微通道中燃气流流动规律实验研究(2)
3.2.1 实验结果 13
3.2.2 实验结果分析 15
3.3 微管管径对微管阻力特性的影响 16
3.3.1 实验结果 16
3.3.2 实验结果分析 16
3.4 实验结果综合对比分析 17
3.5 实验误差来源及需要解决的问题 19
3.6 对微尺度下流体传热特性的探索 19
结 论 21
致 谢 22
参考文献23
1 引言
1.1 研究背景与意义
近年来，自然科学技术及工程技术领域发展呈现出的一个重要趋势是朝着微型化迈进，微机械制造技术也得到了极大地发展，这些对微电子机械系统(MEMS)在各个行业内的应用有极大地促进作用。随着微电子机械系统在易燃易爆危险品的日常生产、微型换热器、微型燃料电池及其车载燃料系统等领域中的广泛应用，流体在微尺度下的流动与传热问题就越来越重要，也受到了研究者们高度的重视。截止目前研究者已经进行了大量的研究探索工作，他们发现流体在微尺度下的流动与传热现象存在着许多不同于常规尺度的现象，常规尺度下流动与传热的规律也不能完全适用于微尺度下的流动与传热。因此需要研究哪些在宏观尺度下可以忽略的因素却在微尺度下对流动和传热能够产生明显的影响，对此研究者们通过对微尺度下摩擦阻力特性的研究来研究流动与传热特性[1-5]。系统的研究流体在微尺度下的流动与传热特性，构建并完善微尺度燃烧理论体系，不仅可以推进微机械制造技术的进一步发展，也将推进微电子机械系统(MEMS)在现有行业内更广阔的应用，继而加快自然科学技术微型化发展的步伐。
1.2 微尺度流动的影响因素
在微尺度的流动中，当流体分子的平均自由程量级远小于通道的特征尺度的量级时，即便常规尺度下基于连续介质假设的模型和方程仍可以使用，但是由于流体的流动特性尺度的变小，各种因素对流动的影响作用都发生了或大或小的变化，从而引起微尺度下的流动规律不同于常规尺度下的规律。当流体分子的平均自由程量级与通道的特征尺度量级在同一层次时，基于连续介质假设的模型和方程就不能在微尺度下使用。在微尺度下的流动中，还存在壁面滑移、表面效应、黏性加热、可压缩性等效应，分子间作用力等非常规效应也应加以考虑[10]。
近年来，大部分研究者认为，引起常规尺度流动规律与微尺度流动规律差异的因素主要有尺度效应、表面相对粗糙度、进出口效应、流体极性及气泡的影响等[8-10]。
（1）尺度效应 ：
流体运动无论是在微尺度还是常规尺度下，主要有体积力和表面力作用于流体上。长度可以用来表征作用力，随着流动尺度的减小，表面积与体积的比值将增大，强化了表面效应的作用，同时还直接影响流体的质量、动量和能量在流体表面的传输。
（2）表面相对粗糙度：
在微尺度流动中，虽然管内流动几乎为层流，但是随着管道尺寸的减小，管道内壁相对粗糙度（粗糙度与管径之比）增大，由此引起了影响强烈的表面效应。在微细管道内，即使管道内壁粗糙度较小，但内壁粗糙度引起的微小扰动也会影响一定区域内的的流动。在微尺度下的流动中，不仅仅粗糙度单元的大小对流体的流动有一定的影响，粗糙度单元的分布情况也会对流动产生相应的影响。
（3）进出口效应