微系统的流体力学特性

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。
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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 的的流体将呈现非牛顿流的特性。
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。
表面效应
与宏观尺度问题相比，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。
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。
边界层流
在宏观流动中，边界层引起的流动对整个通道的总 流动贡献很小。然而，Leabharlann Baidu着通道直径的减小，边界 层流动的作用变得显著起来。考虑到边界层诱导效 应和粘滞效应，微通道的流速可以表示为：
由此可见，粘滞流动速度与通道尺寸有关，而边界诱 导效应引起的流动速度与通道尺寸无关。因此随着通 道直径的减小，边界层流动对通道内总流动的贡献越 来越显著。