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工程热物理学报 2011年第7期32卷 1095-1098页

作者：殷欣何雅玲陶文铨孙杰西安交通大学能源与动力工程学院动力工程多相流国家重点实验室热流科学与工程教育部重点实验室陕西西安710049

采用分子动力学与有限容积法多尺度耦合算法对粗糙微通道内的液体Poiseuille流动进行了模拟。分析了粗糙元高度、分布以及几何形状对通道内流动速度和边界滑移长度的影响。结果表明:随着粗糙元高度的增加,流动速度和粗糙元间隙底部壁面... 详细信息

采用分子动力学与有限容积法多尺度耦合算法对粗糙微通道内的液体Poiseuille流动进行了模拟。分析了粗糙元高度、分布以及几何形状对通道内流动速度和边界滑移长度的影响。结果表明:随着粗糙元高度的增加,流动速度和粗糙元间隙底部壁面上滑移长度均减小;粗糙元分布越密或不同几何形状粗糙元所对应的固壁原子数越多,滑移长度越小,但流动速度变化不大。综合看来,粗糙元高度是影响微通道内液体流动的最主要因素。

关键词：分子动力学多尺度耦合算法粗糙微通道速度滑移

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粗糙微通道输运特性及其在多孔介质中的应用

粗糙微通道输运特性及其在多孔介质中的应用

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作者：柳海成中国计量大学

学位级别：硕士

微流控技术广泛应用于微电子机械系统和光电材料等领域,而粗糙微通道的输运特性对于微流控技术的发展至关重要。不仅如此,粗糙微通道的输运特性对于多孔介质的物理性质也具有重要的影响。因此,研究粗糙微通道的输运特性和物理机理对于... 详细信息

微流控技术广泛应用于微电子机械系统和光电材料等领域,而粗糙微通道的输运特性对于微流控技术的发展至关重要。不仅如此,粗糙微通道的输运特性对于多孔介质的物理性质也具有重要的影响。因此,研究粗糙微通道的输运特性和物理机理对于光电材料、多孔材料、微机电系统以及微流控技术等领域具有重要的科学和实践意义。影响粗糙微通道输运特性的因素众多且机理非常复杂,其中粗糙表面引起的表面效应对于输运特性起主导作用。多项研究表明,粗糙表面在一定尺度范围内满足分形标度定律。因此,本文采用分形几何理论表征粗糙表面的结构特征,结合理论分析和数值模拟研究了粗糙微通道的输运特性及机理,并讨论了粗糙微通道在微纳尺度多孔介质中的应用。本文主要研究内容和结果包括:(1)粗糙微通道的流动特性:分别采用规则粗糙元模型和分形粗糙元模型构建了粗糙微通道的几何结构,研究了入口速度、表面粗糙度、粗糙元形状以及粗糙表面分形维数对于微通道流动特性的影响规律和机理,建立了泊肃叶数和粗糙度、雷诺数以及分形维数的定量关联。结果表明,数值计算结果和实验数据较为吻合,粗糙元结构和表面粗糙度对于微通道的输运特性具有显著影响;相同表面粗糙度条件下,分形维数越大,粗糙表面越不规则,流动阻力越大,泊肃叶数越大。(2)多孔介质粗糙微通道:建立了多孔介质的分形毛管束模型,考虑了微通道的粗糙表面,推导了多孔介质的有效渗透率,数值模拟了分形粗糙微通道的渗流规律。结果显示,孔径分形维数的增加意味着多孔介质孔隙率的增大,多孔介质的渗透率增加;粗糙表面分形维数的增加导致流动阻力增加,微纳尺度多孔介质的渗透率降低。(3)裂缝型多孔介质微通道:建立了裂缝型多孔介质的分形双重介质模型,考虑了微裂缝的粗糙表面,得到了裂缝型多孔介质渗透率和裂缝份数标度关系。计算结果表明,裂缝孔径分形维数的增加和长度分形维数的减小可以提高介质的渗透率,粗糙表面对于微裂缝的输运过程具有重要影响,其渗透率随着表面粗糙度的增加而显著降低。本文的研究对理解粗糙微通道的输运机理和多孔介质渗流规律具有重要的科学意义,有利于进一步推动光电材料、多孔材料、微机电系统、微流控技术、微通道冷却、燃料电池以及非常规油气资源等领域的发展。

