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1、微通道內(nèi)流體流動的阻力特性葉昕王櫻，刁彥華，趙耀華(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京，100124)背景隨著微流體器件和微型傳熱裝置被大量的運用于工質(zhì)輸送以及熱量傳遞，微尺度傳熱學(xué)逐漸成為國際傳熱界研究的熱點問題。從20世紀(jì)80年代起，便有大量文獻(xiàn)對微通道內(nèi)流動和換熱特性進(jìn)行了實驗研究。迄今為止，眾多學(xué)者關(guān)于微通道內(nèi)流動阻力特性的研究所得的結(jié)論還很不一致，不同研究者的結(jié)論大相徑庭，甚至相互矛盾。目前，微管中流動阻力特性的實驗研究方法主要分為兩種：一種直接在微通道內(nèi)部布置壓力傳感器；另外一種為直接在微通道進(jìn)出口的連接管道上連接壓力傳感器。由于管徑較小，直
2、接在管道上開孔困難，而且費用往往很高，因此眾多研究者往往采用第二種測壓方法，測出壓降后，利用公式求得摩擦阻力系數(shù)。大多數(shù)學(xué)者在采用這種方法的過程中忽略流體的入口效應(yīng)對流動阻力特性的影響。眾所周知，對于常規(guī)管道而言，通道內(nèi)的入口段長度與長徑比以及Re都有關(guān)，其長度可用公式加以計算得到，而微通道內(nèi)入口段長度的研究是隨著微小尺度下流動特性的研究才引起人們注意的。眾多文獻(xiàn)中提到的微管道內(nèi)入口段長度的確定方法很不一致，目前還沒有形成統(tǒng)一的公式。本文提出了研究具有不同長徑比的粗糙微通道內(nèi)流動阻力特性的實驗研究，重點研究微通道內(nèi)入口效應(yīng)和粗糙度等因素對流動阻力特性
3、的影響。實驗裝置和實驗方法圖1所示實驗臺可以提供0~1.6MPa的壓力，圖2所示實驗系統(tǒng)可用于系統(tǒng)壓力高至6.0MPa時的實驗工況。圖1中實驗系統(tǒng)由高壓氮氣瓶供壓，經(jīng)氧氣減壓閥后壓力減至1.5MPa，貯液罐中裝液體工質(zhì)，液體在高壓氮氣驅(qū)動下流經(jīng)在線過濾器(最小濾膜孔徑7μm)后進(jìn)入實驗件。圖2中實驗原理和圖1一樣，但是所有實驗件承壓能力較高。微管橫截面幾何尺寸采用環(huán)境掃描電鏡來測量，內(nèi)壁面粗糙度由掃描電鏡內(nèi)壁面電鏡圖來進(jìn)行估算。掃描電鏡橫截面圖像如圖3所示：圖3(a)為微管端面掃描電鏡圖，圖3(b)為微管內(nèi)壁面掃描電鏡圖。微管長度用游標(biāo)卡尺(精度為0
4、.02mm)測量。微管幾何特性尺寸測量結(jié)果如表1所示*1/*2/*3/*4#5#6(a)微管端面掃描電鏡圖*1/*2/*3/*4#5#6(b)微管內(nèi)壁面掃描電鏡圖圖3微管掃描電鏡圖表1微管的幾何特性實驗結(jié)果及分析摩擦阻力系數(shù)計算方法當(dāng)流過微管的流體流量恒定時，其摩擦阻力系數(shù)f、泊肅葉數(shù)Po和雷諾數(shù)Re的計算公式為：式中為運動粘度。式(1)中△P是微管兩端的壓差Po=f?Re由于微管幾何尺寸較小，受條件限制微管不是很長，因此需要在實驗數(shù)據(jù)處理中消除進(jìn)出口處各種壓力損失的影響：包括截面突然收縮、流體加速造成的壓力損失，入口處渦流、加速、撞擊及轉(zhuǎn)向造成的局
5、部壓力損失，以及流動入口段速度剖面變化[12]。其中，v是實驗工質(zhì)的密度，Dh和L分別為微管的水力直徑和長度，u是微管內(nèi)流體的平均速度，其計算公式為：其中M為微管內(nèi)流體的質(zhì)量流量，S是微管的橫截面積。誤差分析本實驗臺主要測量儀器的精度為：壓力傳感器精度均為0.1%，溫度測量采用鉑電阻，其精度為±0.1℃，電子天平的精度為1mg，微管內(nèi)徑采用環(huán)境掃描電鏡得到，但是考慮到圖像處理方面的誤差，最終內(nèi)徑測量誤差會達(dá)到3.04%。微管內(nèi)流量及流速測量的誤差：測量流量與流速時，時間測量值大于2min，其分辨度為100ms，另外測量過程中考慮到操作等所引起的誤差，
6、因此預(yù)計流量的測量誤差達(dá)到0.5%，此外微管內(nèi)徑測量誤差將引起流速的測量誤差，試驗工況的穩(wěn)定對測量流量與流速的影響很大。綜上所述，微管幾何尺寸的測量誤差是實驗的主要誤差，其次實驗工況的穩(wěn)定性對實驗的測量影響也很大。因此，提高實驗精度除了提高測量精度外，很重要的是解決微管的內(nèi)徑幾何尺寸的均勻性以及減少實驗誤差。Lorenzini等通過分析壓降、出口壓力、溫度、長度、內(nèi)徑和流速對圓管內(nèi)摩擦阻力系數(shù)的影響之后也認(rèn)為，在低雷諾數(shù)下流速和壓降的測量影響最后的誤差，在高雷諾數(shù)下內(nèi)徑對流動阻力特性的影響更大，表明設(shè)備儀器的精度影響了實驗的誤差。實驗結(jié)果及分析常規(guī)尺
7、度下，圓管內(nèi)層流流動時流動阻力特性符合經(jīng)典層流預(yù)測關(guān)系式，即Po=f?Re=64在常規(guī)尺寸充分發(fā)展層流區(qū)(Re<2300)摩擦阻力系數(shù)f?Re值取決于高寬比α(0<α<1)，White[14]解出矩形微槽層流區(qū)的摩擦阻力常數(shù)，Hartnett[15]等擬合出它的多項式方程：Po=f?Re=96(1-1.3553α+1.9467α2-1.7012α3+0.9564α4-0.2537α5)通過測量微管進(jìn)出口壓力、溫度和流量，我們可以利用公式(1)~(4)計算出微管的摩擦阻力系數(shù)f、泊肅葉數(shù)Po和雷諾數(shù)Re，再將微管的摩擦阻力系數(shù)f與常規(guī)管內(nèi)的層流區(qū)流動阻
8、力特性關(guān)聯(lián)式的理論計算值進(jìn)行比較，作出微通道內(nèi)流動阻力特性的曲線圖如圖4~9所示上圖為粗糙微圓管的摩擦阻力特
