矩形微通道内的流动与压降特性研究

作     者：梁朋 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：段志鹏

授予年度：2017年

学科分类：080701[工学-工程热物理] 080702[工学-热能工程] 08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：矩形微通道 表观摩擦因子 入口效应 速度滑移 数值模拟 

摘      要：随着技术的进步,微型设备和系统成为研究热点。人们不断发现微小系统由于尺寸减小而带来的众多优势,但微装置尺寸的缩小也增加了热流密度,因此具备高效散热性能的微通道逐渐成为发展方向和趋势。微通道换热器具有强化换热,结构紧凑、高效的优点,应用于各个学科,具有重要的研究意义。然而,目前微系统内小型化结构改变物理过程的机理还不成熟。当微装置的尺度小到一定程度,会出现与常规尺度不同现象。有些基础问题还不明确,包括微通道内流动与压降特性,尤其是入口区域。入口段的换热系数较高,充分利用入口段,可以提升整体换热效率,节约能源。本文在层流连续流动和滑移流动下对三维矩形微通道内流动与压降的研究采用了理论分析与数值模拟的方法。研究了层流发展流及充分发展阶段的摩擦分布特性,重点分析了微通道截面尺寸、轴向无量纲距离和滑移参数对流动和压降的影响。在本文使用的半理论分析模型的基础上,对三维矩形微通道入口发展流动阶段的摩擦因子进行了定量研究。首先,在连续流动条件下模拟的表观摩擦因子与雷诺数乘积(fappRe)的结果与经典文献数据和实验数据吻合较好,说明数值方法可行有效,并进一步扩充了经典文献中可用数据点的使用情况和范围,此扩充数据与半理论分析模型的数值保持一致,在扩展数据基础上,发展了关于Hagenbach系数的新的关联式。其次,在滑移流动条件下将fappRe的数值数据与半理论分析模型进行了对比,误差较小,实现了对滑移发展流动阶段摩擦分布特性的初步探索。本文对连续流动和滑移流动的数值模拟获得了预期的结果。三维矩形微通道内的fappRe在入口区域数值较大,变化显著,随着轴向无量纲距离的增加而迅速减小,之后变化趋缓,最终为稳定值达到充分发展流动阶段。此外表观摩擦因子随着矩形截面宽高比的增加而减小。对于滑移流动,Kn数越大,滑移程度越大,滑移速度变大。速度滑移的存在,使得fappRe的值减小。本文扩展了经典文献书籍中fappRe的数据点,对连续流动和滑移流动条件下三维矩形微通道入口发展流的fappRe进行了定量研究。这些扩充数据和半理论模型可以预测连续流动和滑移流动的摩擦与压降分布特性,也为今后深入的学术研究提供依据,同时方便于工程实践与应用,也只有深入认识微流体流动与压降分布,才能更好地设计微通道换热设备。