微通道内流体流动的阻力特性
矩形微通道中不同流体流动规律和阻力特征实验研究
矩形微通道中不同流体流动规律和阻力特征实验研究在矩形微通道中，不同流体流动规律和阻力特征的实验研究一、引言随着科学技术的不断发展，人们对于流体力学的研究越来越深入。
矩形微通道作为一种常见的实验装置，其内部流体流动规律和阻力特征的研究具有重要的实际意义。
本文将从理论和实验两个方面，对矩形微通道中不同流体流动规律和阻力特征进行详细的探讨。
二、理论分析1.1 流体流动规律在矩形微通道中，流体的运动主要受到两个方面的力作用：一是重力作用，二是通道壁对流体的阻力。
根据伯努利方程，流体在通过通道时，速度与压力之间的关系可以表示为：v = √(2gh)其中，v为速度，g为重力加速度，h为通道高度。
从这个公式可以看出，流体的速度与通道的高度成正比。
根据连续性方程，流体在任意一点的压强变化率等于该点两侧压强差与该点到通道中心距离的比值：ρ_∆v/∆x = ρ_s / (L + x)其中，ρ_∆v为速度变化率，ρ_s为液体密度，L为通道长度，x为距离通道中心的距离。
从这个公式可以看出，流体在通过通道时，压强的变化与通道长度成正比。
因此，我们可以通过改变通道的高度和长度来控制流体的速度和压强变化，进而研究不同流动规律下的流体行为。
1.2 阻力特征在矩形微通道中，流体的阻力主要来自于两个方面：一是通道壁对流体的摩擦力，二是通道截面积引起的涡流损失。
根据雷诺数公式，当流体的速度与通道壁之间的相对速度达到一定值时，流体开始发生摩擦力，此时的雷诺数可以表示为：Re = ρ_v * u / 2ρ_l * v其中，ρ_v为速度密度，ρ_l为液体密度，u为管道截面处流体速度，v为管道截面处流体速度。
从这个公式可以看出，当雷诺数增大时，流体的摩擦力也会相应增大。
根据能量守恒定律和动量守恒定律，通道截面积引起的涡流损失会导致流体的能量损失和动量损失。
因此，我们可以通过改变通道的截面积和形状来研究不同阻力特征下的流体行为。
三、实验研究为了更好地研究矩形微通道中不同流体流动规律和阻力特征，我们设计了以下实验方案：2.1 实验装置实验装置主要包括矩形微通道、流量计、压力计、温度计等仪器。
毛细管内气液Taylor流动的气泡及阻力特性
毛细管内气液Taylor流动的气泡及阻力特性张井志;李蔚【摘要】In order to obtain the frictional characteristics of fully developed Taylor flow in the vertical capillary tube, numerical simulations of the flow in the capillary tube with diameter of 2 mm were conducted by using the moving frame reference method. The shape, rising velocity of Taylor bubble, liquid film thickness and pressure drop were obtained using two different working fluids and analyzed. Simulation results showed that the length of Taylor bubble and the radius of curvature increased with increasing two-phase superficial velocity Vtp. The length of Taylor bubble also increased with increasing gas void ξg, while the nose and tail of Taylor bubble were independent ofξg. Dimensionless thickness of liquid film and rising velocity of Taylor bubbles were proportional to capillary number Ca. Friction factor fc decreased with increasing Vtp andξg. The fc of Taylor flow with N2/(CH2OH)2 as working fluid was lower than that of single phase with the same Vtp, while the fc for N2/H2O was higher than that of single phase. The model proposed by Lockhart and Martinelli, and the flow pattern dependent model proposed by Kreutzer et al. could predict the pressure drop obtained from simulation with an error of ±10%. The Chisholm number C=5 which was recommended for conventional tube when both phases were laminar was also reasonable for the capillary tube in the simulation work.%采用相对坐标系方法，研究毛细管（d=2mm）内充分发展垂直上升气液 Taylor 流动，分析两种工作介质下Taylor气泡的形状、上升速度、液膜厚度以及压降特性。
流体力学中的微流动现象
流体力学中的微流动现象一、引言流体力学是研究液体和气体运动规律的学科，而微流动现象则专注于研究在微观尺度下流体的行为和性质。
微流动现象的研究对于理解和应用纳米技术、生物医学、化学工程等领域具有重要意义。
本文将介绍流体力学中的微流动现象以及其在科学研究和工业领域中的应用。
二、微流动现象的基本原理微流动是指在微观尺度下流体的运动行为，其流动特征与宏观流体力学存在明显不同。
微流动现象的基本原理包括两个重要的尺度效应：尺度缩放效应和表面效应。
1. 尺度缩放效应在微观尺度下，流体所受到的惯性力相对于粘性力较小，因此微流动过程中惯性力可以忽略不计。
与宏观流体运动相比，微流动现象更加稳定和受控。
2. 表面效应在微观尺度下，流体与固体表面的相互作用对流动行为具有显著影响。
例如，当流体分子靠近固体表面时，分子与表面之间的相互作用会使得流体粘性增加，从而改变流体的流动性质。
三、微流动现象的研究方法为了研究微流动现象，科学家们提出了一系列实验方法和理论模型。
以下介绍几种常用的研究方法：1. 微管道实验微管道实验是研究微流动现象最常用的方法之一。
通过制造微观尺寸的通道，科学家们可以观察和测量微流动的行为。
常用的实验手段包括流速控制、压力测量、视觉观察等。
2. 数值模拟数值模拟是一种通过计算机仿真来研究微流动现象的方法。
科学家们可以运用流体力学方程和有限元分析等方法，模拟微流动的行为和性质，进一步理解微尺度下的流体行为。
3.微流控技术微流控技术是一种将微流动现象应用于实际应用中的方法。
通过设计微流控芯片和微流控器件，可以在微观尺度下实现液体的分配、混合、操作和反应，为生物化学实验、医学诊断等提供了新的方法和工具。
四、微流动现象的应用微流动现象的研究对于科学研究和工业应用具有广泛的意义。
以下介绍几个微流动现象在不同领域中的应用：1. 生物医学微流动现象在生物医学领域的应用非常广泛。
例如，在基因测序中，微流动技术可以提高测序效率和准确性。
矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究_蒋洁
第5卷第3期2006年9月热科学与技术Journal of Thermal Science and TechnologyVol.5No.3Sep.2006文章编号:1671-8097(2006)03-0189-06收稿日期:2006-01-12; 修回日期:2006-07-17.基金项目:国家重点基础研究发展计划(2006CB 300404);教育部留学回国人员科研启动基金资助项目(6803001005);东南大学科学基金资助项目(9203007013,9203001337).作者简介:蒋 洁(1981-),女,江苏常州人,博士生,主要从事微流动与传热研究.矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究蒋 洁, 郝英立, 施明恒(东南大学动力工程系,江苏南京 210096)摘要:以去离子水为流体工质,对其在矩形微尺度通道中的流动阻力和传热特性进行了实验研究。
通过测量流量、进出口压力和温度等参数,获得了流体流过微通道时的摩擦阻力系数、对流换热过程中的热流通量和N u 等。
微尺度通道中流体流动的摩擦阻力系数较常规尺度通道中的摩擦阻力系数小,仅是常规尺度通道中摩擦阻力系数的20%～30%;且流动状态由层流向湍流转捩的临界R e 也远小于常规尺度通道的。
微尺度通道中对流换热的N u 与常规尺度通道的显著不同。
流量较小时,N u 较常规尺度通道中充分发展段的小;随着水流量的增加,微通道的N u 迅速增加,并很快超过常规尺度通道的N u ,表现出微尺度效应。
热流通量对微尺度通道中对流换热N u 存在影响,其影响规律在不同流速条件下呈不同趋势,流速较小时,N u 基本保持不变;而在流速较大时,N u 随热流通量增加而呈增加趋势。
关键词:微通道;流动特性;摩擦阻力系数;对流换热中图分类号:T K124文献标识码:A0 前 言为适应微电子机械系统以及微流动系统的快速发展需要,流体在微通道中的流动和传热特性成为当今世界范围的研究热点。
微流控体系中的流体特性研究
微流控体系中的流体特性研究微流控体系（Microfluidic system）是指在微尺度下，通过微型管道和微流控芯片内部的微流体控制结构等微观特性而形成的样品分析和反应平台。
在微流控体系中，流体呈现出许多特殊的流体特性，如：微观环境下的大曲率半径、小雷诺数、浸润度和纳米级别的界面张力等特性。
因此，在微流控领域中，研究微流体的特性，对于更好地控制微观生物和化学反应过程有着重要的意义。
一、微流控体系中流体的特性1.1 流体的微观环境在微流控体系中，流体所处的空间通常是微米级别的小管子、毛细管、微孔等微观环境。
在这些微观环境下，由于流体与周围墙体接触面积的增大，使得表面的效应变得显著，并且导致了许多独特的流体特性。
比如，在微米级别的小管子内部，流体分子可以感知到管壁的蛋白和其他分子，这种“管壁效应”会对液体的流动产生一定的影响。
同时，当流体与底部板相互作用时，由于界面上的空气和固体的存在，流体的运动呈现出一些不同于宏观流体的性质。
1.2 大曲率半径在微观尺度下，曲率半径通常是宏观环境下的数十倍到数百倍。
例如，微流控芯片中的微型管的内径可以达到50-100μm，而曲率半径只有几百到一千纳米。
因此，在微观环境中，流体的微观曲率特性变得相当显著，这会影响微型管道内的流体速度分布、流体的马达效应及其他很多物理过程。
1.3 小雷诺数雷诺数（Reynolds number）是流体力学中的一个无量纲数，用来描述湍流的程度，即惯性力与黏滞力的比值。
在微观环境中，流体的速度通常比较慢，而引起流体湍流的惯性力较小。
因此，微流控体系中的雷诺数非常小，通常在10^{-3}左右，因此流体是在紊流转变之前的基本层流区中运动的，产生的摩擦力也比较小。
1.4 浸润度在微观环境中，表面和流体之间的作用很明显，这可以通过表面张力和浸润度表达。
浸润度指液体与物体表面之间的接触面积的大小。
在微观尺度下，浸润中的压力通常不能忽略不计。
微流控体系中的浸润特性可以影响通道的液体流动，同时会影响到移液等样品处理操作。
《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》范文
《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》篇一一、引言随着纳米科技的快速发展，微尺度下的流体流动问题逐渐成为科研领域的重要课题。
在微尺度环境中，非线性流动特征显著，流动阻力问题尤为突出。
因此，研究微尺度下非线性流动的特征以及如何降低流动阻力，对于推动微流控技术、生物医学、能源科学等领域的发展具有重要意义。
本文旨在探讨微尺度下非线性流动的特性和降低流动阻力的方法。
二、微尺度下非线性流动特征在微尺度环境中，流体的流动表现出明显的非线性特征。
这些特征主要包括以下几个方面：1. 表面效应显著：在微尺度下，流体与固体表面的相互作用增强，表面张力、润湿性等表面效应对流动产生重要影响。
2. 速度梯度大：由于微通道尺寸小，流体在微尺度下的速度梯度较大，导致流动的不稳定性和复杂性增加。
3. 惯性力与黏性力竞争：在微尺度流动中，惯性力和黏性力之间的竞争关系更加明显，这种竞争关系决定了流动的特性和规律。
三、流动阻力分析及影响因数在微尺度下，流动阻力主要由以下几个因素造成：1. 黏性摩擦：由于流体与微通道壁面的摩擦作用，产生了主要的黏性阻力。
2. 惯性效应：流体的惯性效应在微尺度下显著增强，导致流动的不稳定和阻力增加。
3. 表面粗糙度：微通道表面的粗糙度对流动阻力有重要影响，粗糙度增加会增大流体与壁面的摩擦，从而增加阻力。
四、降低流动阻力的方法针对微尺度下流动阻力的问题，研究者们提出了以下几种降低流动阻力的方法：1. 优化微通道设计：通过改进微通道的结构设计，如采用平滑的壁面、合理的弯曲半径等，可以降低流体与壁面的摩擦，从而减小阻力。
2. 利用纳米材料：纳米材料具有优异的润滑性能和低摩擦特性，将其应用于微通道表面可以有效地降低摩擦阻力。
3. 引入润滑剂：在微通道中引入润滑剂可以显著减小流体与壁面之间的摩擦力，从而降低流动阻力。
4. 控制流体速度和压力：通过精确控制流体的速度和压力，可以减少流体在微尺度下的不稳定性，从而降低阻力。
微系统的流体力学特性
微尺度的流体力学特性本质上就是在宏观流动中 原本可以忽略的因素凸显出来，使得流动规律发 生了变化。在为尺度下，由于流体受粘性耗散， 热扩散、流动滑移等因素的影响，经典的纳维-斯 托克方程将不再适用。随着特征尺寸减小到μmmm量级，与表面有关的传热、传质过程、表面粗 糙度及外部接触界面上的作用力起着主要作用。
流体粘度特性
1845年Stokes用μ来描述流体粘性并最终建立了 Navier-Stokes方程,才把流体粘性从量 化上精确表 示出来。在宏观条件下,流体粘度不变,而只与流体本 身性质有关,在微观条件下,流体粘度受多方面因素的 影响。据Pfahler等人的实验结果显示,流体在不同截 面形状管道中流动时,粘度各不相同,而且粘度与温度、 压强有关,目前尚不能用量化方式准确表达粘度与各 种因素的关系,但由于粘度成为管道尺寸、截面形状、 温度、压强等的函数,在Navier-Stokes方程中,不能 把粘度μ认为是常量,用N-S方程来解释微流体特性需 要严格制其应用条件。
梯度参数效应
尺度缩小使得流场中某些梯度量变大，与梯度量有 关的参数的作用增强。对平行剪切流动,尺度缩小使 沿壁面法向的速度梯度变大,剪切作用增强。粘性剪 应力与速度的一阶空间导数有关。
x
u z r
