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推进技术 2019年第6期40卷 1363-1369页

作者：张宗卫徐文迪刘聪付东金周志豪中国民航大学航空工程学院天津300300 中国民航大学空中交通管理学院天津300300

为提高换热强度、解决设备内部高热流密度散热问题,采用实验方法研究R141b在不同直径(D=0.5mm和1.0mm)水平圆形微通道内的沸腾换热特性,分析了热流密度(q=2.0kW/m^2~47.6kW/m^2)、质量干度(x=0~0.6)、质量流速(G=111.11kg/(m^2·s)~333.... 详细信息

为提高换热强度、解决设备内部高热流密度散热问题,采用实验方法研究R141b在不同直径(D=0.5mm和1.0mm)水平圆形微通道内的沸腾换热特性,分析了热流密度(q=2.0kW/m^2~47.6kW/m^2)、质量干度(x=0~0.6)、质量流速(G=111.11kg/(m^2·s)~333.33kg/(m^2·s))的变化对平均传热系数h的影响,探究不同情况下影响沸腾换热的主导因素。实验研究表明:平均传热系数h随热流密度q的增加而减小,在不同范围内减小速率有明显差异;热流密度q=2kW/m^2~5kW/m^2时质量流速G对平均传热系数h影响较明显,热流密度较高时质量流速G对换热影响很小;在质量流速G=111.11kg/(m^2·s)~333.33kg/(m^2·s),质量干度x>0.3时,平均传热系数h随质量干度x增加而明显下降,在设计微通道换热器时应尽量使R141b处于初始沸腾阶段以获得更好换热效果,并采取一定措施预防干度过高引起的换热恶化。

关键词： R141b 换热特性圆形微通道沸腾平均传热系数

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圆形微通道内压力驱动流有限元数值模拟

圆形微通道内压力驱动流有限元数值模拟

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作者：王路鹏南昌大学

学位级别：硕士

微流控芯片以微通道网络为结构特征，依靠流体的流动实现微通道内样品的输运以及样品的采样、混合与分离、反应与检测等过程，其关键问题是实现微流体的精确操控。本文针对微尺度下流体流动存在的边界滑移效应、动电效应等问题，从流体... 详细信息

微流控芯片以微通道网络为结构特征，依靠流体的流动实现微通道内样品的输运以及样品的采样、混合与分离、反应与检测等过程，其关键问题是实现微流体的精确操控。本文针对微尺度下流体流动存在的边界滑移效应、动电效应等问题，从流体力学基本方程出发，建立了微流动多物理场耦合的动电力学模型，基于有限元法数值模拟研究了圆形微通道内压力驱动流的流动电势以及流动特性。论文的主要工作内容和结果如下： 1.在光滑圆形微通道中，采用Nernst-Planck方程耦合Poisson方程和Navier-Stokes(NS)方程建立了描述微通道中双电层电位与离子分布的Poisson-Nernst-Planck(PNP)模型，应用多物理场有限元软件COMSOL Multi-physics求解模型控制方程，得到了微通道中双电层电位的数值解，对比分析了PNP模型和传统Poisson-Boltzmann(PB)模型的双电层电位分布。结果表明，当微通道特征长度较小或溶液离子浓度较低时，离子不满足Boltzmann分布的假设条件，两种模型的双电层电位分布有较大偏差，与PB模型相比，PNP模型能更准确地描述微通道中双电层电位与离子分布。 2.以光滑圆形微通道为研究对象，基于PNP模型数值模拟了微通道内的压力驱动流，分析了微通道中的流动电势及流体流动速度。结果表明，动电效应对流动有阻滞作用而边界滑移效应对流动有促进作用;随着压力梯度的增大或离子浓度的减小，流动电势增大;随着微通道特征长度的增大，流动电势先是急剧增加然后逐渐减小;微通道特征长度或溶液离子浓度越小，流动速度偏离理论值越大，动电效应对流动的影响越明显;低离子浓度溶液在较小特征长度微通道中流动会出现局部回流现象，其根本原因是流体剪切力方向发生了改变，考虑速度滑移时，边界滑移效应加剧了微通道壁面附近流体的回流，减小了微通道中的流动电势，但同时也使微流动体积流量增加;无流体回流现象时，流动电势和流动速度均随着滑移系数的增大而增大，当离子浓度较低时，对应的壁面ζ电势绝对值越大，边界滑移效应对流动速度和流动电势的影响不明显。上述研究结果丰富了微尺度下压力驱动流的基础理论。 3.研究了圆形微扩散管内的压力驱动流。研究结果表明，流动电势沿着流动方向非线性增长，微流体扩散方向流动时流动电势最大值要大于收缩方向流动;微扩散管的流动电势随着离子浓度的增大或扩散角的增大而减小，而随着两端的压力差的增大而增大;在相同的压力差下，扩散方向流动体积流量要大于收缩方向流动，由于动电效应的作用，体积流量有所减小，尤其是离子浓度较低时，动电效应越明显，体积流量大幅度减小，由于边界滑移效应的作用，体积流量有所增加;随着离子浓度的减小或滑移系数的增大，流量效率略微增大;微扩散管长度及扩散角太大或太小均对流量效率不利。上述研究结果为进一步提高微扩散管流量和流量效率提供了参考依据。 4.采用典型粗糙元和随机粗糙度建立了粗糙圆形微通道的物理模型，数值模拟研究了粗糙圆形微通道内的压力驱动流。研究结果表明，流动电势随着粗糙元个数及高度、宽度或相对粗糙度的增大而减小，随着滑移系数的增大而增大;流动摩擦系数随着粗糙元个数及高度、宽度或相对粗糙度的增大而增大，而随着滑移系数的增大而减小。

