微尺度通道內(nèi)流動與換熱特性的數(shù)值研究.pdf

1、作為MEMS技術(shù)的一個重要分支，微流體技術(shù)近年來已經(jīng)有了很大的發(fā)展，并廣泛的應(yīng)用在生物、醫(yī)藥、航天、機(jī)械以及電子等各個領(lǐng)域。但是，在微流體內(nèi)部的流動和換熱等方面仍缺乏成熟的理論和可靠的實驗。因此，本文的工作旨在將微尺度流動通過數(shù)值模擬的方法展現(xiàn)出來，分別就對微噴管內(nèi)流動特性及推進(jìn)性能、微通道換熱特性等進(jìn)行有效的預(yù)測，加深和拓寬微尺度流動在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。 根據(jù)噴管的準(zhǔn)一維等熵流體理論，采用連續(xù)介質(zhì)方法數(shù)值模擬研究了落壓比變化對微

2、噴管流場結(jié)構(gòu)的影響，包括對馬赫數(shù)的影響、對壓力場及總壓降的影響以及對密度的影響，發(fā)現(xiàn)在不超過設(shè)計落壓比的情況下，落壓比增大能夠有效地抑制邊界層分離現(xiàn)象并提高噴管效率；研究了高速流場中“超聲速環(huán)”現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)其本質(zhì)就是過膨脹狀態(tài)下微噴管內(nèi)形成的“馬赫盤”，并利用激波理論分析討論了在微尺度下該現(xiàn)象的形成機(jī)理及相應(yīng)的產(chǎn)生條件；在保持出口壓力的情況下，采用落壓比界定出“超聲速環(huán)”可能存在的范圍。 采用連續(xù)介質(zhì)方法和DSMC方法對二維微噴管

3、的流動特性和推進(jìn)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)由DSMC方法得到的結(jié)果更接近真實情況；分析了外形結(jié)構(gòu)及邊界條件對微噴管的流場結(jié)構(gòu)及推進(jìn)性能的影響，發(fā)現(xiàn)喉部為圓角型的微噴管的推進(jìn)性能最優(yōu)，最優(yōu)圓角半徑為喉部寬度的0.686倍；而輕質(zhì)推進(jìn)劑和高溫推進(jìn)劑同樣能夠提高微噴管的比沖，但是需要犧牲推進(jìn)效率；并由此提出了微噴管優(yōu)化的建議。 根據(jù)微通道熱沉原理提出了兩種類型的微尺度換熱器：微尺度氣冷式換熱器和微尺度液冷式換熱器；基于VB軟件平臺設(shè)計開