假设流动的Re数等于2,在直径D= 1 cm的管道和d= 25μm的微管道中,同样介质流动沿径向的剪应变率 (速度的空间导数)将增大10^5量级以上。流变学研 究表明,当剪应变率大于流体分子频率两倍时,流动 的的流体将呈现比，微尺度问题具有很大的表 面积和体积的比，因此微尺度问题中表面效应是 一个很重要的问题。 1.液体与气体之间的表面张力 2.微尺度对Re的影响 3.极性流体与固体之间形成的离子性双电层 在电泳流动中，双电层可以达到几百纳米，对于 几微米直径的管道，双电层的影响应该考虑。
矩形微通道中流体流动阻力和换热特性实验研究
文 章 编 号 ：１ ７－０ ７ ２ ０ ） ３０ ８ —６ ６ １８ 动 阻力和 换热 特 性 实验研 究
蒋 洁 ， 郝 英 立 ， 施 明 恒
（东 南 大 学 动 力 工 程 系 ，江 苏 南 京 ２ ０ ９ １０ ６）
度 通 道 中对 流 换 热 Ｎｕ存 在 影 响 ， 影 响 规律 在 不 同流 速 条 件 下 呈 不 同 趋 势 ， 速 较 小 时， 其 流 Ｎｕ基 本保 持 不 变； 而 在 流速 较 大 时， Ｎｕ随 热 流 通 量 增加 而 呈增 加 趋 势 。
关键 词 ：微通 道 ； 流动特 性 ； 摩擦 阻力 系数 ； 流换 热 对
１ 实 验装 置 与 方 法
１ １ 实验 系统 ．
图 １所示 是 本文 实验 装置 的管路 系统 。 作 工 介质 是去离子 水 。 从储 液罐 中流 出的水 经滤 网 、 水
泵 、 门和 流量计 后进 入实验 段 。 过设置 于主管 阀 通
收 稿 日期 ：２ ０— １１ ； 修 回 日期 ：２０ —７１ ． ０ ６０—２ ０ ６０ —７ 基 金 项 目 ：国家 重 点 基 础 研究 发 展计 划 （０ ６ ３０ ０ ） 教 育 部 留学 回 国人 员 科 研 启 动 基 金 资 助 项 目（ ８ ３０ ０ ５ ； 南 大 学 科 ２ ０ＣＢ ０ ４ ４ ； ６ ０ ０１ ０ ） 东 学 基 金 资 助 项 目（ ２ ３ ０ ０ ３ ２ ３ ０ ３ ７ ． ９ ０ ０ ７ １ ，９ ０ ０ １ ３ ） 作 者 简 介 ：蒋 洁 （９ １） １８ 一 ，女 ， 苏 常 州 人 ，博 士生 ，主 要 从 事 微 流动 与 传热 研究 ． 江
Ｒ ｈ ｎ和 ＧｕＬ ａ ｍａ ｉ 在长 ４ ８ｃ 宽 ４ ６ｃ 的硅 板 ３ ． ｍ、 ． ｍ 上分 别 开 了宽 为 １ｍｍ， 分别 为 ２ １ 深 ２ ｍ、 ５ ｍ ２４ 和 ２ ８ ｍ 三种槽 道 ， ７ 测得 的 Ｎｕ也 比传 统 的层 流 Ｎｕ大 ， 们 将 这 种 效 果 归 为 表 面 粗 糙 度 的 影 他
非极性流体在微通道内的阻力特性分析
ｌ ｑｉ ｗｔ ｍ ｊ ｏ ｃｌ ｅ ｈ， ｅ ｏｖｎ ｏａ ｔ ｏ ｕｔ ｅ ｅｉ ｄｂｆｒ ｕｅ ｒ ｉ ｅ ｏ ｈｒ ｔ － ｒ ｉ ｈ ｏｍ ｅ ｒ ａ ｌ ｕｄ ｉ ａ ｒ ｌ ｕａ ｗ ｉ ｔＳ ｔ ｎｅｔ ｎｌｈ ｒ ｍ ｓ ｂ ｖ ｅ ｅ ｅ ｓｄｔ ｐｅ ｃ ｔ ｗ ｃａ ｃｅ ｇ Ｏｈ ｃ ｉ ｅｙ ｒ ｓ ｏ ｏ ｄ ｔｈ ｆ ｌ ａ ｒ
（） ４
＿
Ｄ 兄ｅ：ｐ ｈＱ
—
Ｔ ｌ ｗｈ
（） ５
式中 ：
为雷诺 数 ；Ｄ 为微通 道水 力直 径 ｍ） （ ；Ｐ
１氮 气瓶 ２ 减 压阀 ３ 截止 阀 ４压 力 定值 器 ｓ储 液 罐 ６补 充储 液 罐 ． ． ． ． ． ． ７压 力传 感器 ８ 数据 采集 系 统 ９ 实验段 １． 电偶 ｌ． ． ． ． ０热 １电子 天 平
（ ｔ ｅＫ ｙＬｂｒｔ ｙｏ Ｍ ｈｐ ａｅＦｏ ｏ ｅ ｎｉｅｒ ｇＸ ’ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｒ ｔ， ｉａ ｈａｘ ７ ０ ４ ， ｈ ａ Ｓ ｔ ｅ ａｏａ ｒ ｆ ｕ ｉｈｓ ｌ ｉ Ｐ ｗ ｒ ｇ ｅ ｎ ， ｉ ｎＪ ｏ ｎ ｎｖ ｓｙ Ｘ ’ Ｓ ａｎ ｉ １０ ９ Ｃ ｉ ） ａ ｏ ｗｎ Ｅ ｎ ｉ ａ ａｏ ｅｉ ｎ ｎ
道 简 单 ，通 道 平 均 孔 隙 率 的 实 验 值 与 Ｂ ｔ ｒｏｔ ｕｔ ｗ ｒ ｅ ｈ （９ ５ １７ ）关联式基本一致 ，水平套 管 内压降实 验值 与 Ｆｉ ｅ １７ ）关 联式 很好地 吻合 。Ｗｕ等 实 验研 ｒ ｄｌ（９ ９ ｅ
商业化还 是科 学研究上都变得越来越普及。关于微 通 道 内流体 阻力特性 ，国内外学者 已经进行了大量的研
越提前 。Ｙ 等 对 圆管 内氮气 和水 的流 动特性进 行 ｕ 了系统研 究 ，实验结果 表明 ：在微通 道中用雷诺数来
内部形状对微通道内流体流动及换热特性的影响研究
内部形状对微通道内流体流动及换热特性的影响研究为了研究微通道的内部因素对其流动与换热特性的影响，文章通过对矩形、圆形、椭圆形、三角形和梯形五种内部形状的微通道，进行了微通道内流体在层流流动方式下的流动与传热的计算机仿真研究，对比了不同形状对微通道内部流动换热性的影响规律。
结果表明，在水力直径为1.16～3.12mm范围内和长度为10mm的微通道中，注入初始速度为0.1m/s的液体水，内部因素对微通道内流体的压力分布规律影响不大，对流速分布规律影响也不大，但是对压力大小和速度大小有明显的影响；三角形和梯形对加热面冷却效果较好，而圆形和正方形的冷却效果较差。
文章的研究目的在于为微流体以及微流体机械的设计和应用提供一种科学计算成果。
标签：微通道；内部形状；流体压力；速度分布；数值模拟引言微通道冷却系统概念最早是在20世纪80年代由Tuckerman和Pease[1]提出。
微通道换热器由于其结构紧凑、工质充注量少和换热性能优良等特点，在冷却散热方面成为研究热点。
越来越多的学者对其进行研究。
微通道的尺寸结构主要对微通道高宽比、微通道长度和进出口尺寸进行研究。
He等人[2]得出最大速度位于三角形微通道形心处，截面的平均温度沿程线性变化。
Liu等[3]在相同热边界条件下，通过比较水力直径、通道长度和宽高比等几何参数对液体微流动的影响。
Qu等人[4]测得梯形微通道内水流动的摩擦阻力系数高于层流理论的预测值。
Wang等人[5]测得圆形和矩形微通道内润滑油流动的摩擦阻力系数低于理论预测值。
国内外学者对影响微通道内流体流动特性的因素进行了研究。
由于更多的研究集中在微通道的尺寸，水力直径以及相对粗糙度对微通道内部液体流动的影响，而对于微通道内部形状这一因素，有一定涉及，而对于多种内部因素形状对微通道内流体流动与传热的影响研究，鲜有报道。
本文针对上述问题，分别对矩形、圆形、椭圆形、梯形及三角形五种不同形状的微通道内部因素进行了流动和传热的计算机仿真研究。
第三讲 流体的流动阻力
u F dy du y 0 x u=0
平板间流体速度变化
将下板固定，而对上板施加一个恒定的外力，上板 就以某一恒定速度u沿着x方向运动。
Y
实验证明，对于一定的液体，内摩擦力F与两 流体层间的速度差u呈正比，与两层间的接触面积A 呈正比，而与两层间的垂直距离y呈反比，即： F∝(du/dy)A
（1）剪应力分布
流体在圆管中速度分布曲线的推导
R
p1
d
r
uy
τ
p2
L
稳态流动，所受合力为零:
p1r 2 p2r 2 2rL
整理得：
r (p1 p 2 ) ——适用于层流或湍流 2L
r 0
(管中心）
0
max R (p1 p 2 ) 2L
rR
(管壁）
二、 流体的流动现象
1. 雷诺实验
为了解流体在管内流动状 况及影响因素，雷诺设计的实
验可直接观察到不同的流动形
态。实验装置如图所示。
C
墨水流线
D
B
A 玻璃管
流速不大时墨水呈一条直线，平稳流过管，质 点彼此平行的沿着
层流
(a)
管轴的方向作直线运动，质点与质点之间互不混合。这 种流动形态称为滞流或层流。
改变表面的形状，
如汽车、飞机、桥墩都是流线型。
p x
x
10 ~ 12时，发生分离