关键词：圆形微通道压力驱动流边界滑移效应动电效应流动电势

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圆形微通道热沉流动换热特性的数值研究

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建筑热能通风空调 2009年第1期28卷 10-13页

作者：张明惠东南大学能源与环境学院

建立了圆形微通道中层流流动换热的三维稳态模型,对不同水力直径、不同热流密度、不同雷诺数的圆形硅微通道内单相流动换热特性进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明:流体流动的Re数、元器件的热流密度及微通道直径对圆形微通道热沉的... 详细信息

建立了圆形微通道中层流流动换热的三维稳态模型,对不同水力直径、不同热流密度、不同雷诺数的圆形硅微通道内单相流动换热特性进行了数值模拟研究。数值模拟结果表明:流体流动的Re数、元器件的热流密度及微通道直径对圆形微通道热沉的流动换热特性有着较大的影响。微通道固体部分最高温度出现在散热器的出口处顶部表面。截面平均Nu数在通道入口段最大,并沿流程逐渐减小,直至达到充分发展时,Nu数趋于定值。微通道整体平均Nu数随Re数增加而增大。

关键词：圆形微通道传热传质数值模拟

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微流体流动特性及其在流量传感器中的应用

微流体流动特性及其在流量传感器中的应用

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作者：顾瑜南京师范大学

学位级别：硕士

流量是微流体技术的一个重要参数,提取、分配、混合微流体时均需对微流体的流量进行测量,以保证操作的正确性并实现节约能源、提高效率、降低成本等目的。微流量传感器是实现微流量测量的主要手段,开展微流体相关技术研究、设计新的微... 详细信息

流量是微流体技术的一个重要参数,提取、分配、混合微流体时均需对微流体的流量进行测量,以保证操作的正确性并实现节约能源、提高效率、降低成本等目的。微流量传感器是实现微流量测量的主要手段,开展微流体相关技术研究、设计新的微流量传感器是现阶段微流体技术的主要任务和重要内容之一本课题首先研究了动力进口段对微流体流动特性的影响。基于连续介质假设,建立了以圆形微通道为微流体流动腔体、以去离子水为流动工质的微流体流动数学模型,并对其进行了数值模拟,获得了微流体流速以及圆形微通道特征尺寸变化条件下的圆形微通道内微流体速度和压力的分布。对圆形微通道内微流体的速度和压力分布进行了分析,结果表明动力进口段内近壁面处的微流体流速逐渐减小为零,而中心线附近的微流体流速随着流动长度的增加而增加,导致微流体的压力呈不均匀分布,进而影响了该段微流体的流动特性,特别是对流动阻力特性产生了影响。基于对模拟结果的后处理,定性并定量地研究了圆形微通道的动力进口段长度以及动力进口段内微流体发展造成的附加损失,结果表明圆形微通道的动力进口段长度远大于经典理论预测值,动力进口段微流体发展造成的附加损失显著增加、圆形微通道进出口压降大于经典理论预测值,并给出了圆形微通道动力进口段长度和附加损失的计算式。然后基于研究所得的圆形微通道的动力进口段长度及附加损失,设计了一种新型微流量传感器结构。该微流量传感器以圆形微通道为主体,在圆形微通道的充分发展段内放置两个相同的压电微悬臂梁,利用其正压电效应来检测圆形微通道充分发展段内微流体流动产生的压降,再根据圆形微通道充分发展段内两压电微悬臂梁所处截面间的微流体压降与微流体流量的关系实现了对微流体流量的测量。通过对微流量传感器输入输出关系的理论分析,获得了表征微流量传感器输出与微流体流量关系的理论模型,并设计了该微流量传感器的制作工艺与流程。最后,利用ANSYS定性分析了压电微悬臂梁结构参数对微流量传感器输出的影响,并在确定压电微悬臂梁结构参数后对微流量传感器灵敏度特性进行了仿真分析,给出了该结构参数下的微流量传感器最大测量范围和灵敏度。

关键词：微流体流动特性圆形微通道动力进口段微流量传感器压电微悬臂梁

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