平行板微通道内压力驱动流的流动机理

由于固-液界面双电层的作用,平行板微通道内的压力驱动流存在动电效应。平行板微通道可简化为二维截面,其截面上双电层电场和速度场的控制方程分别采用Poisson-Boltzmann方程和修正后的Navi-er-Stokes方程。应用有限元法对控制方程进行了数值求解,计算在微通道内流体的平均流速和动电效应形成的流动电势。研究表明,微通道高度和电解质溶液浓度是影响微流体流动的主要因素。动电参数越小,动电效应对微流体的影响越大,实际值偏离经典流体理论值越大;平均流速与通道两端的压力差线性相关。     

双电层对润滑薄膜厚度与压力的影响

利用修正的Reynolds方程对在不同金属-陶瓷（Fe和Cu及陶瓷材料Al2O3,SiN4、ZrO2和SiO2）水润滑中的双电层的影响进行了分析。通过数值计算,分别对流体润滑、弹流润滑的线、点接触的情况做了计算。计算结果表明:在膜厚较薄（几十纳米）时,双电层电势对润滑膜的厚度有较明显的影响,使最小膜厚明显增加,随着膜厚的增加这种影响将迅速减弱。而双电层的存在对润滑膜的压力分布影响不大。     

薄膜润滑中双电层效应影响分析

根据Poisson—Boltzmann双电层理论,详细推导了润滑区中双电层产生的流动电场,并进一步建立了考虑双电层电粘度效应的薄膜润滑数学模型。然后,对润滑中双电层效应进行了数值分析,对不同的电粘度公式进行了比较,结果表明薄膜润滑中,双电层的电粘度效应使流体粘度显著增加,同时润滑膜厚也明显增加。     

微通道内流体流动及换热特性的数值分析

采用Navier—Stokes方程与滑移边界条件联立的理论分析模型，对等壁温、等热流及无温度梯度工况下，气体在微通道中的流速分布、阻力系数变化趋势（Cf·Re）和传热特性（努塞尔数）进行了数值研究。结果表明：气体稀薄效应可显著减小管内的摩擦阻力和努塞尔数，增大气体流速；壁面的速度滑移和温度跳跃对微圆管内换热特性的影响相反，温度跳跃的影响更大；等热流加热与等壁温加热两种情况下，努塞尔数随克努森数的变化趋势明显不同。     

影响微流体混合的因素及微混合器

由于微流控系统在生物工程、微电子机械系统等领域中有着广泛的应用前景,微通道中流体的流动、传质、传热等已成为微电子机械系统研究的前沿热点.本文分析了小Reynolds数下影响流体混合的因素,综述了目前各类主动式微混合器和被动式微混合器,为微流控系统的设计乃至于微机电系统的设计提供了基础.     

外加电场作用下双电层电粘度对水润滑特性的影响

根据双电层理论,建立了外电场作用下流体润滑中的双电层引起的电粘度效应的数学模型,并通过组合滑块水润滑试验考察了双电层的电粘度效应对流体润滑性能的影响。结果表明,外加电场作用下,双电层电粘度效应对摩擦因数具有明显影响;当速度较低时,随着外加电压的增加,摩擦因数明显增大;随着速度的增加,摩擦因数增大幅度减小;试验结果同所建立的数学模型相符。     

微电极尺寸对双电层电容和电荷转移电阻的影响

微电极广泛应用于神经电信号检测,微电极的尺寸直接影响记录的神经电信号。建立了神经电信号检测的等效分析电路模型,基于GCS双电层理论以及PNP方程建立了微电极表面双电层分析模型。采用COMSOL仿真及微电极交流阻抗谱测试,分析了双电层电容与微电极尺寸的关系。分析结果表明：微电极表面积越大,电荷转移电阻越小,双电层电容越大;单位面积电容与微电极半径成反比例关系。     

驱动方式对微流体陀螺仪输出信号的影响

目的：针对微型热对流陀螺仪敏感输出信号非常微弱、不易测量的特点,本文给出了不同驱动方式下输出信号的检测及其对输出信号产生的影响。方法：首先,分析了微流体陀螺仪传感器的工作原理,接着,给出了直流电压驱动和交流电压驱动时的信号检测方案。直流电压驱动时,敏感到直流流速,经过差动电桥放大后,可得到输出电压。交流电压驱动时,可敏感到交流流速,用相干检测方法提取出有用信号,通过低通滤波器、放大器,最终得到直流电压,该电压信号正比于外界输入角速度。结果：实验数据分析可得：直流电压驱动时输出信号线性度为1.62％,零位电压不断升高,交流电压驱动时输出信号的线性度达0.113％,零位电压较稳定。结论：在零位电压稳定性、线性度两方面交流电压驱动方式性能更优。     

