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微尺度流动及强化混合技术的研究

张先锋  
【摘要】: 作为MEMS技术的一个重要分支,微流体系统已得到了很大的发展和广泛的应用,但其内部的流动和传递过程的理论仍不成熟。为此,本文着眼微尺度流动与传热传质,采用理论分析和数值模拟的方法,分别就微喷管内的流动特性及推进性能、微尺度下强化混合技术进行了较为系统的研究,并设计和制作了微喷管和微混合器,用实验的方法来验证理论分析。 针对微槽道中气体流动的特征,分别采用连续介质模型和分子运动模型(DSMC方法)简要分析了连续介质模型中不同滑移边界条件的适用范围,并总结出稀薄效应对槽道中压力的的影响和可压缩效应的作用趋势是相反的。 通过DSMC方法和求解无滑移和有滑移的Navier-Stokes方程,对微喷管中的流动特性和推进性能进行了数值模拟,分析了喷管的外形、工作压力及温度边界条件对流场结构和推进性能的影响,提出相应的优化方案,并以此为参考设计和制作了微喷管。研究表明,在喷管扩张段气体的非平衡效应和稀薄效应增强;雷诺数是表征喷管性能的特征参数,调节喷管尺寸和工作压力获得合适的雷诺数,以改善推进效率;增大推进工质的滞止温度将提高比冲,但以牺牲推进效率为代价。 微尺度下强化混合技术即是增大混合流体间的接触面积,加强分子扩散的过程。其中,被动式混合过程中,雷诺数(Re)和施密斯数(Sc)是它的相似准则数,而在主动式中,可以采用雷诺数(Re)、斯托拉赫数(St)和佩克莱数(Pe)或沃姆斯莱数(Pe)和佩克莱数(Wo)为相似准则数。 从微尺度下混合过程的机理出发,根据不同应用场合,提出了基于合成射流的主动式混合器和带挡板的被动式混合器。利用Navier-Stokes方程和组分扩散方程研究了主动式混合器中进口条件以及射流参数对混合过程的影响,采用了相似分析方法分析了被动式混合器中不同槽道结构以及进口条件下的混合特征,研究表明,非对称的结构有利于混合的发生,被动式混合器中雷诺数表征了混合的发展状况。 通过实验手段研究了不同槽道形状的被动式混合器中混合过程,利用流场显示方法验证了被动式混合器中混合效果随雷诺数的发展过程以及挡板高度对混合过程的影响的理论分析。


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