低雷诺数下液体的微尺度流动与传热
微通道流体物性对流动与传热影响的数值模拟和实验研究
A 辑 2008 年第 4 期
1 前言
随着科技的进步，在电子元件芯片高密度、低 线宽的发展趋势下，单位面积散发的热量也跟着上 升。散热的问题成为未来能否提升效率的最大 关 键。微通道散热器是一种创新的冷却技术[1]。探讨 微尺度通道与传统流道的流动特性和传热特性 之 间的差异非常有必要性。近些年来，国内外对微通 道内流动和传热现象已有大量的研究文献和报道。 Qu 和 Mudawar[2]对微矩形通道（宽 57μm，高 180 μm）内的传热和流动进行数值模拟计算。采用水 为冷却介质，假设各物性参数均为常数。结果显示， 流体和固体的温度沿流动方向线性增加，最高温度 出现在微通道的出口处的加热上表面。热流密度和 Nu 数在进口处有最大值，但在边角区域几乎为零。 Toh 和 Chen [3]等人对矩形微通道内的流动传热进行 详细的讨论。模型假设流体各物性参数随温度 变 化。发现特别在低雷诺数时，由于加热的原因，流 体温度升高。导致流体黏度减小，摩擦系数降低。 在现有文献中，大多数的研究都是建立在流体物性 为常数的前提下进行的。但在低雷诺数的情况下。 如果系统存在较大温度差，那么随温度变化的物性 参数也会有较大的波动。
高为 200μm，工质采用去离子水。讨论流体热物性随温度变化对流动传热特性的影响。并把实验数据、模拟结果和文献
参考值比较。结果显示，恒热流边界条件下，由于热量加入导致流体温度沿流动方向升高，摩擦系数沿流动方向有递减趋
势。进口处的 Nu 数有最大值，在 L*=0.2 处降到最小值，之后又攀升到充分状态时的 Nu 数值。在充分发展段，Nu 数保持
表 1 微通道换热 芯片结构尺寸/μm
Wch
H
Ww
S
Wh
Lh
Nch
50 200 100 475 60 10000 64
微管道内液体低速流动的实验研究
关键词
微管道，阻力系数，牛顿流体，低速，启动压力
1. 引言
随着中高渗透油气资源的逐渐枯竭，以及日益增长的油气需求，低渗透油气资源将成为油气开采的 主要方向。低渗透油藏由于渗透率低，孔隙喉道细小，渗流环境复杂，流体在多孔介质中的流动特征和 机理受到流体性质、多孔介质性质以及二者之间相互作用等因素的影响和控制，因而油水渗流的特点及 规律要比中高渗透储层复杂得多[1]。实际低渗透油藏中，由于孔隙半径和边界层厚度几乎在同一数量级 上或者更小，再加上多孔介质以及粘土的影响，这种固一液边界层的影响会大大增强，边界流体占孔隙 系统中流体的比例增大，边界层对渗流的影响已经不容忽略，甚至会使渗流偏离达西渗流规律，呈现非 线性特性并存在启动压力，即只有当驱动压力梯度大于某孔道的启动压力梯度时，该孔道中的流体才开 始流动。尽管大量的室内模拟实验与矿场实验对以上流动特性做出了很好的证明，但目前研究者对油藏 启动压力的存在性和产生机理还存在争论[2]。大部分学者认为，低孔隙度、低渗透率油气藏存在启动压 力梯度，启动压力大小与渗透率相关[3]。少数学者认为启动压力不存在的观点是认为之所以在一定压力 梯度时才有流量，主要原因是实验稳定时间不足、储层伤害表皮效应以及毛管力所致[4]。 由于储层岩石结构复杂，为了研究微细孔道内的液体流动特性，很多学者利用毛细管或微管道来模 拟储层缝隙中的流动。宋付权[5]以 Hagen-Poisseuille 定理为基础，通过对比分析了低渗透多孔介质和微 管中液体流动的规律， 并预测了微管中液体流动出现微尺度效应的尺度约为 1 微米， 但未得到实验验证。 李洋[6]通过实验研究了去离子水在半径为 2.5μm~10 μm 微管中的流速和流量特征， 研究结果表明：微 管中流体的低速流动具有非线性特征，且随着微管半径的减小，流动的非线性程度增强。徐绍良[7]研究 了去离子水在内径为 2 μm 和 5 μm 微圆管中的流动特性，得到了去离子水在微圆管中边界层流体厚度随 压力梯度的变化曲线，发现随着压力梯度的增加，边界层流体厚度呈指数衰减趋势。但是，另外一些研 究者实验结果却表明液体在微尺度下的流动规律依然符合宏观尺度下的 Poiseuille 定律。 江小宁[8]用水在 直径为 8~42 μm，管长为 1~10 cm 的微管中进行实验，实验结果与理论计算吻合，流动符合宏观流动规 律。流动规律仍符合连续介质假设的经典流体力学模型。 目前测量微管道中启动压力的方法主要有“压差–流量法”及“毛细管平衡法”，前者是通过压差– 流量曲线的外推得到启动压力，测量精度受到影响，且外推方法的理论基础存在问题；后者虽然能够测量 得到启动压力，但是测量时间要求很长，而且无法得到流量与压差之间的变化规律。需要指出的是，以上 两种方法测量的结果存在差异，其原因是利用流量法测量启动压力时通常采用氮气瓶等高压气源，驱动压
低雷诺数和瑞利数通道流动中的流型和传热强化
２３ 热电偶和热线探针 ． 翅化通道的下表面温度通过嵌入铜板的 ７ 根热 电偶获得 。通道的上表面温度通过安
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核
动
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第 ４期
低 雷诺 数 和瑞利数通 道流 动 中的 流型 和传 热强化
Ｈ． ａ ｇ Ｚｈ ｎ
（ 新加坡南洋理工大学机械和制造工程系 ）
摘要 ｔ本文对 通过水平 矩形通道 空气流 动的浮力驱 动流型和传热特性进行了实验研究 。 通道 的纵横 比为 ６ ，对其底 部和侧 壁面进行加热 ， 对上壁面进行冷却 。实验中 Ｒ￣ ０ Ｒ ｅ４ ， ａ数 的范围为 １０ ４０ 。 ０ — ２ ０在不同热， 流动条件下同时对通道上壁面的＿ 数和温度分布进行测量 ， Ⅳ
当 数以 ４ 个数量级 的速率降低时， 在低 鼢 数时的传热也因为电子设备 的小型化而降 低 。本文 的目的就是要研究在一个较小水平翅化通道内的流动和传 热 ， 并探索在低 砌 数和 ｍ 数时的传热强化方法 。 本文研究的热不稳定性基本机理为 ＲＢ对流 ， ． 它发生在 ２ 个水平平行板间，其 中上 板为冷 的，下板为热的。由于冷体的布置导致了重流体位于热流体的上部 ，这就带来 了 潜在的不稳定性 ，小的扰动将导致潜能的释放从 而驱使流体形成有规律的对流流型 。瑞 利发展了这种情况下 的流层对流不稳定性理论【，并表明只有当不利的温度梯度足够大 ｌ Ｊ 且 砌 数超过临界值 １０ 时才会出现这种不稳定性 。Ｃ ａｄａｅａ 的专题论文 中对 ＲＢ ７８ ｈｎｒｓ ｒ ｋ － 对流进行 了讨论【。 ＲＢ对流之前 的传热 为纯导热 ， Ⅳ ＝ 时一般效果很差。 Ｒ Ｂ ２在 － 】 当 ｈ ｌ 在 －