例 3-5 在φ168mm×5mm的无缝隙钢管中输送原料油，已
知油的运动黏度为 90cst，密度为 910 kg·m-3，试求燃料油在
微细通道纳米制冷剂流动沸腾阻力特性
2016年第35卷第12期 CHEMICAL INDUSTRY AND ENGINEERING PROGRESS·3763·化 工 进 展微细通道纳米制冷剂流动沸腾阻力特性罗小平，张霖，刘波（华南理工大学机械与汽车工程学院，广东 广州 510640）摘要：分别以质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的Al 2O 3-R141b 纳米制冷剂和纯制冷剂R141b 为工质，在水力直径为1333μm 的矩形微细通道内进行了流动沸腾实验，分析了纳米颗粒浓度对工质两相摩擦压降的影响，对比了实验前后换热壁面的表面能。
研究结果表明：实验工况相同时，质量分数为0.2%、0.5%和0.8%的纳米制冷剂的两相摩擦压降均比纯制冷剂低，降低的最大幅度分别约为11.6%、14.8%和19.2%；实验后纳米颗粒在换热壁面附着，使壁面表面能增大，质量分数为0.2%、0.5% 和0.8%的纳米制冷剂实验后换热壁面表面能比实验前分别增大了1.26倍、1.44倍和1.91倍，减小了换热表面的粗糙度和提高其润湿性，使得工质两相摩擦压降减小；根据实验值与模型预测值的对比情况，对Qu-Mudawar 模型进行修正，拟合得到的关联式能很好预测实验值，平均绝对误差为9.78%。
关键词：微细通道；纳米制冷剂；两相摩擦压降；表面能中图分类号：TK 124 文献标志码：A 文章编号：1000–6613（2016）12–3763–08 DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.12.005A study on flow boiling resistance of nanorefrigerant in rectangularmicrochannelsLUO Xiaoping ，ZHANG Lin ，LIU Bo（School of Mechanical and Automotive Engineering ，South China University of Technology ，Guangzhou 510640，Guangdong ，China ）Abstract ：The flow boiling characteristics were experimentally investigated through the aluminum-based rectangular microchannels with a hydraulic diameter of 1333 m ，using Al 2O 3-R141b nanorefrigerants with a different partical of 0.2%，0.5% and 0.8%（mass fraction ） and pure refrigerant as the working fluids. The effect of concentration on the two-phase frictional pressure drop were investigated by comparing the surface energy of heat transfer surface before and after experiment. Results showed that when nanorefrigerants with a different particles of 0.2%，0.5% and 0.8% were working fluids ，the two-phase frictional pressure drop was lower than pure refrigerant under the same experimental conditions ，and the biggist drop were 11.6%，14.8% and 19.2%. Nanoparticles adhered to the surface after experiment and increased the surface energy of heat transfer surface by 1.26 times ，1.44 times and 1.91 times ，respectively. It reduced the roughness and improved the surface wettability of heat transfer surface ，made two-phase frictional pressure drop decrease. Based on the comparison of experimental data with predicted value of models ，modified Qu-Mudawar ，the new correlation had a better predict ability. The mean absolute error decreased to 9.78%.Key words ：microchannels ；nanorefrigerant ；two-phase frictional pressure drop ；surface energy第一作者及联系人：罗小平（1967—），男，教授，主要从事微尺度相变传热研究。
矩形微通道中不同流体流动规律和阻力特征实验研究
矩形微通道中不同流体流动规律和阻力特征实验研究嘿，伙计们！今天我们来聊聊一个非常有趣的话题：矩形微通道中不同流体流动规律和阻力特征实验研究。
这个话题听起来有点儿高大上，但其实它就是关于怎么让两种液体在一个小盒子里和平共处的实验。
咱们就把它当成是一场“液体舞会”，看看它们之间会发生什么有趣的事情吧！咱们要了解一下这个实验的基本结构。
实验通常会有一个矩形的通道，里面有两个平行的液面。
这两个液面之间的距离很小，所以它们就像是在跳舞一样，不断地交错、碰撞。
在这个过程中，我们可以观察到两种液体的运动规律和阻力特征。
接下来，我们来看看这个实验中液体是怎么“跳舞”的吧！当第一个液面下降时，第二个液面会上升，反之亦然。
这就像是在跳一支双人舞，一个跳高，一个跳低。
这可不是那么容易的。
在这个过程中，两个液面之间会产生一些摩擦力，这就是阻力。
阻力越大，两个液面就越难“跳舞”。
那么，阻力对实验有什么影响呢？咱们可以通过改变通道的尺寸来观察。
如果通道很大，那么阻力就会很小，两个液面就可以自由地“跳舞”。
但是如果通道太小，阻力就会变大，两个液面就会变得很难“跳舞”。
所以说，阻力的大小对于观察液体运动规律非常重要。
除了阻力之外，还有一些其他的因素也会影响液体的运动规律。
比如说温度、压力等等。
这些因素都会使得液体的运动变得更加复杂。
但是总的来说，只要我们掌握了基本的原理，就可以轻松地进行这个实验。
好了，现在咱们已经了解了这个实验的基本原理和过程。
接下来，让我们来实际操作一下吧！我们需要准备一些材料：一个矩形的通道、两个透明的容器、一些水和一些盐水。
然后，我们就可以开始进行实验了。
我们要把两个容器倒满水和盐水。
然后，我们要把其中一个容器的水倒入另一个容器中。
这样一来，两个容器中的水就会形成一个“舞池”。
接下来，我们就要开始观察了！当我们把水从一个容器倒入另一个容器时，我们会发现两个液面之间会产生一些摩擦力。
这就是阻力。
随着阻力的变化，两个液面的运动规律也会发生变化。
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。
