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Y型微通道两相流内部流动特性

力学学报 2014年第2期46卷 209-216页

作者：刘赵淼刘丽昆申峰北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124

利用显微粒子图像测速技术、高速度数码显微系统及数值模拟方法研究了Y型微通道内液滴的形成.主要考虑了Y型角度(45°,90°,135°,180°)、两相流量大小等因素的影响.发现在挤压机制中,Y型微通道内分散相液滴的形成主要受到来自连续相... 详细信息

利用显微粒子图像测速技术、高速度数码显微系统及数值模拟方法研究了Y型微通道内液滴的形成.主要考虑了Y型角度(45°,90°,135°,180°)、两相流量大小等因素的影响.发现在挤压机制中,Y型微通道内分散相液滴的形成主要受到来自连续相的剪切作用,Y型角度越小,分散相所受到的剪切作用越大.在液滴生成过程中,连续相速度剖面呈非对称抛物线型分布.当Y型角度小于180°时,角度的变化对液滴直径大小影响较小,但角度的减小会加快液滴的生成时间.当Y型角度为180°时,生成的液滴体积最大且生成时间最长.毛细数对液滴直径和生成时间的变化同时产生影响,连续相毛细数的增大使得连续相在两相交汇位置处对分散相的作用力更集中,导致分散相更易破裂.

关键词：微流控 Y型微通道 Y型角度显微粒子图像测速技术数值模拟

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基于粒子图像叠加方法的微柱群绕流流场测量

实验流体力学 2016年第6期30卷 59-65页

作者：王昊利徐明金陵科技学院机电工程学院南京211169 中国计量学院杭州310018

分析了相关深度对Micro-PIV速度场测量的影响,说明采用低密度粒子图像叠加技术能够有效减小相关深度,提高速度测量的准确性。将该方法应用于微柱群绕流流场的分层测量,雷诺数分别取0.8~3.6,在此基础上计算了空间平均速度。将分层速度场... 详细信息

分析了相关深度对Micro-PIV速度场测量的影响,说明采用低密度粒子图像叠加技术能够有效减小相关深度,提高速度测量的准确性。将该方法应用于微柱群绕流流场的分层测量,雷诺数分别取0.8~3.6,在此基础上计算了空间平均速度。将分层速度场和平均速度廓线与采用平均相关技术获得的结果进行了比较。结果表明,采用低密度粒子图像叠加方法获得的全场绕流速度分布更为合理,通道底部和顶部近壁区的平均＂伪滑移速度＂分别减小了22.7%和17.2%,通道中心平均速度峰值增加了5.2%。

关键词：显微粒子图像测速技术图像叠加法微柱群绕流分层测量

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微通道水流量的显微可视化测量

计量学报 2009年第1期30卷 25-28页

作者：王昊利王元中国计量学院计量测试工程分院浙江杭州310018 西安交通大学能源与动力工程学院陕西西安710049

采用显微粒子图像测速技术（M icro-PIV）获取全场速度分布的基础上测量了水力直径为0.4 mm的长直微通道内的水流量。实验采用532 nm波长的双脉冲激光对粒径为3μm的荧光粒子进行照明，通过在电荷耦合器件（CCD）相机前加装10倍显微物... 详细信息

采用显微粒子图像测速技术（M icro-PIV）获取全场速度分布的基础上测量了水力直径为0.4 mm的长直微通道内的水流量。实验采用532 nm波长的双脉冲激光对粒径为3μm的荧光粒子进行照明，通过在电荷耦合器件（CCD）相机前加装10倍显微物镜，获取具有较高空间分辨率的粒子运动图像。利用位移求解算法得到雷诺数分别为100和200时的通道中位面的速度场分布。结果表明，除近壁区外，通道内中位面速度分布与方形截面理论速度廓线一致。由此利用方形通道的层流解析表达式获得不同位置处的截面流量的离散分布值，对其求算数平均获得通道水流量。

