微尺度流動(dòng)及強(qiáng)化混合技術(shù)的研究.pdf

1、作為MEMS技術(shù)的一個(gè)重要分支，微流體系統(tǒng)已得到了很大的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，但其內(nèi)部的流動(dòng)和傳遞過(guò)程的理論仍不成熟。為此，本文著眼微尺度流動(dòng)與傳熱傳質(zhì)，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，分別就微噴管內(nèi)的流動(dòng)特性及推進(jìn)性能、微尺度下強(qiáng)化混合技術(shù)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究，并設(shè)計(jì)和制作了微噴管和微混合器，用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)驗(yàn)證理論分析。 針對(duì)微槽道中氣體流動(dòng)的特征，分別采用連續(xù)介質(zhì)模型和分子運(yùn)動(dòng)模型(DSMC方法)簡(jiǎn)要分析了連續(xù)介質(zhì)模型中不同滑移邊

2、界條件的適用范圍，并總結(jié)出稀薄效應(yīng)對(duì)槽道中壓力的的影響和可壓縮效應(yīng)的作用趨勢(shì)是相反的。 通過(guò)DSMC方法和求解無(wú)滑移和有滑移的Navier-Stokes方程，對(duì)微噴管中的流動(dòng)特性和推進(jìn)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了噴管的外形、工作壓力及溫度邊界條件對(duì)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和推進(jìn)性能的影響，提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，并以此為參考設(shè)計(jì)和制作了微噴管。研究表明，在噴管擴(kuò)張段氣體的非平衡效應(yīng)和稀薄效應(yīng)增強(qiáng)；雷諾數(shù)是表征噴管性能的特征參數(shù)，調(diào)節(jié)噴管尺寸和工作壓力

3、獲得合適的雷諾數(shù)，以改善推進(jìn)效率；增大推進(jìn)工質(zhì)的滯止溫度將提高比沖，但以犧牲推進(jìn)效率為代價(jià)。 微尺度下強(qiáng)化混合技術(shù)即是增大混合流體間的接觸面積，加強(qiáng)分子擴(kuò)散的過(guò)程。其中，被動(dòng)式混合過(guò)程中，雷諾數(shù)(Re)和施密斯數(shù)(Sc)是它的相似準(zhǔn)則數(shù)，而在主動(dòng)式中，可以采用雷諾數(shù)(Re)、斯托拉赫數(shù)(St)和佩克萊數(shù)(Pe)或沃姆斯萊數(shù)(Pe)和佩克萊數(shù)(Wo)為相似準(zhǔn)則數(shù)。 從微尺度下混合過(guò)程的機(jī)理出發(fā)，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合，提出了基于

4、合成射流的主動(dòng)式混合器和帶擋板的被動(dòng)式混合器。利用Navier-Stokes方程和組分?jǐn)U散方程研究了主動(dòng)式混合器中進(jìn)口條件以及射流參數(shù)對(duì)混合過(guò)程的影響，采用了相似分析方法分析了被動(dòng)式混合器中不同槽道結(jié)構(gòu)以及進(jìn)口條件下的混合特征，研究表明，非對(duì)稱的結(jié)構(gòu)有利于混合的發(fā)生，被動(dòng)式混合器中雷諾數(shù)表征了混合的發(fā)展?fàn)顩r。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段研究了不同槽道形狀的被動(dòng)式混合器中混合過(guò)程，利用流場(chǎng)顯示方法驗(yàn)證了被動(dòng)式混合器中混合效果隨雷諾數(shù)的發(fā)展過(guò)程以