微通道内纳米流体传热流动特性
微通道内纳米流体传热流动特性目录一、内容描述 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状 (4)3. 研究内容与方法 (5)二、微通道内纳米流体传热理论基础 (6)1. 纳米流体概述 (8)1.1 定义与特性 (8)1.2 纳米流体的制备与性质 (9)2. 微通道传热理论基础 (11)2.1 微通道概念及优势 (12)2.2 传热基本理论 (13)三、微通道内纳米流体流动特性研究 (15)1. 纳米流体流动性质 (16)1.1 粘度特性 (16)1.2 流动性及流动阻力 (17)2. 微通道内纳米流体流动行为分析 (18)2.1 流动模式 (19)2.2 流动特性影响因素研究 (20)四、微通道内纳米流体传热特性研究 (22)1. 纳米流体传热性质 (23)1.1 导热系数 (24)1.2 热扩散系数 (24)2. 微通道内纳米流体传热行为分析 (25)2.1 传热模型建立 (26)2.2 传热性能影响因素研究 (27)五、微通道内纳米流体传热流动特性实验研究 (28)1. 实验系统搭建 (30)1.1 实验装置介绍 (31)1.2 实验操作流程 (32)2. 实验结果分析 (33)2.1 实验数据记录与处理 (34)2.2 实验结果讨论 (35)六、微通道内纳米流体传热流动特性数值模拟研究 (35)一、内容描述本篇论文深入探讨了微通道内纳米流体的传热流动特性，旨在揭示纳米尺度下流体与壁面之间的相互作用机制及其对传热效率的影响。
通过采用先进的实验技术和数值模拟方法，本研究对不同纳米颗粒尺寸、形状以及添加剂的纳米流体在微通道中的对流换热和热传导过程进行了系统的研究。
论文首先介绍了纳米流体的基本概念和特性，以及微通道在热传递领域的应用背景。
通过实验观察和数值模拟，详细分析了纳米颗粒尺寸和形状对流体对流换热系数的影响，揭示了纳米颗粒表面效应和颗粒间的相互作用对传热过程的作用机理。
论文还探讨了添加剂对纳米流体传热性能的改善作用，特别是表面活性剂和金属纳米颗粒对对流换热和热传导的显著增强效果。
Y型微通道两相流内部流动特性
Y型微通道两相流内部流动特性刘赵淼;刘丽昆;申峰【摘要】利用显微粒子图像测速技术、高速度数码显微系统及数值模拟方法研究了Y型微通道内液滴的形成.主要考虑了Y型角度(45.,90.,135.,180.)、两相流量大小等因素的影响.发现在挤压机制中,Y型微通道内分散相液滴的形成主要受到来自连续相的剪切作用,Y型角度越小,分散相所受到的剪切作用越大.在液滴生成过程中,连续相速度剖面呈非对称抛物线型分布.当Y型角度小于180.时,角度的变化对液滴直径大小影响较小,但角度的减小会加快液滴的生成时间.当Y型角度为180.时,生成的液滴体积最大且生成时间最长.毛细数对液滴直径和生成时间的变化同时产生影响,连续相毛细数的增大使得连续相在两相交汇位置处对分散相的作用力更集中,导致分散相更易破裂.【期刊名称】《力学学报》【年(卷),期】2014(046)002【总页数】8页(P209-216)【关键词】微流控;Y型微通道;Y型角度;显微粒子图像测速技术;数值模拟【作者】刘赵淼;刘丽昆;申峰【作者单位】北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100124;北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京100124【正文语种】中文【中图分类】O368微流控芯片实验室可将化学或生物实验室微缩到一块数平方厘米的芯片上[1]，而微流控芯片在化学和生物医学的多相流研究领域中有着广泛的应用，如化学合成、生物制药、药物筛选，以及食品和化妆品行业中的乳化技术等[2-4].与常规方法相比，用微通道产生的微滴具有较高的均一性，而且生成过程快，频率高[5-14].不同的应用领域中由于微流控芯片作用不同，对所形成液滴大小的要求也就不同.因此，针对不同结构的微通道，合理控制和预测不同工况条件下液滴尺寸大小及生成周期，对工业应用有着重要的指导意义.制约着生成液滴大小的因素有很多，如分散相黏度[15]、两相流动速度比值[16]、微通道尺寸[17]、壁面对两相流的润湿性[18]等.不同的交汇方式，两相流型也存在差异，Zhao等[11]在T型入口处观察到了弹状流、单分散油滴、小滴群、光滑界面平行流、波动界面平行流、混乱细条纹流等流型.Cubaud等[19]研究了十字聚焦型微通道内液液两相流的流型，观测到螺纹型、喷射型、滴状型、管状型、滑移型5个流型.Dessimoz等[20]发现同样条件下Y型入口的微通道中容易形成平行流.骆广生等[21]提出液液非均相体系的流动与混合行为主要有3种形式：平行流、弹状流、滴状流.对于微通道内部两相液体流动状态，也有学者利用显微测速系统，针对不同的两相交汇结构进行了实验研究.Steijn等[22]通过显微粒子成像测速系统对T型结构微通道内气泡形成过程中流动区域进行了观测.分别观察了微通道不同平面深度下连续相酒精的速度分布，并发现气泡快速收缩发生在颈缩半径为通道宽度的四分之一处.King等[23]利用T型微通道，观察到在不同液滴移动速度下液滴内部的速度变化，发现当液滴移动速度较快时，液滴内部速度呈现内循环流动.根据微通道几何构型、尺寸的不同，可以将其设计和改进成各种用途的微元器件，其中T型结构和聚焦型结构微通道是比较有效的方式，目前的研究成果较多.而关于Y型微通道的研究多集中于两相混合后的流型分析，对于液滴大小、形成周期的影响因素还缺少系统研究.因此本研究以不同角度的Y型微通道为研究对象，对液滴形成的大小及其影响因素进行分析，并从微通道内部速度矢量分布情况来进一步解释不同情况下液滴形成周期、大小存在差异的原因.1.1 微通道尺寸及形状本文实验所用微通道的材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS).主要加工方式为在微通道模板上浇注聚二甲基硅氧烷，随后待聚二甲基硅氧烷凝固后脱模，最后将脱模后的聚二甲基硅氧烷与基板密封(plasmatreat)，加工粗糙度≤0.2µm.连续相、分散相微通道长均为12mm，主通道长20mm；Y型微通道Y型角度(α)分别为45◦,90◦,135◦,180◦;微通道截面为500µm×500µm的矩形截面，如图1所示. 1.2 实验装置显微粒子图像测速技术(m icro-PIV)是基于图像分析的无扰动流场测量技术，实验装置图如图2所示.实验中采用直径为3.2µm的示踪粒子，为避免示踪粒子粘连在微通道壁面上，向添加示踪粒子的液体中加入0.2%的吐温20(Tween20).显微镜放大倍数为5倍，激光强度为770.此外实验中还利用高速摄影技术对Y型微通道内两相流动现象进行了图像采集，每秒保存250帧.分散相液体为液体石蜡，连续相液体为无水乙醇，实验测量的液体性质参数见表1.实验在室温(20◦C)及常压条件下进行.1.3 数值计算方法本文利用计算流体力学软件CFD-ACE+进行三维数值模拟.采用结构化六面体网格进行模拟，选用Y型角度为90◦微通道模型进行网格依赖性验证，其中连续相入口流量400µL/m in，分散相入口流量2µL/m in，不同网格量下计算所得液滴直径及生成周期结果如表2所示.在其他条件相同的情况下，网格数为209200与网格数为78000计算所得的液滴直径及生成周期的相对误差在0.6%以内，可见本模拟对网格的依赖性不大，因而可以采用网格数为78000进行数值模拟.其余Y型角度的网格数集中在7万至8万之间.本文采用流体体积模型对微通道内两相流动进行分析.连续方程和动量方程如下两相界面的运动通过基于分别代表一个计算单元中连续相和分散相体积分数αc和αd的分布来表示，其中αc=1(αd=0)代表连续相，αd=1(αc=0)代表分散相.