关键词：计量学微通道微流量显微粒子图像测速技术速度场

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微尺度管束模型刷式密封内部流动及传热研究

微尺度管束模型刷式密封内部流动及传热研究

作者：张宝迪昆明理工大学

学位级别：硕士

刷式密封作为航空发动机的重要部件之一,其具有优良的密封性、稳定性和柔性等。随着我国航空航天技术的精进,刷式密封的工况环境也随之变得严苛,推动了对刷式密封性能的进一步研究。基于管束模型对刷式密封内部流动、传热特性、迟滞特... 详细信息

刷式密封作为航空发动机的重要部件之一,其具有优良的密封性、稳定性和柔性等。随着我国航空航天技术的精进,刷式密封的工况环境也随之变得严苛,推动了对刷式密封性能的进一步研究。基于管束模型对刷式密封内部流动、传热特性、迟滞特性等有着广泛的研究。但对于微米量级的刷丝直径及刷丝之间间隙而言,宏观下的管束模型研究方法和结论并不适用。基于上述背景,本文基于微尺度管束模型对刷式密封内部流动及传热特性开展实验及数值计算研究。论文的主要研究内容如下:首先,本文对微尺度管束模型内部流动特性进行实验研究。主要使用MicroPIV对不同结构参数及不同入口流量下的微尺度管束模型内部流动情况进行实验研究。得出微尺度管束模型内部流动机理及结构参数对微尺度管束模型内部流场的影响。其次,基于实验研究对微尺度管束模型内部流动开展数值计算研究。使用不同的壁面函数的k-?模型对微尺度管束模型内部流动进行数值计算。通过分析实验与数值计算间隙线上速度分布情况及微柱圆周方向速度分布情况。研究结果表明,间隙线上速度均呈现两端高中间低的趋势,Scalable Wall Functions k-?模型与实验结果更加接近。实验结果圆周方向速度分布与Scalable Wall Functions k-?模型数值计算结果相似。最后,基于前文研究结果,对刷式密封保护高度区域建立三维管束模型并使用Scalable Wall Functions k-?数值计算模型对内部流场流动特性及传热特性进行研究。分析了三维流场压力分布情况、速度分布情况和温度分布情况。研究结果表明,压降出现在刷丝束并由上游向下游逐级递减。速度在刷丝间隙处增大且在末排刷丝间隙处出现射流现象。

关键词：刷式密封微尺度管束模型显微粒子图像测速技术内部流动传热特性

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微通道内柱体绕流流场的可视化研究

微通道内柱体绕流流场的可视化研究

作者：徐明中国计量学院

学位级别：硕士

显微粒子图像测速技术是在传统PIV技术的基础上发展起来的对微尺度流动的全场测量的技术，它突破了单点测量的限制，实现了非接触、高精度的微流体瞬态速度场测量。本文对该技术进行了发展，并针对微通道内微柱体绕流过程进行了定量可... 详细信息

显微粒子图像测速技术是在传统PIV技术的基础上发展起来的对微尺度流动的全场测量的技术，它突破了单点测量的限制，实现了非接触、高精度的微流体瞬态速度场测量。本文对该技术进行了发展，并针对微通道内微柱体绕流过程进行了定量可视化实验研究。首先，开展了基于低密度粒子图像的微流体粒子图像测速技术的研究，包括背景噪声去除、阈值过滤、图像增强等图像预处理，能够获得高质量的低密度荧光示踪粒子图像。在此基础上对粒子图像进行叠加处理，得到较高密度的粒子图像以满足互相关算法。利用低密度粒子叠加方法对长直微通道内不同流层平面的二维速度场进行了测量，将测量结果叠放到一起实现了全场三维二分量(3D2C)速度场测量。结果表明：通过图像叠加法得到的速度场分布是符合流动规律，所构建的三维流场能准确的反映内流流场特征。然后，将低密度粒子图像叠加法应用于微通道内三种圆柱阵列绕流流场的测量，获得了柱群绕流流场的3D2C速度场。速度场呈现对称绕流结构，符合预期的微柱群绕流流场特征。将该速度场与基于高浓度粒子图像平均相关技术测量的速度场进行了比较，结果表明：不同输入流量下，两者截面实测流量趋于一致;由于低密度叠加方法能够有效地去除背景噪声，所获壁面附近的速度明显小于高浓度测量结果，较好地满足了无滑移条件。由此可见，低粒子浓度叠加方法能够有效提高Micro-PIV速度场的测量精度。本文最后对较高雷诺数下的短粗圆柱绕流过程进行了可视化测量，分别对单圆柱、顺排双圆柱以及并排双圆柱尾迹的变化情况进行了分析。实验中雷诺数取为6000之间。对于单圆柱，当雷诺数小于100时，绕流流场呈现出对称分布状态。当雷诺数高于100时，尾流出现两个对称的涡结构，随着雷诺数增大，沿流动方向涡的尺度逐渐被拉长，虽未见明显的涡脱落现象，但尾迹呈现出非定常流动的特征;对于顺排双圆柱，当雷诺数达到180的时候，圆柱之间出现了对称涡结构，雷诺数达到260尾流出现非对称涡结构;对于并排双圆柱，当雷诺数达到140时，双圆柱外侧出现一对驻涡结构，而在180时，圆柱内侧也出现明显涡结构，当雷诺数超过300以后，双圆柱尾迹呈现非对称分布现象。