将对传热产生重要的强化作用。
微通道内流场分布对传热性能影响
微通道内流场分布对传热性能影响一、微通道内流场分布的基本概念微通道是指尺寸在微米到毫米级别的通道，它们在热交换器、微流体器件和生物医学设备等领域有着广泛的应用。
微通道内的流场分布对这些设备的传热性能具有重要影响。
流场分布涉及到流体的流动模式、速度分布以及流体与通道壁面的相互作用。
在微尺度下，由于尺寸效应和表面效应的显著性，微通道内的流动和传热特性与传统宏观尺度的通道有显著不同。
1.1 微通道流动特性微通道内的流动可以分为层流和湍流两种基本类型。
在微通道中，由于其尺寸较小，雷诺数通常较低，因此层流是更为常见的流动状态。
层流状态下，流体的流动是有序的，流体粒子沿着平行于通道壁面的直线路径运动。
然而，在某些条件下，例如增加流速或引入扰动，微通道内的流动也可能转变为湍流状态，此时流体的流动变得无序和混沌。
1.2 微通道传热机制微通道内的传热机制主要包括导热、对流和辐射三种方式。
在微尺度下，由于流体的热扩散率较高，导热成为主要的传热方式。
对流传热则依赖于流体的流动，通过流体的宏观运动实现热量的传递。
辐射传热在微通道中通常不是主要的传热方式，但在高温或特殊材料的应用中也需要考虑。
1.3 微通道流动与传热的耦合效应微通道内的流动和传热是相互耦合的。
流体的流动状态会影响传热效率，而传热过程也会反过来影响流体的流动特性。
例如，流体在加热或冷却过程中可能会发生密度变化，进而影响流动模式和速度分布。
二、影响微通道内流场分布的因素微通道内流场分布的复杂性来源于多种因素的相互作用，这些因素包括流体的物理性质、通道的几何结构、操作条件等。
2.1 流体物理性质流体的物理性质，如密度、粘度、比热容和热导率，对微通道内的流场分布和传热性能有显著影响。
例如，高粘度流体在微通道中的流动阻力较大，可能导致较低的流速和不同的速度分布。
此外，流体的热物性也会影响其在微通道中的传热效率。
2.2 通道几何结构微通道的几何结构，包括其尺寸、形状和表面特性，对流场分布和传热性能有着直接的影响。
低雷诺数下湍流流动特性的数值模拟与分析
低雷诺数下湍流流动特性的数值模拟与分析湍流流动是一种非常常见且复杂的流动形式，在许多工程和自然现象中都广泛存在。
要准确地预测和理解湍流流动的行为，数值模拟成为一种重要的工具。
低雷诺数下湍流流动是指雷诺数比较小的条件下的湍流流动，这种情况下流体的惯性效应较小，粘性效应较为显著。
为了进行低雷诺数下湍流流动的数值模拟与分析，我们首先需要确定适合的数值方法和数值模型。
对于湍流流动，常见的数值方法有直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）和雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS）等。
在低雷诺数下，直接数值模拟是可行的，因为湍流的时间和空间尺度都可以在计算范围内详细地解析。
直接数值模拟适用于小尺度问题，但计算成本较高。
另一种方法是大涡模拟，通过模拟和解析大尺度涡旋的运动，较小尺度的湍流结构可通过子网格模型估计。
而雷诺平均纳维-斯托克斯方程则通过对湍流场进行平均处理来降低计算成本，但模型的准确性可能会受到影响。
在数值模拟时，我们需要选择合适的数值网格，以确保计算结果的准确性和稳定性。
一般来说，较小尺度的湍流结构需要更细的网格进行模拟，以充分捕捉湍流的细节。
在低雷诺数下，流场的影响范围相对较小，可以使用结构化网格或非结构化网格，具体选择要根据具体问题而定。
另外，数值模拟过程中还需要考虑湍流模型的选择。
湍流模型是描述湍流流动中的粘性损失和湍流的传输特性的数学模型。
常见的湍流模型有充分发展的k-ε模型、k-ω模型和雷诺应力输运模型等。
对于低雷诺数下的湍流流动，应特别注意选择适合较低雷诺数下流动的湍流模型，以准确描述其中的复杂性。
在进行数值模拟时，我们需要设定适当的边界条件和初始条件。
边界条件是指在流场的边界上给定的速度、压力和温度等参数，初始条件是指在初始时刻给定的流场状态。
边界条件和初始条件的设定应基于实际问题，并尽可能准确地反映真实流动情况。
完成数值模拟后，我们需要对模拟结果进行分析。
可以从时间和空间尺度、速度和压力分布、湍流能量谱等方面对湍流流动进行分析。
微尺度流体液力学与传热特性研究
微尺度流体液力学与传热特性研究第一章引言流体力学和传热学是物理学的两个分支，它们分别研究流体的运动和与物体之间的热传递。
在微尺度下，流体的流动和传热特性往往与传统尺度下的情况有很大不同，这使得微尺度流体力学和传热学成为了一个热点研究领域。
第二章微尺度流体力学微尺度流体力学研究的主要是微观尺度下的流体行为，主要包括微通道流、微纳米颗粒悬浮体、微纳米流动和微纳米流体特性研究等。
微尺度流体力学与传统流体力学的不同之处在于，微尺度下的流体运动主要受到分子效应和表面效应的影响。
微尺度流体力学研究中的主要问题包括：纳米通道流体的输运机理和性质、纳米尺度的流体相变、微尺度下的流体稳定性和混合、微通道流中的传热过程以及微纳米流动中的流动稳定性等。
第三章微尺度传热学微尺度传热学主要研究微尺度下的传热特性，包括对于微观物质热传递机理的研究以及针对微观传热问题的解决方案。
在微尺度下，分子热传递是十分重要的。
微尺度传热学的主要问题包括：微流混合中的传热增强、纳米流体的相变传热、微观尺度下的液-液传热、界面传热，以及微观传热与微观流体力学的耦合等。
第四章微尺度流体力学与传热特性的重要性微尺度流体力学和传热学的研究对于微纳米器件和系统的设计和制造具有非常重要的意义，因为这些器件和系统的效率往往受到微观尺度下的流体力学和传热特性的影响。
比如，在微纳米元件中，微通道的增强传热和制冷效果是非常重要的。
研究微通道流中传热特性的机理和提高热传递效率是这一领域关注的重点。
此外，还可以应用微纳米流体力学和传热学的知识来设计高效的微纳米传感器和微纳米能量转换器等。
第五章结论微尺度流体力学和传热学的研究领域涉及到多个方面，包括微纳米元件、微纳米系统、生物体系等，发展非常迅速，对于推动微纳米技术的发展具有重要意义。
未来我们可以通过更多的理论和实验研究来深入挖掘微尺度流体力学和传热学的奥秘，进一步开发和设计出更加智能化、有效率的微纳米器件和系统。
低雷诺数下三维后向台阶流的流动与传热特性研究