因此，在一个计算单元中两相交界面依赖于αd和αc在0至1中的取值大小.在两相发生混合的单元中，式(1)和式(2)中两相混合的密度和黏度可由下式来计算体积分数αd可通过解体积分数的连续方程来得到边界条件为壁面无滑移，且微通道内部液体可视为不可压缩非定常流动，采用速度入口并控制出口为自由出口.分散相不浸润通道壁，接触角为150◦.2.1 Y型微通道内液液两相流流型特征在正交T型微通道中随连续相毛细数(Cac= ηv/γ，η和v分别是连续相的黏度和速度，γ为二相介质间的界面张力)的变化，微液滴的形成过程表现出挤压、滴流和喷射这3种不同的机制[6-8,24-25].当连续相毛细数值较小时，液滴是在分散相对连续相的流动阻力和其内部表面张力相互作用的情况下形成的.此时，液滴的形成为挤压机制[25].当连续相毛细数不断增大超过某一临界值后，液滴的形成进入滴流机制[6]，此机制下，液滴的形成是液滴内部的表面张力和其所受的剪切力相互作用的结果[26].而最新的研究表明在挤压和滴流机制之间，存在着一个明显的过渡机制[6,8,27].本文验证了在Y型微通道下，随连续相毛细数的增长液滴先后经历了挤压、过渡和滴流这3种不同的形成机制.对应不同的机制，可得到不同的流型，而分散相毛细数(Cad)的变化对液滴的形成机制没有直接的影响.在挤压机制下，分散相形成段塞流(图3(c))，其液滴长度L＞2w(w为主通道的宽度).在过渡机制下，形成的弹状流液滴呈卵石型(图3(b))，而滴流机制下的液滴流液滴近似圆球(图3(a)).此外通过实验还观察到柱状流(图3(d))及并行流(图3(e)).柱状流为不稳定流型，随着稳定时间延长，此流型会逐渐向稳定流型并行流转变.Y型微通道内典型流型如图3所示，以Y型角度为90◦为例.2.2 液滴破裂过程中两相液体的速度及压力分布图4 为分别利用高速摄影、显微粒子图像测速技术及数值模拟得到的Y型微通道内液滴在挤压机制下的破裂过程及对应的连续相速度矢量图，以Y型角度为45◦为例.由于两相液体以一定角度相向交汇，导致连续相液体速度在交汇处大部分发生偏转，剩下一部分液体还保持原来的速度方向.进入主通道后，连续相速度方向相切于两相界面，随着分散相逐渐进入主通道，连续相速度矢量保持与两相界面相切，直至分散相破裂.说明Y型微通道内分散相液滴的破裂除受到其内部的表面张力外主要受到来自连续相的剪切作用.由图4可知，数值模拟结果与实验结果能够较好吻合，验证了利用数值模拟方法进行微尺度下两相流研究的可靠性.Y型角度不同，两相液体在交汇处所成角度也存在差异，如图5所示.随着Y型角度的减小，在交汇处连续相速度方向发生偏转的比例逐渐减小，来自连续相流量的速度矢量在两相交汇处与两相界面所成角度逐渐减小，即来自连续相流量的剪切作用更显著.图6为Y型微通道主通道横截面内，由显微粒子图像测速技术测量的连续相液体随分散相液滴逐渐形成过程中的速度曲线.图7为对照显微粒子图像测速技术实验，通过数值模拟方法得到的在液滴破裂过程中，微通道内两相液体的压力云图，用以解释连续相速度剖面发生变化的原因，以Y型角度为45◦为例.首先由图6观察到当分散相开始进入主通道时，连续相速度剖面同微通道内液体单向流动时的泊肃叶(Poiseuille)分布一致，速度大小保持抛物线型，即通道中间速度最大，其大小达到连续相液体入口速度(0.02m/s)，靠近通道壁面的速度最小(接近0m/s).而随着时间的增加，分散相逐渐进入主通道中，连续相速度剖面虽然还保持为抛物线型，但是抛物线的顶点速度变大，增大的幅度达到连续相入口速度的10%(约为0.022m/s)，曲线更陡峭.结合图7观察到在液滴生成过程中，液滴头部的压力最大，同时与之相对应的主通道内连续相压力也有所增大，说明分散相向主通道运动的同时挤压着靠近其头部的连续相液体，因此使得受到挤压的连续相液体中间速度变大，解释了连续相速度抛物线顶点速度变大的原因.而对于与分散相头部相切的连续相液体，速度剖面中的速度抛物线顶点向上壁面移动，且峰值变大；当主通道的某一横截面内同时被连续相和分散相占据时，连续相的最大速度达到最大值，增大幅度约为连续相入口速度大小的2倍左右(约为0.035m/s)，且速度抛物线顶点继续向上壁面移动(图6).这说明连续相受到来自分散相的挤压作用更大，才导致其速度变大.此外由图7(a)～7(c)可知，随着连续相在两相交汇处压力的增大，液滴开始发生颈缩，且在分散相通道与主通道交点处液滴内部的压力逐渐由310Pa增大至370Pa，且交点处的最大压力面积发生扩散，最后在压力最大位置的中心处发生破裂.而在两相交汇位置处，连续相液体的内部压力随着分散相开始进入主通道而变大，变化幅度约为100Pa；当液滴开始颈缩后，连续相内部压力继续增大至250Pa；当液滴即将发生破裂时，连续相内部压力不再继续增大，而是发生小幅度减小，压力降至225Pa(图7(d))；随着分散相液滴完成破裂后，连续相在分散相颈缩附近的压力继续下降至100Pa (图7(e))，此后进入液滴生成的下一周期，说明液滴的生成伴随着两相流压力的周期性变化.2.3 液滴直径及生成时间的影响因素分析图8 为经过高速摄影拍摄后，利用ImageJ软件对图形进行测量，得到的不同Y 型角度微通道在不同两相毛细数下生成的液滴流液滴的直径.当Y型角度小于135◦时，液滴大小不受Y型微通道角度的影响而变化.但是当Y型角度增大到180◦时即为对流T型微通道，液滴直径较Y型微通道大，增大的幅度在2%以内.说明在乳化、混合过程中利用Y型微通道可得到体积更小的液滴，以使其乳化、混合效果最好.此结论与Steegmans等[28]利用微通道深度较其宽度小很多的Y型微通道得到的结论一致.两相流毛细数的变化同样对液滴直径有着重要影响，当分散相毛细数不变，连续相毛细数增大25%左右时，液滴直径减小幅度约为3.4%～3.7%；当连续相毛细数不变，分散相毛细数增大25%时，液滴直径相应增大1.7%～2%.两相毛细数对液滴大小的影响主要在于：当两相液体相遇后，在两相交汇处形成分散相/连续相界面，分散相在压力推动和连续相剪切力作用下与连续相同步向前运动，当界面张力不足以维持连续相施加的剪切力时，分散相断裂生成独立的液滴.而当连续相毛细数增大时，其自身的黏性力作用增强，分散相受到来自连续相的剪切作用相对增大，因此分散相更容易破裂，形成的液滴更小，且连续相比分散相对液滴直径的影响作用更大.图9 为经过高速摄影拍摄后，所得的不同Y型角度的微通道在不同两相毛细数下生成液滴的时间.虽然Y型角度对液滴直径的影响很小，但其对液滴生成时间的影响作用更大.随着Y型角度的增大液滴生成的时间更长，图5中不同角度Y型微通道内两相液体交汇处连续相不同的速度矢量分布可解释此原因.随着Y型角度的减小，来自连续相流量的速度矢量在两相交汇处与两相界面所成角度逐渐减小，即来自连续相流量的剪切作用更显著，导致了两相界面的失稳，随后液滴破裂.微液滴的主要生成过程是如何施加足够大的作用力以扰动连续相与分散相之间存在的界面张力使之达到失稳.通常分散相某处施加的力大于其界面张力时，该处微量液体会突破界面张力进入连续相中形成液滴[29].图9中两相毛细数对液滴生成时间的影响，可以说明液滴形成的机制.当分散相毛细数或连续相毛细数增大时，导致两相液体黏性力增大，使得两相界面的不稳定性增强，因而液滴破裂生成的时间更短. 图10 为不同连续相毛细数下，Y型微通道内分散相液滴破裂前连续相速度矢量图，以Y型角度为90◦为例.从图10(a)中可以观察到，当连续相毛细数较小时，两相交汇处连续相的速度矢量除一部分指向主通道方向，还有一小部分在两相界面上产生一个很小的涡.而随着连续相毛细数的增大，这个涡逐渐消失，连续相在遇到分散相时速度矢量角度逐渐变小，直至与两相界面相切，如图10(b)所示.此外，连续相毛细数的增大使得分散相破裂的位置更靠近两相交汇位置，颈缩长度更短.