关键词：显微粒子图像测速技术图像叠加法微柱群

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微通道凹槽内涡胞演化特性及应用研究

微通道凹槽内涡胞演化特性及应用研究

作者：闫成金北京工业大学

学位级别：硕士

微流控芯片中微凹槽结构内流体的流动特性及涡胞演化行为是目前研究的重点和难点之一。微凹槽结构以其特殊的结构,具有不同与宏观流动的微尺度流动特性,在微混合器、微换热器、粒子及细胞分选等领域有重要的应用。微凹槽内的流动特性及... 详细信息

微流控芯片中微凹槽结构内流体的流动特性及涡胞演化行为是目前研究的重点和难点之一。微凹槽结构以其特殊的结构,具有不同与宏观流动的微尺度流动特性,在微混合器、微换热器、粒子及细胞分选等领域有重要的应用。微凹槽内的流动特性及及涡胞演化行为对其工作性能有重要影响,需要进行深入研究。本文采用显微粒子图像测速技术(Micro-Particle Image Velocimetry,μPIV)和高速数码显微成像技术(High-Speed Imaging Technique),研究了入口雷诺数(Re)和凹槽几何尺寸等因素对微通道凹槽内流体流动特性和涡胞演化行为的影响,本文主要研究内容和结论包括:(1)矩形微凹槽内流动演化特性。首次对深矩形微凹槽内的涡胞演化过程进行了流动可视化实验研究,分析了雷诺数(Re)和凹槽横纵比(e)对涡胞演化的影响。在涡胞发展阶段,涡胞结构随时间不断变化。在一定情况下(Re=50,e=3),微凹槽内的流动形式依次经历了附着流、过渡流和分离流三个阶段。Re对涡胞演化有重要影响,随Re增大,涡胞发展到达稳定状态的时间出现整体减少的趋势,但由于分界线迁移现象的发生会导致涡胞发展时间的突然增加。同时,e对涡胞演化也有重要影响,e=1时由于微凹槽体积小,涡流占据了整个微凹槽,e=3和5时,凹槽内依次经历了附着流、过渡流和分离流三个阶段;但在e=5时,凹槽的较深处(e>1.9)的流动与物质交换变得困难。(2)圆形微凹槽内的流动演化特性。研究了雷诺数(Re)和凹槽长径比(e)对涡胞演化的影响。圆形凹槽内的涡胞结构在发展阶段随时间的推移,依次经历了附着流、过渡流和分离流三个阶段,,比矩形凹槽更加复杂加深了对涡胞演化行为的基本认识。Re对涡胞演化有重要影响,随着Re的增大,圆形凹槽内涡胞发展时间整体减少,但在分界线发生迁移时出现了时间突增。此外,e对涡胞演化也有重要影响,e较小≤1时圆凹槽被涡胞结构充满,e较大≥4时圆形凹槽内也经历了附着流、过渡流和分离流三个阶段,这是由于凹槽空间增大,流体流动区域增大和凹槽壁面限制作用减弱导致的。(3)深矩形微凹槽和圆形凹槽的生物学方面的应用研究。研究了Re对液滴细胞培养以及动脉瘤的内部的涡胞特性、剪切应力分布、流场中培养液流动及输运特性的影响。深矩形微凹槽可以容易的生成并固定液滴,在连续相流动剪切作用下,液滴内部流场出现涡胞结构,涡胞随Re的增大呈现从无到有再到无的变化规律,液滴内部剪应力τ较小(平均值<1.5×10 Pa),且Re对τ无明显影响。此外,由于圆形凹槽结构与动脉瘤的结构相似,随Re增大,圆形凹槽内产生侧面涡流并逐渐形成涡胞,涡胞从上游逐渐转移到下游。Re对圆形凹槽内剪切应力有明显影响,对下游侧壁面产生的切应力最大,导致动脉瘤内下游侧壁面细胞更容易受到剪切损伤,容易破裂。