ｄ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｏ ｗ ｓｔ ｎ ｒ ｅ ａ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｔ ｅ ｐ， Ｎｕ ｓ ｓ ｅ ｌ ｔ ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ ｄ ｅ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｓ ｒ ａ ｐ ｉ ｄ ｌ ｙ ａ ｎ ｄ ｔ ｅ ｎ ｄ ｓ ｔ ｏ ｂ ｅ ｃ ｏ ｓｔ ｎ ｎｔ ａ ． Ｄ ｕ ｅ ｔ ｏ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｅ ｃ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｓ ｉ ｄ ｅ
ｔ ｒ ａ ｓｆ ｎ ｅ ｒ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ ｂ ｃｋ ａ ｗ ａ ｒ ｄ － ｆ ａ ｃ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｅ ｐ ａ ｔ ｌ ｏ ｗ Ｒ ｅ ｙ ｎ ｏ ｌ ｄ ｓ ｎ ｕ ｍｂ ｅ ｒ ． Ｔ ｈ ｅ ｇ ｏ ｖ ｅ ｒ ｎ ｉ ｎ ｇ ｅ ｑ ｕ ｔｉ ａ ｏ ｎ ｓ ｎｄ ａ ａ ｐ ｐ ｒ ｏ ｐ ｒ ｉ ｔ ａ ｅ ｂ ｏ ｕ ｎ ｄ ａ ｒ ｙ
第 ４期
２ ０ １ ７年 ４月
机 械 设 计 与 制 造
Ｍａ ｃ ｈｉ ｎｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎ ｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ４３
低 雷诺数 下三 维后 向 台阶流的流动与传 热特性研 究
徐 加辉 ， 喜 冠南
（ 南通大学 机械工程学院 ， 江苏 南通 ２ ２ ６ ０ １ ９ ）
低雷诺数脉动流传热二次流关联性分析
化(学(工(程
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((在工程应用中%经常会遇到一些高黏度或者低 流速条件下的传热)&* ' 如石油炼制(食品加工等生 产过程为高黏度传热过程%长链的药品生产过程不 允许搅拌或湍流流动%微小通道换热器中由于流道 水力直径很小%流体的黏性在这种条件下占据了主 要位置%流体呈现层流流动状态%绝大多数微机电系 统和微流体系统要求其内部流体流动限制在层流范 围内以限制其结构尺寸和所需泵功)$* ' 如何在低
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液体的雷诺数与温度的关系
液体的雷诺数与温度的关系你有没有想过，为什么温暖的咖啡在搅拌时比冷的水要更容易搅动？嗯，别看这只是个小小的生活细节，其实它跟“液体的雷诺数”有点关系。
说到雷诺数，它听起来像是某个高大上的物理学概念，对吧？但雷诺数就是在描述液体流动的时候，流动是否会变得不稳定或者混乱，或者说，它是衡量流体是否会“暴走”的一个数字。
对，就是这样简单直接。
不过，今天我们不谈它有多高深，而是聊聊温度到底怎么影响这个雷诺数。
你可能知道，温度变化对液体的粘性有很大的影响。
就拿水来说吧，温暖的水比冷水要流得快些，因为它的粘性变小了。
你想想看，冰箱里的水就像粘稠的果冻，搅拌起来手都快麻了；而一旦它变热了，水就轻松多了，像是滑溜溜的油。
更有意思的是，雷诺数和这些变化密切相关。
温度越高，液体的粘性越低，雷诺数也就越大。
换句话说，液体在温暖的环境下流动时，更容易出现那种快速的、不规则的流动状态。
你想，液体本来就是一群小分子，热了就像被激活了一样，开始到处乱蹦，流动得更快更狂野。
要知道，雷诺数不只是简单的数值，它决定了液体流动的类型。
低雷诺数下，液体流动会比较平稳，不容易产生涡流，就像是开车在平坦的高速公路上，稳稳地保持车速，不会有太大波动。
而当雷诺数高了，液体就像是高速公路上大风车吹得猛，路面都开始震动了，涡流、乱流一顿甩，反正就不是那么“安静”了。
这个“安静”和“不安静”的区别，完全取决于温度对液体粘性的影响。
这么说吧，液体流动就像是水的性格，温度就是调皮的小魔法师，能把水从一个乖巧的小姑娘变成一个活泼的调皮捣蛋鬼。
温度的变化不仅让水流变得不一样，甚至会影响到我们日常生活中很多事情。
比如，你早上用热水洗脸，水流比较顺畅，感觉一切都很流畅；而晚上用冷水，水流慢，甚至会觉得“哎呀，怎么那么难用？”这就是温度和流动性之间的默契配合。
但是别急啊，雷诺数不仅仅是温度的单纯游戏，黏性其实也跟液体的种类有关系。
水、油、酒精，它们在相同的温度下，雷诺数可能完全不同。
低雷诺数流动的基本特点
低雷诺数流动的基本特点
Re=ρVD/μ
其中，ρ是流体密度，V是流体速度，D是特征长度（如管道直径或物体尺寸），μ是流体的动力粘度。
1.展现出粘性主导：低雷诺数流动受到粘性的主导，流体粘性越大，流动越重要。
在这种情况下，流体分子之间的相互作用更明显，流动更受阻，流动速度较慢。
由于流动速度较低，流体粘性的影响对流动的影响也较大。
2.流动稳定：低雷诺数流动多为层流流动，流速在各个截面上保持稳定的分层状态。
这是因为低雷诺数下，流体的惯性作用相对较小，流体分子之间的相互作用足以抑制湍流的发生，流动更具有有序性。
3.悬浮颗粒的沉积：低雷诺数流动中，颗粒沉积是一个重要现象。
由于惯性作用较小，流体无法将较大的颗粒带离流动环境，导致颗粒在流动中逐渐沉积，在下游形成颗粒堆积。
4.流体流速分布均匀：低雷诺数流动中，由于惯性作用较小，流体的速度分布较为均匀。
流体分子之间相互作用较强，流体粘性的影响使得流体速度较低，且在各个截面上速度变化较小。
5.流体受到壁面的影响较大：在低雷诺数流动中，流体由于粘性的作用，与壁面的相互作用相对较大。
流体分子因受到壁面的阻碍而减速，流体与壁面的相互作用导致流速在壁面附近变化较快。
此外，壁面也可以影响流体的流动状态，如产生拖力、扰动等。
低雷诺数流动在自然界和工程中都有广泛应用。
例如，低雷诺数流动在水下生物体（如鱼类、海藻等）的运动中起着重要作用，科学家可以通过研究低雷诺数流动来理解它们的运动机制；在工程中，低雷诺数流动常常出现在微流体、微尺度器件和生物体内部，对于这些领域的研究和应用具有重要意义。
低雷诺数流动的基本特点
低雷诺数流动的基本特点
低雷诺数是流体物理学中的一个重要概念，描述了流体在惯性力和黏滞力相互作用下的流动特点。
