压力驱动微管道液体流动数值模拟与实验研究

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微尺度液体流动的机理研究是推动MEMS和纳米科学技术进一步发展的一个关键因素,也符合微泵、微流体芯片等相关技术发展的需要。由于特征尺寸小,微管道中液体的流动与宏观流动相比有其独特性,分析和探讨其流动规律有很重要的意义。本文采用著名的流体分析软件Fluent,在微流动理论基础上,建立了微管道内去离子水的流动模型,对其在不同压力驱动下的流动进行了数值模拟,同时对管道壁面粗糙度、重力等影响因素进行了分析。本文还对在微管道内去离子水的流动进行了实验研究,并与模拟结果进行了比较,并探讨了其物理机制。模拟结果表明微管道管径在20μm时,去离子水流动的沿程压力分布与宏观流动理论很吻合,速度分布也符合常规尺度的流动规律。在不同大小的压力驱动下,去离子水的流量与压力呈线性分布,符合Hagen-Poiseuille流动规律。模拟结果还显示在20μm尺度下,重力等体积力因素对模拟结果影响很小,可以忽略。由于特征尺度的减小,管道表面相对粗糙度的加大,壁面处将会产生涡流,从而增大摩擦阻力,减小管道内液体流量。实验结果印证了20μm管径下去离子水的流动规律,同时还表明当特征尺度进一步减小时,有可能出现明显的微尺度效应,边界层将出现滑移,但管径大小并非唯一的影响因素,去离子水的流动规律是由多种因素的综合作用所决定。
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