微尺度流動及強化混合技術的研究.pdf

1、作為MEMS技術的一個重要分支，微流體系統(tǒng)已得到了很大的發(fā)展和廣泛的應用，但其內部的流動和傳遞過程的理論仍不成熟。為此，本文著眼微尺度流動與傳熱傳質，采用理論分析和數(shù)值模擬的方法，分別就微噴管內的流動特性及推進性能、微尺度下強化混合技術進行了較為系統(tǒng)的研究，并設計和制作了微噴管和微混合器，用實驗的方法來驗證理論分析。 針對微槽道中氣體流動的特征，分別采用連續(xù)介質模型和分子運動模型(DSMC方法)簡要分析了連續(xù)介質模型中不同滑移邊

2、界條件的適用范圍，并總結出稀薄效應對槽道中壓力的的影響和可壓縮效應的作用趨勢是相反的。 通過DSMC方法和求解無滑移和有滑移的Navier-Stokes方程，對微噴管中的流動特性和推進性能進行了數(shù)值模擬，分析了噴管的外形、工作壓力及溫度邊界條件對流場結構和推進性能的影響，提出相應的優(yōu)化方案，并以此為參考設計和制作了微噴管。研究表明，在噴管擴張段氣體的非平衡效應和稀薄效應增強；雷諾數(shù)是表征噴管性能的特征參數(shù)，調節(jié)噴管尺寸和工作壓力

3、獲得合適的雷諾數(shù)，以改善推進效率；增大推進工質的滯止溫度將提高比沖，但以犧牲推進效率為代價。 微尺度下強化混合技術即是增大混合流體間的接觸面積，加強分子擴散的過程。其中，被動式混合過程中，雷諾數(shù)(Re)和施密斯數(shù)(Sc)是它的相似準則數(shù)，而在主動式中，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)為相似準則數(shù)。 從微尺度下混合過程的機理出發(fā)，根據(jù)不同應用場合，提出了基于

4、合成射流的主動式混合器和帶擋板的被動式混合器。利用Navier-Stokes方程和組分擴散方程研究了主動式混合器中進口條件以及射流參數(shù)對混合過程的影響，采用了相似分析方法分析了被動式混合器中不同槽道結構以及進口條件下的混合特征，研究表明，非對稱的結構有利于混合的發(fā)生，被動式混合器中雷諾數(shù)表征了混合的發(fā)展狀況。 通過實驗手段研究了不同槽道形狀的被動式混合器中混合過程，利用流場顯示方法驗證了被動式混合器中混合效果隨雷諾數(shù)的發(fā)展過程以