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中国工程热物理学会 流体机械
2003年学术会议 论文编号037025
微尺度流体机械流体模型的讨论
祁志国’张震宇2李雪松1杜建一1徐建中
00080
06信箱1
1中科院工程热物理所,北京27
2西安交通大学1414#710049
7
Tel:0]0-6257333
Email:dib@Ⅱnails.gscas.ac.c/l
1前言
微尺度下流动与传热的工程背景来自于近些年来电子技术及加工技术的飞速发展。
在上个世纪八十年代,人们就开始考虑由集成电路带来的微尺度散热问题。随后,美国
u
m~120m的硅微型静电电机,带动了
加州伯克利分校于1987研制出转子直径为60u
微型机械的大发展。短短的几年的时间就研制出了多种微型机械.包括微传感器、微执
行器、微驱动器等等【4】。这些微型流体机械与微型电子机械台在一起构成了微型屯子机
械系统,也称为MEMS(MieroelectromechaniealSystem)。MEMS主要指的是其特征尺
pm大的机械。
度比1mm小,但是比l
美国和日本等发达国家,从上个世纪末开始,投A太量的资金到MEMS的研究中
去。其政府都将MEMS的研究开发作为未来的一项关键技术。在ASME、IEEE、AIAA
所出版的刊物中,开始越来越频繁的见到关于研究微尺度流动与传热的文章。
虽然微流体机械的制造技术有了很大的发展,已有的工作却仅仅把注意力放在加工
制造工艺上面,其内部流动机理的研究还不清楚[7】,许多应用中的结论和结果常常建立
在经验的基础上,一些学者也都作了大量的实验,如文献[1】、[3】。但是,这些结论和
结果所表现出的不一致却无法解释。这说明在微尺度流动和传热这一领域中出现了新的
特点,新的难题,还有很多的工作要去做。
微尺度包括两方面的含义,一种是时间上的微尺度,既是研究在很短的时间内所发
生的流动和传热现象。一种是空间上的微尺度,专指在微小的几何空间内所发生的流动
和传热的现象。本文所讨论的微尺度都是指空间上的微尺度。
2目前微尺度流体流动与传热中常用的模型及其壁面模型
微流体机械具有集成化成度高、能够批量生产、尺寸小,重量轻、低能耗、反应迅
速等特点。若要合理的应用这些特点为人类的生活服务,就要解决目前微流体机械所面
临的难题。难题之一就是在这么小的尺度之下,采用何种模型、何种边界条件及何种解
题方法来描述微流体机械中的内部流动问题。只有对流动规律进行深入的研究和理解,
才能使微流体机械的设计、制造、运行上一个新的台阶【7]。
微流体机械中的流动物质按物理状态分为:1)流动物质为气体,比如空气、惰性
气体或是单原子气体、多原子气体等等。2)流动物质为液体,比如水,酒精,也可能
为液化了的气体等。3)流动物质为气液的混台物,是复杂的两相流问题。
2.1流动物质为气体时的流动传热模型
2.1.1对气体流动性质的划分
在研究宏观流体流动时.通常采用连续介质模型,当微机械尺寸非常小的时候,其
内部气体的密度变的非常的小,即使在常温常压下,其密度也可能达到稀薄气体的密度。
这种现象称为尺度效应。由于尺度效应.在气体的连续性模型遭到了破坏,从而参照研
究稀薄气体时采用的模型来研究。因此引入Kn数.来对流动情况进行划分。Kn数的定
,
义为:J妇=; (式中:^为分子平均自由程,L为流动特征尺度)
上
根据Kn数,钱学森最先将稀薄气体流动分为三大领域,对于微尺度流体,这三大
领域为: 0.01Kn0.1 滑流领域
O.1Kn10 过渡领域
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