一般来说，当流体的惯性力小于黏滞力时，就会出现低雷诺数流动。
下面，我们将逐步介绍低雷诺数流动的基本特点。
1. 低雷诺数流动的主要特点是稳定性高：在惯性力相对较小的情况下，流体分子之间的相互作用力会占据主导地位，从而保持流体的相对静止或缓慢流动状态。
这种特点对于工程领域很有意义，因为它可以减小流体运动对设备的磨损和损坏，同时还可以提高设备的效率和寿命。
2. 低雷诺数流动的流线形状比较简单：在低雷诺数流动中，惯性力比黏滞力小很多，因此流体分子无法产生较大的涡流和旋涡。
这种情况下，流场通常是线性的或者属于稳态流动形态，其流线形状比较简单。
这个特点在生产制造和工程设计中很有价值，因为它可以提高设计的稳定性和可靠性。
3. 低雷诺数流动的阻力较小：低雷诺数流动的黏滞力比惯性力占主导地位，从而使得流体的阻力比较小。
这种情况下，可实现更加高效的流体传输和泵送，从而降低运行成本和能源消耗。
总之，低雷诺数流动对于许多工程领域具有很重要的应用价值。
在流体力学、航空、物理和化学等领域，低雷诺数流动都有着广泛的应用。
通过深入的了解，在工程实践中也可以更好的发挥它的优势。
《两层微流体系统中的电动流动及传热分析》范文
《两层微流体系统中的电动流动及传热分析》篇一一、引言微流体系统在微尺度下的流动和传热特性研究，对于众多领域如生物医学、化学工程、微电子等具有重要意义。
其中，两层微流体系统因其独特的结构和流动特性，在科研和工业应用中备受关注。
本文将重点分析两层微流体系统中的电动流动及传热现象，探讨其内在机制和影响因素。
二、两层微流体系统的基本结构与工作原理两层微流体系统主要由上下两层微通道构成，通过一定的驱动方式（如电动驱动、压力驱动等）使流体在微通道内流动。
其工作原理主要基于微尺度下的流体物理和电学性质。
三、电动流动分析1. 电动流动基本原理电动流动是指通过施加电场力使流体在微通道内产生定向运动。
在两层微流体系统中，电动流动主要依赖于电极的布置和电场的分布。
当在电极上施加电压时，电场力作用于流体，使其产生定向运动。
2. 电动流动的影响因素（1）电压：电压的大小直接影响电场力的强度，从而影响流体的流动速度。
（2）电极布置：电极的形状、间距和数量等都会影响电场的分布，进而影响流体的流动特性。
（3）流体性质：流体的粘度、电导率等物理性质也会影响电动流动的效果。
（4）微通道结构：微通道的尺寸、形状和表面性质等都会对电动流动产生影响。
四、传热分析1. 传热基本原理在两层微流体系统中，传热主要通过热对流、热传导和热辐射三种方式进行。
其中，热对流是主要的传热方式，通过流体的运动实现热量传递。
2. 传热的影响因素（1）流体性质：流体的导热系数、比热容等物理性质直接影响传热效果。
（2）流速：流速越大，流体的湍流程度越高，传热效果越好。
（3）微通道结构：微通道的尺寸、形状和表面性质等都会影响流体的流动状态和传热效果。
（4）外部环境：外部环境温度、湿度等因素也会对传热产生影响。
五、实验与模拟分析为了深入分析两层微流体系统中的电动流动及传热现象，我们进行了实验和模拟研究。
通过改变电压、电极布置、流体性质和微通道结构等参数，观察流体的流动状态和传热效果，并利用计算机模拟软件对实验过程进行模拟分析，以验证理论分析的正确性。
低雷诺数下旋转体的流场分析
低雷诺数下旋转体的流场分析在基础流体力学中，雷诺数被定义为惯性力与粘性力的比值，是流体流动中一个重要的无量纲参数。
低雷诺数下旋转体的流场分析是研究旋转体在流体中运动时的流动特性。
在本次分析中，将深入探讨低雷诺数下旋转体的流场特性，并进行详细解析。
首先，我们需要了解低雷诺数的概念。
低雷诺数即指惯性力相对于粘性力来说较小的情况。
惯性力主要由流体的加速度引起，而粘性力主要与流体的黏性特性相关。
在低雷诺数下，惯性力相对较小，流体更加稳定，流动速度较慢，粘性力对于流场的影响更为显著。
接下来，我们可以开始分析低雷诺数下旋转体的流场特性。
旋转体与流体的相互作用是旋转体在流动中所产生的主要效应之一。
一般来说，旋转体在低雷诺数下的流动特性可以通过动量守恒方程和连续性方程来进行建模。
此外，由于旋转体的存在，还需要考虑旋转力的产生和流场的涡结构。
在低雷诺数下，旋转体会在流体中激发涡结构。
涡是流动中带有旋转速度分布的区域，其产生通常会导致流体的混合和扩散。
通过研究涡结构的演化及其与旋转体之间的相互作用，可以进一步理解低雷诺数下旋转体的流场特性。
此外，由于低雷诺数下流动的相对稳定性，可以进行近似处理，减少计算复杂度。
其中一种常用的近似方法是边界层近似，即假设离旋转体的距离较远的区域流动与旋转体无关，仅考虑旋转体周围的边界层内的流动，简化了问题的复杂性。
此外，流场中的湍流也是低雷诺数下旋转体的重要考虑因素之一。
湍流是流体流动中产生的不规则涡旋运动，对流场分析具有很大的挑战。
在低雷诺数下，湍流主要通过模拟方法进行处理，例如运用雷诺平均的湍流模型或直接进行大涡模拟。
最后，在进行低雷诺数下旋转体流场分析时，我们可以利用数值模拟方法，如计算流体力学（CFD），通过求解相关的控制方程得出流场分布。
通过合适的网格划分和边界条件的设定，可以得到准确且可靠的数值模拟结果，并进一步分析流场特性。
综上所述，低雷诺数下旋转体的流场分析是研究旋转体在流体中运动时流动特性的重要内容。
低雷诺数流体力学的理论与应用
低雷诺数流体力学的理论与应用引言低雷诺数流体力学是研究低速流体运动的一门学科，主要关注流体的微观运动规律以及相关的宏观现象。
低雷诺数流体体系相较于高雷诺数的体系，具有流动较为缓慢、粘性效应较为明显的特点。
在很多工程和科学领域，低雷诺数流体力学都有着重要的理论和应用价值。
本文将系统介绍低雷诺数流体力学的理论基础，包括低雷诺数流体运动的基本方程、物理模型和常用的数值模拟方法。
随后，还将重点讨论低雷诺数流体力学在实际工程和科学研究中的应用，包括微流控技术、纳米颗粒悬浮液的流体力学行为等方面。
低雷诺数流体力学基本方程低雷诺数流体力学的基本方程包括连续性方程、动量方程和能量方程。
对于不可压缩流体而言，连续性方程可以简化为质量守恒方程，动量方程可以用Navier-Stokes方程来描述。
在低雷诺数流体力学中，粘性效应十分显著，通常需要考虑湍流的影响。
对于低雷诺数流体力学而言，常用的简化模型包括斯托克斯方程和小振幅近似模型。
斯托克斯方程适用于小颗粒或在低速流体中运动的微小颗粒，常用于纳米颗粒的运动研究。
小振幅近似模型适用于弱非线性振动的低雷诺数流动。
低雷诺数流体力学的数值模拟方法低雷诺数流体力学的数值模拟方法包括有限差分法、有限元法和边界元法等。