基于液晶引流效应的全新微流体驱动方式

对现有微流体驱动技术中普遍存在的微型化难、驱动力小等缺点,提出液晶引流驱动方式。作为开发该驱动方式的第一步,采用理论计算模拟与辅助试验验证相结合的研究方法,以小分子液晶Leslie-Ericksen理论为基础,对上板处于浮动状态下液晶盒的驱动效果及影响因素进行研究。结果表明,连续方波电场作用下引起的液晶引流效应可以驱动液晶盒上板运动,方波电场频率为1 Hz、有效率为5%时驱动速度最大。液晶分子指向矢倾斜角的旋转范围对驱动效果影响较大,所施加电压对于倾斜角的旋转范围没明显影响,两板间的距离却影响很大。通过选择合适的驱动条件已成功得到90μm/s的高驱动速度。采用显微镜下直接观察液晶盒上板运动情况的方法进行试验验证,结果与理论计算结果定性上十分吻合,定量上试验结果偏小,最大差距出现在电场施加后的第三周期,主要原因是液晶盒制作时初始配向误差,可通过改变配向膜的种类及摩擦条件来改善。     

幂律流体在正弦粗糙微通道的流动和传热特性

基于Poisson-Boltzmann方程、修正的Cauchy动量方程和能量方程,对双电层作用下幂律流体在正弦粗糙微通道中的流动和传热问题,建立模型控制方程组,并且使用高精度紧致差分格式进行数值模拟。然后,计算了不同幂律指数和粗糙度下的速度和温度。进一步研究了幂律指数和粗糙度对通道阻力系数、平均Nusselt数和能效比的影响。结果表明:幂律指数越小,流动阻力越小且能效比越高;增加粗糙度,流动阻力上升且传热性能增强,可在一定范围内提高能效比。     

壁面粗糙度效应对微流体流动特性的影响

壁面粗糙度对微流道流动特性有重要影响。分别用矩形、三角形和圆顶形粗糙元对壁面粗糙度进行模拟,详细讨论了雷诺数、粗糙元高度、粗糙元间距等因素对流速、压降及流动阻力的影响。结果表明:与光滑流道相比,粗糙度使壁面附近的流动发生明显改变,从而导致微流道内流速、压降及流阻高于经典理论预测值;微流道内流动阻力随着雷诺数及粗糙元高度的增大而增大,而随着粗糙元间距的增大,流动阻力逐渐减小。三种粗糙元相比,矩形粗糙元的影响最大,圆顶形次之,而三角形粗糙元的影响最小,可见在实际应用场合,确立合适的粗糙元形状对分析结果非常重要。     

几何尺寸对矩形微通道液体流动和传热性能的影响

基于连续介质方法数值研究液体在不同几何结构微通道中的流动和传热性能。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,得到各参数对泊肃叶数(Po)和努塞尔数(Nu)的影响关系。研究发现,截面宽高比越大,Po数越小,且雷诺数对泊肃叶数基本无影响;雷诺数(Re)小于500情况下,水力直径小于0.545 mm时,Po数随水力直径减小而减小,水力直径大于0.545 mm时,水力直径变化对Po数基本无影响;Po数不随通道长度变化而变化,但略受流动雷诺数影响;在Re=20～1 800时,Nu数正比于水力直径和宽高比,但是通道长度对Nu数的作用受流动Re数的影响;在通道材料和流动介质相同的条件下,Nu数和Re数之间的关系受通道几何参数的影响,并且拟合得到其关系式。     

凹槽微通道铜-水纳米流体传热与流动分析

对铜-水纳米流体在圆弧型凹槽微通道中的传热与流动特性进行了分析。比较了不同体积分数的铜-水纳米流体在深宽比分别为0.3和0.5的凹槽微通道中的温度和速度分布,分析了体积分数和凹槽深宽比对凹槽微通道中铜-水纳米流体的传热系数和流体输运动力因子的影响。凹槽强化了微通道对流传热,与平板型微通道相比,铜-水纳米流体在圆弧型凹槽微通通内呈现出不同的传热特性。纳米流体体积分数、流体输运动力因子和凹槽深宽比对凹槽强化微通道传热影响较大。分析结果与已有的实验结果符合较好。     