关键词：微流控技术微凹槽流动演化涡流显微粒子图像测速技术

基于三维流场构建的微通道液体流量测量方法研究

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基于三维流场构建的微通道液体流量测量方法研究

作者：韩巍中国计量学院

学位级别：硕士

本文提出了一类基于扫描Micro-PIV三维流场构建技术的微流量测量方法，并针对长直微通道及三种T型分支通道开展了实验研究，研究内容如下：首先，采用扫描Micro-PIV跨层测量技术，针对截面为300μm×60μm(宽×深)长直微通道的8个输入... 详细信息

本文提出了一类基于扫描Micro-PIV三维流场构建技术的微流量测量方法，并针对长直微通道及三种T型分支通道开展了实验研究，研究内容如下：首先，采用扫描Micro-PIV跨层测量技术，针对截面为300μm×60μm(宽×深)长直微通道的8个输入流量进行了三维流场构建和流量测量。利用Micro-PIV系统的高精度位移平台实现了覆盖全流场多个流体层的粒子图像采集。采用系综相关算法获得流体层的二维速度分布，由此完成三维流场构建，在此基础上利用截面速度离散积分方法计算获得截面微流量，并将计算值与注射泵输入的标准流量进行比对。流量计算结果表明，对于采用64×64像素判读域的速度场分析，输入流量在2.481.788μl/min范围的流量测量结果精度较高，相对误差范围为0.39%.87%;对于判读域为32×32像素的情况，输入流量在3.307.269μl/min范围内均有较高测量精度，相对误差范围为0.55%.69%。随后，针对300μm×200μm×200μm×90μm(入口×分支1×分支2×深度)，300μm×150μm×150μm×60μm以及250μm×150μm×100μm×40μm三种T型微通道的24个输入流量(每种通道8个输入流量)进行了三维流场构建和流量测量。测量区域位于T型通道分支节点位置，则实现了入口和两个分支通道三维速度场的同步测量。在三维速度场测量基础上，采用截面速度插值方法对入口和两分支通道的流量值进行离散积分计算，并将计算结果与标准流量进行比对。计算结果表明，对于判读域为64×64像素的计算结果，三种微通道的总相对误差范围分别为0.135%.668%，0.056%.87%及0.303%.928%;对于32×32像素判读域的计算结果，三种类型分支通道总的相对误差范围分别为0.064%.824%，0.036%.61%及0.038%.191%。由此可见，基于两种像素判读域速度场分析所获流量均达到较高精度，且32×32像素判读域相对误差总体上优于64×64像素判读域的结果。此外，本文针对长直微通道和T型微通道的三维流场进行了数值模拟并与实验结果进行了比较。结果表明，主流区速度场的数值模拟结果与实验结果符合良好。本文最后对基于粒子追踪(PTV)技术的微流量测量方法进行了初步的研究。将低粒子浓度条件下多次测量的粒子速度进行坏点去除并叠加作为流体层的二维速度，获得了三维全场速度分布和流量值，但有待通过进一步研究提高该方法的测量精度。

关键词：显微粒子图像测速技术微通道微流量三维速度场

基于微纳米颗粒群布朗运动图像分析的微流体温度测量算法

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基于微纳米颗粒群布朗运动图像分析的微流体温度测量算法