对于低雷诺数流体力学而言，通常需要考虑湍流流动，因此难以得到解析解，数值模拟成为研究低雷诺数流体力学的重要手段。
有限差分法是一种常用的数值求解方法，通过在空间上进行离散化，将连续的偏微分方程转化为有限差分方程组，然后利用迭代方法求解。
有限元法则是一种常用的数值模拟方法，通过在空间上建立有限元网格，将偏微分方程转化为有限元方程组，然后利用迭代方法求解。
边界元法是一种将求解区域边界上的问题转化为沿边界的积分方程组来求解的方法。
低雷诺数流体力学的应用低雷诺数流体力学在工程和科学研究中有广泛的应用。
以下是几个具体的应用领域。
微流控技术微流控技术是指在微尺度下操控流体的技术，在生物医学、化学分析等领域具有重要应用。
低Reynolds数条件下水流纵掠长冰柱沿方位角传热特性
CIESC Journal, 2018, 69(2): 2424-2431·2424·化工学报2018年第69卷第6期|DOI：10.11949/j.issn.0438-1157.20171238低Reynolds数条件下水流纵掠长冰柱沿方位角传热特性孟凡康，褚琦，王锦力（辽宁工程技术大学土木工程学院，辽宁阜新123000）摘要：通过实验研究了低Reynolds数条件下水流纵掠长冰柱过程的沿方位角相界面移动规律及传热特性。
改变水流速度、水流温度、冰柱尺寸及冰柱初始温度等控制参数，采用非接触测量方法获得了冰柱融化图像，基于影像实验数据与冰柱相界面传热系数之间的映射关系，分析了沿方位角对流传热系数等传热参数的变化规律。
结果表明：各测量点的沿方位角Nusselt数不同，随着融化过程的进行，各测量点的沿方位角Nusselt数值均先增大后减小，整个融化过程中间某处存在最大值；其余实验控制参数不变的条件下，沿方位角对流传热系数均随着水流速度或水流温度的增大而增加；获得了水流纵掠冰柱融化过程Nuϕ与Gr、Re、Pr、Ste及ϕ之间的关联式。
关键词：水流纵掠冰柱；相变；对流；传热中图分类号：TK02 文献标志码：A 文章编号：0438—1157（2018）06—2424—08 Heat transfer characteristics of water flowing along icicle atlow Reynolds numberMENG Fankang, CHU Qi, WANG Jinli(School of Civil Engineering, Liaoning Technical University, Fuxin 123000, Liaoning, China)Abstract: The heat characteristics and moving regulation of phase change interface during the progress of water flowing along icicle at low Reynolds number are investigated. The mapping relationship between the experimental data and the heat transfer coefficient in phase change interface of icicle is built. Moving regulation of phase change interface of icicle is recorded by using industrial cameras through changing initial dimension of icicle, initial temperature in icicle, velocity and temperature of water. By analyzing the experimental results, some conclusions are as follow: the number of azimuths is different for each measurement point, as the melting process is carried out, the Nusselt number values of the measurement points increase first and then decrease, and there is a maximum value in the middle of the whole melting process. The convective heat transfer coefficient along the azimuth angle increases with the increase of the velocity or temperature of the water flow under the condition that the remaining experimental control parameters are unchanged. Empirical correlation of Nuϕ,Gr, Re, Pr, Ste andϕis obtained.Key words: water flowing along icicle; phase change; convection; heat transfer引言冰水之间的对流相变换热问题，广泛存在于自然界及工业领域[1-3]。
低雷诺数下液体的微尺度流动与传热
王 洋等 : 低雷诺数下液体的微尺度流动与传热
Dh =
4 A ch
Pch
( 1)
式中 : Dh 为水力直径 , A ch 为每个通道的横截面积 , Pch 为通道的湿周长 。 雷诺数则可以由下式求得 :
Re = U m Dh
ν
( 2)
图1 实验系统流程图
21 ml/ min ; 去离子水经过滤尺度为 15 μm 的微孔
3 实验数据处理
流体的摩擦系数 , 可根据试验得到的流体沿微 通道内流动的压力损失 Δp 和平均流速 U m 计算 : Δ p 2 Dh ( 14) f = ・ 2 l ch ρ Um
Um = m N chρ A ch
( 25)
4 实验结果分析
4. 1 流动特性
( 15)
μm 的矩形微通 在室温条件下对水力直径为 80 道作压降与体积流量的试验结果见表 2 。
