多孔介質(zhì)微流動特性的實驗研究

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1、致謝非常榮幸能在中國計量學院度過兩年半的研究生生涯，在這短短兩年半的時間里，我受益良多，感悟良多，感慨萬千。如今，研究生的生涯也即將離我遠去，在這里對陪伴我度過研究生生涯的老師和同學們表示深深的感謝。首先，我要感謝我的導師王昊利教授的悉心指導。王老師淵博的知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，創(chuàng)造性思維，以及忘我的敬業(yè)精神永遠值得我學習。導師不僅在課題上引導我，更是生活中讓我明白了很多做人的道理，這些寶貴的精神財富將使我終身受益。感謝恩師在這兩年半時間里在科研上和生活上給予的關(guān)心和幫助，在此謹向我的恩師致以最誠摯的謝意，祝福恩師工作順利，身體健康，桃李滿天下。感謝我的師姐韓巍，師兄徐

2、明，麻程健，師妹翟美紅，師弟史飛，趙攀杰給予我學習以及實驗上的幫助，是徐明師兄教會了我使用Micro-PIV，師妹翟美紅幫助我實驗，麻程健在日常生活中給了我很多幫助，我感受到了同門師兄弟、師妹間的情誼與溫暖。感謝寢室的于君坦，田鵬飛，1204的劉丁發(fā)，劉富海，宮通勝，還有組織里的樊奇，梁雪敏，秦廣素等小伙伴們在研究生學習期間對我的關(guān)心和支持，因為有了你們，研究生生活才更精彩。同時，我還要感謝我的家人，感謝你們對我的支持。王鵬偉2014年9月萬方數(shù)據(jù)多孔介質(zhì)微流動特性的實驗研究摘要：多孔介質(zhì)在自然界和生物體內(nèi)廣泛存在，其結(jié)構(gòu)復雜多變，揭示其內(nèi)部流場及壓差特性對于研究多孔

3、介質(zhì)流動過程、動量、能量及質(zhì)量的復雜輸運機理具有重要意義。本文利用MEMS技術(shù)設計加工了兩種不同結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)模型：微柱群型和微珠填充型。采用Micro-PIV技術(shù)和高精度的微差壓變送器對多孔介質(zhì)模型的流場和壓差特性進行研究。首先，采用Micro-PIV技術(shù)測量了雷諾數(shù)為0.1~1時微柱群中間層的流場（20×物鏡，1μm粒子），在速度分布的基礎(chǔ)上計算了剪切應力的分布。結(jié)果表明，速度場沿流向和展向均具有良好的對稱性，符合低雷諾數(shù)流動特征。另外發(fā)現(xiàn)均勻排列微柱群多孔介質(zhì)模型相鄰兩列圓柱之間存在兩條對稱流線，其上流速不變；非均勻排列微柱群模型相鄰兩列圓柱之間存在兩條不對稱的

4、流線，其上流速不變。利用Micro-PIV系統(tǒng)的高精度移動平臺采集二維流場，并構(gòu)建三維流場，流場反映了多孔介質(zhì)內(nèi)的全場流動特征。剪切應力的均方根計算結(jié)果表明，不同結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)模型剪切應力的均方根與雷諾數(shù)呈線性關(guān)系。隨后，利用Micro-PIV技術(shù)測量了微珠多孔介質(zhì)模型中不同位置以及不同流量時的流場，并對粒子圖像的處理方法進行了探索。測量結(jié)果表明，在微尺度條件下空隙大的地方速度值比較大。微珠空隙間的流場具有明顯隨機分布特征。采用概率密度函數(shù)對速度分量u，v進行了分析，統(tǒng)計結(jié)果表明沿展向方向速度分量呈高斯分布，且速度分量無量綱化之后的統(tǒng)計結(jié)果基本不受流量和微珠直徑變化的

5、影響。統(tǒng)計結(jié)果與文獻結(jié)果進行了對比，統(tǒng)計曲線基本相同，峰值部分有所差異。最后，用微差壓變送器測量了空氣通過微柱群模型和微珠填充模型的壓差。結(jié)果表明，無論微柱群模型還是微珠填充模型壓差都與流量呈線性關(guān)系。壓差隨著孔隙率的增加而遞減，其遞減規(guī)律與剪切應力的均方根相似，由此可見，多孔介質(zhì)流動的壓差主要源于由速度梯度引起的剪切能量損失。計算了柱群多孔介質(zhì)的滲透率，結(jié)果表明不同結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)模型的滲透率和孔隙率變化關(guān)系不同。關(guān)鍵詞：多孔介質(zhì)；微流體粒子圖像測速儀；流場；剪切應力；壓差分類號：中圖分類號O368；UDC530I萬方數(shù)據(jù)ExperimentalStudyontheM

6、icroFlowCharacteristicsinPorousMediaAbstract:Porousmediawidelyexistinthenatureandindustry,andtheirstructuresareverycomplexandchangeable.Studyingtheinternalcharacteristicsoftheflowfieldandpressuredifferenceareimportantforunderstandingthecomplexmomentum,energyandmasstransferinporousmedia.

7、Inthisstudy,theMEMStechnologyisusedtoprocesstwodifferentkindsofporousmediamodels.Oneisthekindofmicro-cylinderporousmediaandtheotherispackedmicro-beadsporousmedia.ThecharacteristicsoftheflowfieldandpressuredifferenceintheporousmediamodelsarestudiedbyMicro-PIVtechniqueandhighprec