说明连续相毛细数的增大不仅增强了其内部的黏性力，还使得连续相在两相交汇位置处对分散相的作用力更集中，导致分散相颈缩长度更短、更易破裂.因此从两相流内部流动情况解释了不同连续相毛细数下，分散相形成液滴的大小以及生成周期的不同.(1)Y型微通道中，随连续相毛细数的增大，液滴先后经历了挤压、过渡和滴流这3种不同的形成机制.在挤压机制中，分散相液滴的破裂除受到自身的表面张力外，来自连续相的剪切作用效果明显，Y型角度越小，分散相所受到的剪切作用越大. (2)液滴生成过程中，当主通道中同时填充两相液体时，连续相速度剖面呈非对称抛物线型分布且最大速度达到最大.而液滴的破裂过程伴随着两相液体内部压力的周期性变化，在液滴破裂瞬间，其分散相颈缩部分的压力值达到最大.(3)当Y型角度小于180◦时，角度的变化对液滴直径大小影响较小，但角度的减小加快了液滴的生成时间.当Y型角度为180◦时，生成的液滴体积最大且生成时间最长.(4)毛细数同时影响着液滴直径大小和生成时间.当连续相毛细数增大或分散相毛细数减小时，液滴直径减小；当分散相毛细数或连续相毛细数增大时，液滴生成时间变短.连续相毛细数的增大使得连续相在两相交汇位置处对分散相的作用力更集中，导致分散相颈缩长度更短、更易破裂.1王澎,陈斌.T型微流控芯片中微液滴破裂的数值模拟.化工学报, 2012,64(4):999-1003(Wang Peng,Chen Bin.Numerical simulation ofm icro-dropletbreakupin T-shapedm icro-fluidi chip.Journal ofChemical Industry and Engineering,2012,64(4):999-1003 (in Chinese))2 Li SB,Ma YG,Zhu CY,et al.Turbulent characteristic of liquid around a chain of bubbles in non-new tonian fluid Chinese Journal ofChemicalEngineering,2012,20(5):883-8883 Shao HW,L¨u YC,Wang K,etal.An experimentalstudy of liquidliquidm icrofl w patternmapsaccompaniedw ithmass transfer.Chinese JournalofChemical Engineering,2012,20(1):18-264魏丽娟,朱春英,付涛涛,等.T型微通道内液滴尺寸的实验测定与关联.化工学报,2013,64(2):517-523(Wei Lijuan,Zhu Chunying,Fu Taotao,etal.Experimentalmeasurement and 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Chinese JournalofAnalyticalChemistry,2012,40(8):1293-1300(in Chinese))1)The projectwassupported by the NationalNaturalScience Foundation of China(11072001,11002007)and PHR(IHLB).2)Liu Zhaomiao,professor,research interests:microfluimechanics,computational flui dynamics,and fluid-structur interaction analysis. E-mail：************.cn。
微通道——精选推荐
微通道微通道内液-液两相流流型引⾔对于常规尺⼨的管道，液-液两相的流动形式主要为湍流；但是对于特征尺⼨处于微⽶到毫⽶范围内的微通道，由于微尺度效应，液-液两相的流动形式主要为层流，且两相间界⾯受流动状况和界⾯张⼒影响，产⽣了多种界⾯现象，呈现不同的流型。
正确辨识微通道内液-液两相流型，是研究液-液两相流的基础。
1 液滴的⽣成⽅式及机理液液两相流中液滴的形成过程与⽓泡类似，但液滴与连续相之间的表⾯张⼒作⽤更加明显，粘性⼒的作⽤更加突出，同时由于液滴的不可压缩性使得其流型更具规律性。
按照液滴在通道⼊⼝的⽣成⽅式，可以将制备液滴的⽅法分为三类:共流型(Co-flowing)、交叉流型(Cross-flowing)、拉伸流型(Elongation-flowing)，如图1所⽰。
图1 微通道中液滴的三种形成⽅式三种⽅式中，液滴的形成原理各不相同。
对于共流型⽽⾔，分散相通过微孔进⼊通道内，由于连续相和分散相的流速不同，分散相受剪切⼒、粘性⼒及表⾯张⼒的共同作⽤形成液滴；对于交叉流型⽽⾔，分散相通过⽀路通道进⼊到连续相中，液滴形成受通道壁⾯的影响较⼤；对于拉伸流型⽽⾔，其原理与共流型类似，但其受连续相的剪切作⽤更强。
相⽐较⽽⾔，交叉流型只需⼀对相互交叉的通道⼊⼝即可，微通道的结构相对简单，因此被⼴泛⽤于液液两相流中液滴的⽣成。
液滴的形成过程主要可分为Squeezing、Dripping以及Jetting三种机制，如图2所⽰。
图2 T形微通道中液滴的三种形成机制液滴的三种形成机制与流体粘度和表⾯张⼒关系较⼤，为⽅便讨论引⼊了⽑细数Ca 这⼀⽆量纲常数(定义为流体粘性⼒与表⾯张⼒之⽐Ca=uµ/σ)。
当⽑细数较⼩ (<10-2)时，流体受表⾯张⼒的作⽤较粘性⼒更为明显，此时分散相能够占据整个通道，在⼊⼝处受到连续相较强的推动⼒作⽤，此时液滴的形成机制为Squeezing机制；当⽑细数逐渐增⼤到超过某⼀临界值(~10-2)后，流体粘性⼒的作⽤也随之变⼤，液滴头部在粘性⼒的作⽤下会逐渐往通道下游移动，微液滴不再能够占据整个通道，此时液滴的形成机制为Dripping机制；当液滴的⽑细数继续增⼤(>0.3),此时流体的粘性⼒起主导作⽤，液滴的形成位置会沿着连续相流动⽅向⼤⼤后移，此时液滴的形成机制为Jetting机制。
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3500
4000
100
1000
Re
Re
上图为粗糙微圆管的摩擦阻力特性曲线。从左图 中可以看出，对于层流流动而言，f值与常规理论 预测值比较吻合。只有长径比较小的*4号微管层 流流动阻力系数比常规尺度光滑管的理论值稍微 偏大约15%~35%，产生这种现象的原因很有可能 是由于入口效应和粗糙度的共同作用引起的，而 对于长径比较大的*1、*2和*3号管，在Re<1000 时，其流动阻力特性与常规尺度管的情况相差不 大，但随着Re的增大，Po值有所增加。长径比最 大约为275.36的*1号管其入口段效应对流动的测 量不是那么明显，流体的流动发生转捩前其Po值 增大幅度不到10%，而*2号微管长径比为156.5， 入口段对测量的影响与*1相比稍大一些，它的增 大幅度接近20%；*3号微管在层流区的f值基本与 *2号管重合。
实验装置和实验方法
图1所示实验台可以提供0~1.6MPa的压力， 图2所示实验系统可用于系统压力高至 6.0MPa时的实验工况。
图1中实验系统由高压氮气瓶供压，经氧气减 压阀后压力减至1.5MPa，贮液罐中装液体工 质，液体在高压氮气驱动下流经在线过滤器 (最小滤膜孔径7μm)后进入实验件。
Distilled water
Ethanol
R113
theoretical prediction (Harynett and Kostic 1989) f Re=59.48
0.01
10
100
1000
10000
Re
Re