理论上当常规尺度管槽内的层流充分发展换热时努谢尔特数是不随雷诺数变化实验值分布在理论值的上下最大偏差出现在流量为mlmi偏差率为14最小偏差出现在流量为mlmi即常规尺度的理论仍然可以运用到微尺度下的管槽内充分发展层流中阻力系数随雷诺数的变化曲线线之上略大于理论预测值理论值为73但通过对实验数据分析得出的所示大致集中在7880之间和理论值的最大偏差为re的变化曲线通道总热阻随加热量的变化关系曲线如图相同的加热量时热阻随流量的增加而减小与理论值的比较将本文所得实验数据与水在微通道内流动的一些文献对比如图范围内而大部分研究者的实验数据分布udy试验值和理论值基本一致000时层流将向湍流过渡本文以去离子水在微通道内的受热单相流动换热特性的实验研究通过对实验数据的分析及与理论数据的对比得出以下结论去离子水在层流状态下流经矩形微通道时降比传统理论预测值偏大一些且偏差随着流量的增大而逐渐增大
最新水力学实验报告——雷诺实验
最新水力学实验报告——雷诺实验
在本次实验中，我们对流体力学中的雷诺数（Reynolds Number）进行了深入研究。
雷诺实验是流体动力学中的经典实验，它通过观察流体流过障碍物时的流动模式变化，来探究流体的流动特性。
实验设置包括一个长直管道，其中填充有水。
在管道的一端安装了一个可调节流速的泵，以控制流体的流速。
管道内部设置有一个固定尺寸的圆球，作为流体流动的障碍物。
实验的关键在于精确测量流体的速度、密度、粘度以及障碍物的尺寸，以便准确计算雷诺数。
实验开始时，我们首先调整泵的流速，使得流体以不同的速度流过圆球。
通过高速摄像机记录流体流动的过程，我们观察到随着流速的增加，流体流过圆球时的流动模式发生了明显的变化。
在低流速下，流体呈现出稳定的层流状态，而在高流速下，流动变得不稳定，形成了湍流。
我们通过实验数据计算得到的雷诺数，发现当雷诺数低于某个临界值（约为2300）时，流体保持层流状态；当雷诺数超过该临界值时，流动转变为湍流。
这一结果与理论预测相符，验证了雷诺数在流体流动模式转变中的关键作用。
此外，我们还研究了流体粘度对流动模式的影响。
实验表明，粘度的增加会导致临界雷诺数的提高，这意味着在高粘度流体中，流动更倾向于保持层流状态。
通过本次实验，我们不仅验证了雷诺数在流体动力学中的重要性，还深入理解了流体流动模式转变的物理机制。
这些发现对于工程设计、环境科学以及流体动力学的研究都具有重要的实际意义。
未来的研究
可以进一步探索不同流体特性以及复杂流动条件下的流动模式转变，以拓展我们对流体力学的理解。
传热学-微尺度流动与换热
8
（3）换热器：尺度已经跨越3个数量级
图7 换热器的多尺度范围
22
4 微尺度流动与换热基本特点 （1）面积与体积之比大大增加 常规尺度的物体，例如1米立方的体积，其表
面积为6米平方，面积/体积之比，
A/V＝6m-1
将该物体分为尺度为1微米的 1018 小立方体，
侧面积与体积之比为
A/V＝6 106 m-1
膜电阻做加热器，通过推进剂分子（水蒸气或氩气）
与加热器壁面的碰撞，将能量传递给推进剂，再经过 喷管喷出，产生推力。推力器尺寸很小（通道宽度 1～100μm）。它要求加热元件与出口缝隙之间的空 间等于气体的平均自由程，从而减少分子之间的碰撞，
保证喷出气体的分子动能等于加热器的温度（系统内
最高温度），提高总效率，从而获得最高的比冲（单 位质量推进剂所产生的冲量称为比冲量） 。
Systems，这是指特征尺度在 1mm－1 μm 之间 集电子、机械于一身的器件。在这样的器件中有气体 或者液体作为工作介质，其内部的流动与换热就是一 般的微尺度流动与换热。
2 热流现象的尺度范围
图2 热流科学研究对象的时间尺度
20
图3 热流科学研究对象的空间尺度 21
3 微尺度流动与换热举例
微尺度流动与换热
1 微尺度流动与换热的一般概念
大千世界的物体 尺度变化跨三十余个
数量级，近10余年来
科学技术发展的重要 方向之一是微型化。
图1 多尺度的客观世界
爱因斯坦曾经预言: “未来科学的发展无非是继续向宏观世界和微观世界 进军” ；
1959，美国物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 弗曼在美国西海岸会议上宣读了一篇经典论文
图12 二维微肋管
27
对流传热雷诺数
对流传热雷诺数
对流传热中的雷诺数（Reynolds Number）是一个无量纲数，用于描述流体内部的惯性力和粘性力之间的相对重要性。
雷诺数通常用Re表示，其定义如下：
Re=(ρ*u*L)/μ
其中：
-Re是雷诺数。
-ρ是流体的密度。
-u是流体的流速。
-L是特征长度（例如，管道的直径或流动方向上的距离）。
-μ是流体的粘度。
雷诺数的大小决定了流体流动的性质，特别是对于传热过程。
具体来说：
1.当Re<<1时，粘性力占主导地位，流动是层流的，流线是平行的，传热效果较差。
2.当Re较大时，惯性力占主导地位，流动可能变得湍流，流线会变得混乱，传热效果较好。
因此，雷诺数对于判断流体中的传热特性和流动行为非常重要。
在工程和科学领域中，雷诺数常常用于设计和分析涉及对流传热的系统，如管道流动、空气动力学、冷却系统等。
通过控制雷诺数，可以优化传热过程，以满足特定应用的要求。
低雷诺数脉动流传热二次流关联性分析
低雷诺数脉动流传热二次流关联性分析苏艺花;黄其;夏纯武;吴泽楠;钟英杰【期刊名称】《化学工程》【年(卷),期】2018(046)003【摘要】The correlation between secondary flow and heat transfer was studied by analyzing the phenomenon of "secondary flow" and vortex movement for pulsating flow at Low-Reynolds number in triangular channel.Experimental results show that the " secondary flow" accompanied by an orbital vortex motion affects the heat transport through the blending between the fluid in the channel and the main streamfluid,thereby interfering with the convective heat transfer effect.The path of vortex motion is mainly affected by Strouhal number,while the intensity and size of vortex are mainly