关键词：粗糙微通道分形输运多孔介质渗透率

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Gauss型粗糙表面对微通道流动与换热的影响

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农业机械学报 2013年第12期44卷 294-300页

作者：叶仪殷晨波贾文华李萍高俊庭周玲君南京工业大学车辆与工程机械研究所南京211816 南京工程学院机械工程学院南京211167

采用高斯分布描述粗糙表面形貌,提出了利用Coons曲面构造三维矩形粗糙微通道的方法,建立了光滑微通道和三条粗糙微通道。在等温壁面条件下,数值模拟了饱和水在微通道内的层流流动,分析了表面粗糙度对流动阻力特性及传热特性的影响。研... 详细信息

采用高斯分布描述粗糙表面形貌,提出了利用Coons曲面构造三维矩形粗糙微通道的方法,建立了光滑微通道和三条粗糙微通道。在等温壁面条件下,数值模拟了饱和水在微通道内的层流流动,分析了表面粗糙度对流动阻力特性及传热特性的影响。研究结果表明:区别于光滑微通道,粗糙微通道的Po和Nu高于理论值,不再保持常数,随着雷诺数的增大呈近似线性增加;受表面轮廓高度随机性的影响,沿程压降和Nu x呈随机波动式变化,粗糙度越大波动越剧烈;Po和Nu随等效相对粗糙度的增加而变大,且在所研究Re范围内相对粗糙度对层流换热的强化作用比对流动阻力的影响更显著;微通道内等温线向粗糙度大的下表面偏移,温度分布呈现非对称性,随着粗糙度差距的变大,非对称性愈来愈明显。

关键词：粗糙微通道高斯分布 Coons曲面流动阻力传热

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抗粘连透湿膜的制备及膜流道内流动与传热的数值研究

抗粘连透湿膜的制备及膜流道内流动与传热的数值研究

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作者：杨兵华南理工大学

学位级别：硕士

随着经济发展和小型化设备的开发,人们对房间舒适性尤其是室内空气品质的关注度越来越高。膜式全热交换器（MEE）因可以减小空调负荷、调节室内空气品质而被大量投入使用。透湿膜材料作为MEE系统的核心部件,对MEE系统的性能起到决定性... 详细信息

随着经济发展和小型化设备的开发,人们对房间舒适性尤其是室内空气品质的关注度越来越高。膜式全热交换器（MEE）因可以减小空调负荷、调节室内空气品质而被大量投入使用。透湿膜材料作为MEE系统的核心部件,对MEE系统的性能起到决定性作用。然而,目前市售的透湿膜材料性能普遍较低,而部分研究人员开发的透湿膜材料虽然性能很好,但因膜具有强粘连性而无法实现工业化生产。因此,本文旨在开发出一种具有较低粘连力的新型高透湿膜材料,同时通过计算流体动力学（CFD）的数值模拟方式,探讨透湿膜微通道内膜粗糙度对流体流动和传热的影响。具体研究内容如下:首先,对市售MRLD-01膜的结构和成分进行表征,同时采用具有更大孔径和孔隙率的聚偏氟乙烯（PVDF）膜材料作为支撑层,对MRLD-01膜进行性能分析。结果表明:MRLD-01膜是以PP多孔膜为支撑层,以聚硅氧烷为活性致密皮层的一种双层结构的复合膜。MRLD-01膜的接触角为92.9°,透湿性能较差。同时还发现,膜的透湿性能主要由致密皮层的传质阻力所决定,提高致密皮层的传质性能是提高膜透湿性能的关键。多孔膜不能阻止CO气体的渗透,而致密膜可以有效阻止CO气体的渗透。其次,利用N-乙烯基吡咯烷酮（NVP）和吸湿性盐对MRLD-01膜的皮层成分进行亲水改性,探讨了NVP和VTMO的最佳反应条件,以及不同吸湿性盐对膜透湿性能的影响。结果表明:本文开发的新型透湿膜材料,其水蒸气最大吸附量W是MRLD-01膜的10倍,达到了1851.7×10kg/kg。同时在空气流速为0.06 m/h时,其透湿效率比MRLD-01膜提高了13.65%。此外,与相关学者开发的透湿膜材料相比,本文开发的新型透湿膜材料,除了表面具有凹凸面和更小的分子支链以外,本文均未添加能够和膜表面发生反应的低分子添加剂。即有效保证了本文开发的新型透湿膜材料在具有较高透湿性能的同时,具有较低的粘连力,能够实现工业化生产。最后,本文基于FFT的高斯分布法建立了随机分布的粗糙表面,并通过调节自相关长度还原了真实的膜表面结构,随后对不同相对粗糙度的透湿膜微通道进行流动和传热的特性研究。结果表明:由于粗糙度的存在,在粗糙壁面附近会出现旋涡,旋涡会扰动流体边界层,增大流体的换热能力,同时也增大了流道的阻力。另外,充分发展段沿程方向上的f Re、局部努塞尔数Nu 和局部舍伍德数Sh 表现为随机波动的趋势,不再是一个定值,并且相对粗糙度越大,f Re、Nu 和Sh 的波动程度越大。针对二维平行透湿膜微通道,本文提出了平均努塞尔数Nu、平均舍伍德数Sh和f Re关于膜相对粗糙度的经验公式。与前人提出的经验公式相比,本文所提出的经验公式具有更小的误差,具有一定的参考意义。