平板微通道流动传热的粗糙元间距效应

微细尺度传热问题业已成为国际传热界的研究点,而壁面粗糙度对微细通道流动和传热特性有着重要影响。以粗糙平行平板微通道为研究对象,用三角形粗糙元模拟固体表面的粗糙度,通过采用CFD(computational fluid dynamics)流体固体共轭传热技术数值研究了粗糙元间距对平行平板微通道流动和传热特性的影响规律,同时研究了其间距对微通道流动的转捩雷诺数的影响规律;计算结果表明:随着三角形粗糙元间距的增大,粗糙平板微通道的阻力性能逐渐下降,层流向湍流转捩的雷诺数呈逐渐增大趋势,同时粗糙平板微通道的传热性能呈逐渐下降趋势。     

树形微通道热沉仿生建模及三维热流特性数值分析

对几种典型树叶进行参数测量,获得了各级叶脉直径、交角值及直径比例关系,在此基础上建立了树形微通道热沉的CAD模型,并对不同分形级数的双层微通道系统内的温度和流动特性分布进行了数值分析。结果表明,树形微通道具有更好的均温性,7级分形的树形微通道与6级和8级分形的树形微通道相比,所冷却芯片的温度更低,压降更小,具有更好的冷却效果。     

微通道内单相及气液两相流动换热数值模拟研究进展综述

随着科技的发展,微电子设备的散热量越来越大,传统换热器将难以满足其散热需求。微通道散热是一种新型的高效换热技术,其结构紧凑、换热性能突出、运行安全可靠的特点引起国内外学术界和工业界的广泛关注。试验技术存在对换热装置加工工艺和测量仪器精度的高要求,成本高、准备周期长;数值模拟技术成本低、计算周期短,探索微通道内单相和气液两相流动换热特性更为便捷,其优势也日益突显。详细介绍了针对微通道换热器的传热流动数值模拟研究方法,对比分析了包含LBM模拟方法和VOF气液两相流模型在内的典型数值方法,并总结了数值模拟在微通道单相换热特性、气液两相换热特性和临界热流密度方面的研究进展。     

液冷式CPU散热器的传热强化及流阻性能

通过在液冷式CPU散热器蛇形流道内填充不同粒径的不锈钢珠,使液冷式CPU散热器流道形成类似多孔介质的复杂流道以提高其散热性能。通过对改进前后液冷式CPU散热器的试验研究,分析了各因素对液冷式CPU散热器的传热和流阻性能的影响规律。结果表明:在本试验范围内,相同Re和Pr下,改进后散热器的对流换热系数为改进前的1.2~4.8倍,阻力系数f是改进前的1.4~4倍;散热器填充Φ4mm开孔不锈钢珠的强化传热效果最佳,芯片表面温度较填充前降低了33,°对流换热系数增大4.8倍,而流动阻力仅增加了1.4倍。     

随机粗糙微通道内部流动与传质特性

为了研究微通道壁面随机粗糙度对流体流动和传质特性的影响,采用随机排布准则构建具有典型粗糙元类型的随机粗糙微通道壁面,利用有限元方法分析壁面随机粗糙度对流速、压降、流动阻力和传质性能的影响,并给出粗糙微通道内部Poiseuille数和分子传质扩散的近似变化规律。结果表明,流体在粗糙微通道近壁面区域和主流区的流速差异较大,近壁面区域流动分离现象明显;与光滑微通道相比,粗糙微通道内部各位置的压降和Poiseuille数沿着流动方向呈近似线性增大趋势;微通道壁面粗糙度的存在可以强化流体分子的传质扩散速率,但受粗糙度类型和相对粗糙度的影响较大。     

湍流边界层内钝体扰流的流动与传热特性

应用大涡模拟方法对小尺度开缝圆柱涡流发生器强化传热和流动减阻的机理进行研究。水平开缝圆柱置于充分发展湍流边界层内,分析不同间隙比对开缝圆柱尾流、湍流边界层拟序结构以及槽道底面流动与换热特性的影响。为验证所采用数值方法的准确性与可靠性,将矩形空槽道的计算结果与前人直接数值模拟结果及与采用相关准则关系式所得结果进行对比。计算结果表明：湍流边界层内钝体扰流的尾迹流与壁面边界层的相互作用能够显著提高槽道的换热性能。与未开缝的基准圆柱相比,间隙比小于2.0时,开缝圆柱通道的整体热性能较好;间隙比为2.0时,其综合性能系数最大;间隙比大于2.0时,整体热性能较差。与矩形空槽道相比,最大努塞尔数可提高17.45%,最小摩擦因数可减小4.94%。