affected by pulsation amplitude.And the value of intensity for secondary flow is calculated in this channel in order to reveal relationship between heat transfer rate and the intensity of secondary flow.The value of intensity for secondary flow can be used to characterize the heat transfer mechanism of the pulsating flow.In addition,the key to optimize the heat transport process is to control vortex motion by adjusting pulsation parameters so as to improve the heat load efficiency in the near wall area and the heat transport path in the main stream area.%为探究二次流与低雷诺数脉动流传热的关联性,以“二次流”现象为切入点,“涡及涡运动”为视角,对三角槽道水工质进行了传热实验研究.研究表明,伴有有序涡旋运动的“二次流”通过槽道内流体与主流流体之间的掺混影响热量输运,进而干涉对流换热效果;Strouhal数(St)主要影响涡旋运动路径,相对振幅(A)主要影响涡旋的强度及区域;二次流强度可以用于表征脉动流传热机理.热量输运过程的优化在于:通过调节脉动参数,控制流场中的涡旋运动,改善近壁区的热量装载效率以及主流区的热量输运路径.【总页数】5页(P21-25)【作者】苏艺花;黄其;夏纯武;吴泽楠;钟英杰【作者单位】浙江工业大学能源与动力工程研究所脉动技术工程研究中心,浙江杭州310014;浙江工业大学能源与动力工程研究所脉动技术工程研究中心,浙江杭州310014;浙江工业大学能源与动力工程研究所脉动技术工程研究中心,浙江杭州310014;浙江工业大学能源与动力工程研究所脉动技术工程研究中心,浙江杭州310014;浙江工业大学能源与动力工程研究所脉动技术工程研究中心,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】TK11【相关文献】1.扭曲方管中二次流对传热特性的影响 [J], 马浩2.航空发动机热端部件二次流动和传热耦合方法研究 [J], 郭晓杰;顾伟;竺晓程;杜朝辉3.三分螺旋折流板换热器内二次流分布与强化传热关系分析 [J], 王伟晗;王清成;陈亚平4.低雷诺数透平端部造型控制动叶根部二次流的研究 [J], 段浩杰;陈榴;戴韧5.扰流元诱发的二次流及其在强化传热中的应用 [J], 胡振军;神家锐因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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ν为流体的运动粘度 , U m 为水的平均流速 。 式中 : 通常将摩擦阻力系数 f 和雷诺数 Re 乘积定义 为摩擦常数 , 矩形微通道的 f Re 的值可由 White 给 出的公式 [ 2 ] 计算 : 2 α + 1 . 9479 α f ・Re = 96 ( 1 - 1 . 3553 2 4 5 α + 0 . 9564 α - 0 . 2537 α) ( 3) 1 . 7012 α为矩形微通道的宽高比 。 式中 , 代入数据 ,试验的流体摩擦阻力系数为 : 73
( 7)
对于微通道换热芯片 , 由于加热片很薄并且紧贴硅 晶片的底层 , 因而加热热阻与硅底层之间的热阻 Rfnt 可以忽略 。硅底层的导热热阻 Rcond 定义为 : λsi lch N ch ( W w + W ch ) λ 式中 : N ch 为微通道的数量 , si 为硅的导热系数 。
lh
Rcond =
第 28 卷第 3 期 2007 年 6 月
能源技术
EN ER GY T EC HNOL O GY
Vol. 28 No . 3 Ap r. 2007
研究与探索
低雷诺数下液体的微尺度流动与传热
王 洋1 ,黄 蕾2 ,徐 斌1 ,吴 建1 ,薛 宏1 ( 1. 河南科技大学车辆与动力工程学院 ,河南洛阳 471003 ; 2. 洛阳工业高等专科学校建筑工程系 ,河南洛阳 471003) 摘 要 : 针对低雷诺数下单相水流经矩形微通道时的流动特性和换热特性进行了试验和理论 研究 。试验工质为去离子水 ,微通道宽度为 50 μm ,高度为 200 μm ,雷诺数 2. 3～15. 6 。试验结果 表明 ,在低雷诺数下的流动特性和传统理论存在偏差 : 矩形微通道实验压降值与阻力系数均大于传 统理论值的预测 ,阻力系数的最大偏差为 7. 9 % ; Poiseuille 数比传统理论预测值大 6 % ; 但当热流 密度为 2. 5～15 W/ cm2 时 ,换热特性的试验结果与传统理论较为吻合 。 关键词 : 矩形微通道 ; 单相流动 ; 流动特性 ; 换热特性 中图分类号 : T K124 文献标识码 :A 文章编号 :100527439 ( 2007) 0320125204
3 实验数据处理
流体的摩擦系数 , 可根据试验得到的流体沿微 通道内流动的压力损失 Δp 和平均流速 U m 计算 : Δ p 2 Dh ( 14) f = ・ 2 l ch ρ Um
Um = m N chρ A ch
( 25)
4 实验结果分析
4. 1 流动特性
( 15)
μm 的矩形微通 在室温条件下对水力直径为 80 道作压降与体积流量的试验结果见表 2 。
随着微机电系统技术的发展及其应用领域的不 断扩大 ,有关流体在微通道中流动和换热的研究也 越来越引起人们的重视 , 传统流动和传热理论在微 尺度下是否依然适用 , 是目前的研究的重要课题之 一 [ 1 ] 。本文准备通过一个设计的微流动测试系统 , 用试验方法探讨微通道内的流体在层流状态和等热 流边界条件下的流动与传热特性 , 分析矩形微通道 中的水在低雷诺数下的单相流动与换热特性 , 包括
f = Re ( 4)
