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可压缩性及粗糙度对微细管内流动及换热特性的影响

杜东兴  
【摘要】:微细通道在现代工业中的广泛应用使得微尺度流动及换热特性研究成为当前重要的研究课题。但是目前不同研究者实验得到的结果在定量甚至定性上存在着差别。本文主要研究了可压缩性对微细管道内气体流动及换热特性的影响并分析了微细粗糙管内不可压流动的阻力特性。 常规尺度通道流动的结果表明,在马赫数M从0~1的范围内,可压缩性对流动摩擦阻力的影响可以忽略。但是尺度的微小使得微细通道内的可压缩流动在处于层流区时也具有较大的M。理论分析及计算结果均表明,较大的M使得可压缩流动的速度剖面变得饱满,管壁处速度梯度增加,从而使得流动阻力增加。利用“截管法”测定了直径为108.3μm的微细光滑管内氮气流动的沿程压力分布及M变化,结果表明在M较大时,微细管内的压力偏离直线分布。平均阻力特性的实验结果也表明,直径范围在80.0μm-166.3μm微细管内氮气可压缩流动的平均Fanning摩擦系数(?)_f,与Re的乘积在较大M时大于不可压流动的理论值16。 分析及数值计算的结果表明压力功及粘性耗散在微细管内的可压缩流动及换热过程中已成为不可忽略的因素。对于流动过程,是否考虑压力功及粘性耗散的作用分别对应于绝热与等温流动的情况。由于二者的共同作用改变了管内气体温度分布,因此会对管内可压缩流动换热产生较大的影响。等壁温换热条件下的计算结果显示,考虑压力功及粘性耗散时,可压缩流动换热可以出现壁面热流方向发生变化的情况。随着M增大,压力功及粘性耗散对可压缩流动换热总换热量的影响增大。埃克特数Ec作为判断压力功及粘性耗散量级的准则对微细管内换热过程仍然适用,但由于流动加速,仅以入口Ec来排除压力功及粘性耗散对可压缩流动换热的影响是不确切的。 由于尺度的减小使得微细通道通常具有较大的相对粗糙度,且其中的流动一般保持为层流。文献分析结果说明,常规尺度粗糙管内的研究结果—即5%的相对粗糙度对层流流动阻力没有影响—并不能满足微细粗糙管内流动特性分析和应用的需要。模型预测及数值计算结果显示,由于粗糙元造成的形状阻力,3%的相对粗糙度将对管内层流流动阻力产生较大的


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