力系数对于更高速和相对表面粗糙度疗/暮;贑研究,挤奖愕靥峁了不同相对表面粗糙度管道近似确定压差的方法;【妊芯苛肆鞫重复粗糙单元的分离现象。发现起始段流动脱离管道壁面并在倍单元高度处重新汇集。由于机加工和表面处理等造成的粗糙度,壁面粗糙度形态上相似且相对均匀。流动至前一个单元形成局部绕流然后才进入下一个单元;一些对于微细管道流动和热传导的实验结果和分析与宏观尺寸下有显著差异。随着尺度的减小,流动逐渐显示出异于常规尺度的特性,其中最为典型的就是流动的阻力特性,比如阻力系数和热传导系数的偏移、流动性质较早地由层流转化为湍流等,而且不同的研究者得到了不同的甚至是相互矛盾的结论。已有的研究成果汇总如图指出了两者的相关性;緇最早定量分析表面粗糙度对压差作用。究发现流