壁面粗糙度对微通道流动影响的数值模拟研究

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微灌是一种有效的节水灌溉技术。微灌技术的关键在于滴头元件的性能,而滴头元件的性能是由其内部流道的特征决定的。因此,研究滴头流道内的流动规律对优化滴头设计,提高滴头元件的性能具有重要意义。本文以方形截面的滴头流道为研究对象,采用CFD商用软件和多孔介质模型,对不同截面尺寸、不同流量的流道内流动进行了数值模拟分析。并将模拟数据与Micro—PIV实验数据进行了对比分析。着重研究了在考虑壁面粗糙度时微通道内流场的变化规律和壁面粗糙度对微尺度流动的压降的影响。通过对不同工况的数值模拟分析和与PIV实验数据的对比分析发现:在数值计算中,采用多孔介质模型模拟壁面粗糙元是一种简单而可行的方法。壁面粗糙元对微通道内流体的压降影响较大,其影响因素主要依赖于相对粗糙度k/d、流量G及通道截面尺寸d的大小,且它们对压降的影响具有一定的规律。随着相对粗糙度k/d的增大,压降呈对数趋势增加;随流量G(雷诺数Re)的增大,压降呈明显的幂函数趋势增加;随着流道截面尺寸d的增大,压降呈指数趋势减小;而壁面粗糙元的分布密度对压降的影响很小,在不同的粗糙元分布密度下,压降几乎不变。粗糙元对复杂微通道内流场分布有一定的影响:流场中的负压区随相对粗糙度、流量及流道截面尺寸的增大有增大的趋势,但粗糙元分布密度对回流区几乎没有影响。当相对粗糙度不大于5%时,粗糙元对流场的影响相对于通道结构对流场的影响是一个小量。
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