通过测量蒸馏水、无水乙醇和R113三种工 质在粗糙度为2%以下的矩形紫铜微管（5 号）内的流动阻力特性实验研究表明微管 内流动从层流到湍流的转捩发生在 Re≈1600-2100之间，与前人实验结果对比 可以发现矩形微管内流体转捩雷诺数受到 多种因素的影响：微管的水力直径或高宽 比越小，其转捩雷诺数越小。
#6号微管与#5号微管相比粗糙度较大，约为2.03%。 其实验雷诺数范围是：16.99~7426.25。从图8和9 中可以看出：当Re<500时，三种工质在#6号微管 内的流动阻力特性基本一致；微管的f和Po值基本符 合理论预测值，但随着雷诺数的增大其f和Po值随之 相应增大，我们认为可能是由于其粗糙度较大从而 引起微管内部的流动阻力系数增加。微管内流体流 动从层流到湍流转捩的拐点位于Re≈2700~2800之 间，当Re进一步增大时，流动进入湍流区
f P
h
L
u 2
Po=f∙Re
Re uDh /
式中为运动粘度。式(1)中△P是微管两端的 压差
由于微管几何尺寸较小，受条件限制微管 不是很长，因此需要在实验数据处理中消 除进出口处各种压力损失的影响：包括截 面突然收缩、流体加速造成的压力损失， 入口处涡流、加速、撞击及转向造成的局 部压力损失，以及流动入口段速度剖面变 化[12]。其中，v是实验工质的密度，Dh和 L分别为微管的水力直径和长度，u是微管 内流体的平均速度，其计算公式为：
结 论
(1) 工质的极性对微管内流体的摩擦阻力特性基本没 有影响； (2) 粗糙微圆管内流动阻力特性实验表明：f值和Po 随着Re的增大而逐渐增大，但是在低雷诺数下增大 幅度并不是十分明显；随着Re的增大，长径比较小 微管的Po值较长径比较大的微管增幅更大，产生这 种现象的原因可能是由于长径比较小的微管入口效 应比较明显；
氧气减压阀
止回阀 双层过滤器 数据采集系统 压力温度传感 器接头 紫铜微管
储 液 罐 氮 气 瓶 快开阀 精细调压阀
在线过滤器 电子天平
容器
图2中实验原理和图1一样，但是所有实验件 承压能力较高。
快开阀
数据采集系统 压力、温度传感器
储液罐
D=3mm不锈钢管
测试段 在线过滤器 快开阀
高纯氮气瓶
综合本研究者的研究结果与其他研究结果表明， 矩形微通道内的湍流转捩有提前发生，亦有延 后发生的，正如常规尺度管内发生湍流转捩的 临界Re数可以是2300，也可以远远高于2300一 样。矩形微通道内流动阻力特性会受到水力直 径、高宽比和粗糙度等因素的影响，这些因素 将有可能将导致其内流动由层流到湍流的转捩 发生提前，但不一定是湍流转捩的充分条件。 各个因素对微通道内流动具体的影响方式以及 影响湍流转捩的充分必要条件还有待于进一步 的研究
通过测量微管进出口压力、温度和流量，我 们可以利用公式(1)~(4)计算出微管的摩擦阻 力系数f、泊肃叶数Po和雷诺数Re，再将微 管的摩擦阻力系数f与常规管内的层流区流动 阻力特性关联式的理论计算值进行比较，作 出微通道内流动阻力特性的曲线图如图4~9所 示
250
f=64/Re
1
Po=fRe=64
背景
随着微流体器件和微型传热装置被大量的运 用于工质输送以及热量传递，微尺度传热学 逐渐成为国际传热界研究的热点问题。从20 世纪80年代起，便有大量文献对微通道内流 动和换热特性进行了实验研究。
迄今为止，众多学者关于微通道内流动阻 力特性的研究所得的结论还很不一致，不 同研究者的结论大相径庭，甚至相互矛盾。 目前，微管中流动阻力特性的实验研究方 法主要分为两种：一种直接在微通道内部 布置压力传感器；另外一种为直接在微通 道进出口的连接管道上连接压力传感器。 由于管径较小，直接在管道上开孔困难， 而且费用往往很高，因此众多研究者往往 采用第二种测压方法，测出压降后，利用 公式求得摩擦阻力系数。大多数学者在采 用这种方法的过程中忽略流体的入口效应 对流动阻力特性的影响。
200
150
Ethanol R113 Theoretical prediction (Harynett and Kosit,1989) f Re=60.16
1
Po
0.1
100
f
50
0
100 1000
0
500
1000
1500
2000
2500
Re
Re
这种现象的原因是由于长径比较小的微管 入口段效应较大从而影响了微管内部流体 流动阻力系数的计算，导致整体Po值偏高 于常规理论值64。相关文献认为，微管内 壁面较大的相对粗糙度造成壁面扰动能使 流动阻力增加，并使转捩提前，并且粗糙 度大于3%时，将使得层流区流体的阻力特 性明显偏高于理论预测值。本文实验结果 表明，虽然阻力特性偏离理论预测值，但 所有微管的阻力特性曲线出现明显的拐点 的雷诺数范围在2000~2300之间，由此无 法得到粗糙度使微圆管转捩提前的结论。
*1/*2/*3/*4
#5
#6
(a) 微管端面扫描电镜图 *1/*2/*3/*4 #5
#6
(b) 微管内壁面扫描电镜图 图3 微管扫描电镜图
表1 微管的几何特性
实验结果及分析
摩擦阻力系数计算方法
当流过微管的流体流量恒定时，其摩擦阻力 系数f、泊肃叶数Po和雷诺数Re的计算公式 为： D 2
(3) 实验结果表明：微管的入口段长度比常规 管的入口段长度稍短一些，但是还有待于通 过进一步的实验研究来建立微管内入口段长 度的计算公式； (4) 矩形微管内流动在层流区的摩擦阻力系数 与Hartnett [15]等拟合出的矩形微管层流流动 的理论预测关联式十分吻合；当相对粗糙度 小于2%时，其值对微管内流动阻力特性的影 响很小，当壁面粗糙度增大时，影响相应增 加，但粗糙度对微通道内流动阻力系数的影 响究竟有多大还有待于进一步研究；
综上所述，微管几何尺寸的测量误差是实验的主要 误差，其次实验工况的稳定性对实验的测量影响也 很大。因此，提高实验精度除了提高测量精度外， 很重要的是解决微管的内径几何尺寸的均匀性以及 减少实验误差。Lorenzini等通过分析压降、出口压 力、温度、长度、内径和流速对圆管内摩擦阻力系 数的影响之后也认为，在低雷诺数下流速和压降的 测量影响最后的误差，在高雷诺数下内径对流动阻 力特性的影响更大，表明设备仪器的精度影响了实 验的误差。
220 200 180
1
160 140 120
Distilled water Ethanol R113 theoretical prediction (Harynett and Kostic 1989) f Re=59.48
Po
0.1
f
100 80 60 40 20 0 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500
众所周知，对于常规管道而言，通道内的 入口段长度与长径比以及Re都有关，其长 度可用公式加以计算得到，而微通道内入 口段长度的研究是随着微小尺度下流动特 性的研究才引起人们注意的。众多文献中 提到的微管道内入口段长度的确定方法很 不一致，目前还没有形成统一的公式。本 文提出了研究具有不同长径比的粗糙微通 道内流动阻力特性的实验研究，重点研究 微通道内入口效应和粗糙度等因素对流动 阻力特性的影响。
(5) 微尺度是拐点提前的必要条件，但不是充 分条件。拐点提前是由多因素综合作用的结 果，其机理有待于进一步进行研究。
容器 高精度电子天平
压力调节阀
微管横截面几何尺寸采用环境扫描电镜来测 量，内壁面粗糙度由扫描电镜内壁面电镜图 来进行估算。扫描电镜横截面图像如图3所示： 图3(a)为微管端面扫描电镜图，图3(b)为微管 内壁面扫描电镜图。微管长度用游标卡尺(精 度为0.02mm)测量。微管几何特性尺寸测量 结果如表1所示
从右图中还可以看出，在250<Re<4900内， Po并非常数，而是随着Re值的增大而逐渐增 大，但是在低雷诺数下增大幅度并不是十分 明显；同时，随着Re的进一步增大，长径比 较小的微管较长径比较大的微管的Po值增幅 更大