关键词：膜式全热交换器透湿膜抗粘连粗糙微通道流动与传热

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异构表面微通道内电渗流与微混合研究

异构表面微通道内电渗流与微混合研究

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作者：肖水云南昌大学

学位级别：硕士

微流控芯片是在一块几平方厘米的芯片上集成生物、化学实验室基本功能单元的技术平台,对于分析仪器的微型化,集成化具有重要的意义。电渗流(EOF)是一种高效的微流体操控技术,其在微流控芯片技术中已有广泛的应用,如微流体输送,DNA排序,... 详细信息

微流控芯片是在一块几平方厘米的芯片上集成生物、化学实验室基本功能单元的技术平台,对于分析仪器的微型化,集成化具有重要的意义。电渗流(EOF)是一种高效的微流体操控技术,其在微流控芯片技术中已有广泛的应用,如微流体输送,DNA排序,细胞分离等。本文针对EOF中的复杂粗糙表面效应、瞬态特性以及微混合进行了研究。主要的研究内容和成果如下:采用有限元法(FEM)数值模拟了Poisson-Nernst-Planck(PNP)模型的粗糙微通道内幂律流体EOF。研究了正弦粗糙元和准分形粗糙元对微通道内幂律流体EOF流动特性的影响,研究结果表明,正弦粗糙元或准分形粗糙元凸起处和凹陷处的双电层电势和外加电场电势分布趋势相反;幂律流体EOF流量随着两种粗糙元相对高度或准分形粗糙元迭代次数的增加而减小,随着准分形粗糙元分形维数的增加而增大,且在频率为2.2时EOF流量最小。采用格子Boltzmann方法研究了横向交变电场驱动EOF和纵向交变电场调控EOF的瞬态特性,研究结果表明,EOF瞬态速度大小与交变电场幅值和溶液离子浓度成正比,与交变电场频率成反比。对于横向交变EOF,微通道中心区域的流体的运动滞后于EDL内流体;对于纵向交变EOF,微通道上下壁面的电极板对数、间距和电极板极性对流体的流动影响巨大,会改变微通道内EOF速度方向以及漩涡数量和大小。采用FEM对比分析了三种T型微混合器内流场和浓度场的分布,并研究了Reynolds(Re)数和Schmidt(Sc)数对流体混合效率的影响。研究结果表明,两种溶液的混合效率随着Re数和Sc数的增加而减小,且减小趋势变缓;嵌入肋板的被动式混合强化模型内的混合效率在两块肋板附近剧烈波动;增加壁面非均匀Zeta电势的主动式混合强化模型内混合效率沿水平微通道方向上波动较小,且这种波动在高Re数或低Sc数时会被抑制。当Re数较小时,增加壁面非均匀Zeta电势的主动式混合能更好地提高溶液的混合效率,但当Re数较大时,嵌入肋板的被动式混合的混合效果更好。

关键词：电渗流粗糙微通道格子Boltzmann方法瞬态特性微混合

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