常规尺度通道的充分发展层流的沿程压降可由达西 - 韦史巴赫公式 ( Darcy - Weisbach formula) 计算 : ρ 2 Δ pt hy = f U m lch ( 5) 2 Dh 把式 ( 2) ( 4) 代入式 ( 5) ,可得矩形通道压降 : μ Δ pthy = 73 2l ch V ( 6) 2 D h A ch 式中 : V 为水的体积流 。 对于管道横截面为矩形的管槽内层流充分发展 换热 ,采用 Shah 和 Lo ndo n 提出的 N u 关联式 : -1 -2 N u = 0 . 235 ( 1 - 2 . 042 α + 3 . 0853 α -3 -4 -5 2 . 4765 α + 1 . 0578 α - 0 . 1861 α )
表2 水力特性实验数据
V Um Re
实验测得的压强是测试段进出口的总压强差 , 包括 流体在微通道内部由于摩擦力引起的压降 Δ p 和进 出口的收缩和扩张压力损失 。 Δ ptot = Δ pc + Δ pe + Δ p ( 16) 式中 : Δ pc 和 Δ pe 分别为为微通道进口和出口压力
1 1 2 2 损失 ,其值为 ρ Um Kc 和 ρ Um Ke ; Kc 和 Ke 分别 2 2 为局部收缩损失系数和局部扩张损失系数 。 摩擦常数 f ・Re 定义为 : 2Δ pN 2 h ( 17) f ・Re =
μm and height is 200 μm. The experimental result s were compared f rom 2. 3 to 15. 6. The widt h of t he channel is 50
wit h p redictions f rom conventional t heory , a difference between experimental data and t heoretical p redictions in hydraulic characteristics was found under low Reynolds number. The comparative result s indicate t hat p ressure drop and f rictio n facto r in rectangular microchannel were all bigger t han t ho se given by t he co nventional laminar flow t heory. The biggest difference of f raction facto r is 7. 9 %. Poiseuille number is bigger t han p redictions f rom co nventio nal t heory. When t he heat flux is 2. 5～15w/ cm2 , t he experimental result s agree wit h co nventional t heory. Keywords : rectangular microchannel ; single - p hase ; hydraulic characteristics ; t hermal Characteristics
・125 ・
王 洋等 : 低雷诺数下液体的微尺度流动与传热
Dh =
4 A ch
Pch
( 1)
式中 : Dh 为水力直径 , A ch 为每个通道的横截面积 , Pch 为通道的湿周长 。 雷诺数则可以由下式求得 :
Re =程图
21 ml/ min ; 去离子水经过滤尺度为 15 μm 的微孔
Nu =
mD h Cp ( tout - tin ) N chλ f lch Pch ( tw - tf )
( 23)
换热芯片的热阻的定义式为 : th - tm Rexp =
Qm
( 24)
式中 : th 为加热热阻的温度 , Qin 为加热量 。 去离子水的定性温度为微通道水的进口温度
tin 和 tout 出口温度的平均值 tf ,即 : tf = ( tm + tout ) / 2
s
( 8)
图2 微通道换热芯片的剖面图 表1 微通道换热芯片结构尺寸/μm
W ch H Ww S Wh
对流传热热阻 Rcond 是由微通道底部与肋片侧 壁面的对流传热热阻并联组成的 ,即 :
Rconv = Rb = Rfin = Rfin Rb Rfin + Rb
50
200
100
475
60
10
( 9) ( 10)
Experimental Study and Theoretical Analysis of Liquid Flo w Through Microchannel
WANG Yang1 , HUANG Lei2 , XU Bin1 , WU Jian1 , XUE Hong1 ( 1. College of Vehicle &Motive Power Engineering , Henan U niversity of Science and Technology , Henan L uo yang ,471003 ; 2. Depart ment of Architect ure L uoyang College of Technology ,L uoyang 471003 , China ) Abstract : The experiment s of Single p hase water t hro ugh rectangle microchannel under low Reynolds number are co nducted to investigate hydraulic characteristics and t hermal Characteristics in p resent paper. In t he experiment s , all t he test s were perfo rmed wit h deio nized water as working flow , where t he Reynolds numbers range
基金项目 : 河南省基础与前沿技术研究计划项目 ,0624210010
摩擦系数 、 压降值 、 努谢尔特数等参数 , 并将试验结 果与传统理论得到的结果进行对比 。
1 试验装置
为了消除流体极性影响 , 试验采用的工质为去 离子水 。测试系统如图 1 所示 , 去离子水从微量注 射泵泵出 ,经过直通式微孔过滤器 、 流量调节阀后进 入实验段 ,最后流入烧瓶内 ,烧瓶放置于高精度的电 子天平上 。 微量注射泵的体积流量范围为 0. 001 μl/ h ～