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随着微电子机械系统(MEMS)技术的迅猛发展,微流动特性的研究已成为当前流体力学研究热点。因此对微管道内流动特性的研究有着重要的理论价值和实际意义。本文通过实验研究、理论分析和数值模拟相结合的方法,就微管道内气体流动的若干问题进行了较为深入、细致的研究。主要工作如下:
(1)提出了一种便于工程应用的,适合于深宽比较大的,部分考虑压缩性的,微管道内质量流量的近似理论模型,给出了该近似理论模型和常用近似理论模型的适用范围。
(2)指出关于微管道内已有的一维可压缩等温流动的平均阻力系数确定方法的不足之处,并提出了一种便于实用的可压缩流动平均阻力系数的确定方法。该方法适用于可压缩流动,在实验数据的基础上可以方便地得到平均阻力系数和壁面平均切应力。
(3)将微管道表面粗糙度的影响等效为粗糙度粘性系数,提出适合于可压缩流动的二维和三维粗糙度粘性系数模型。应用该模型得到的数值模拟结果与实验结果符合的较为一致。
(4)对等直-收缩-扩张-等直微管道中气体流动的实验研究发现两个特异现象:其一为微管道内最早出现声速点的位置不一定在喉部附近,其二为微管道中的临界压比与常规值有很大差别。并采用数值实验的手段研究了微管道表面积与体积之比值对上述两个特异现象的影响。
(5)对等截面长微直管道中气体流动特性的实验研究发现:在保持进口压力不变的条件下,降低出口压力,质量流量随进出口压比增大而增加,但当进出口压比达到某一临界值以后,质量流量将保持基本不变。本文将这一现象定义为亚堵塞现象,并将对应的压比定义为亚堵塞临界压比。并研究了微管道表面积与体积之比值对亚堵塞临界压比的影响。
(6)采用BGK方法对微管道内流动进行了数值模拟,得到微管道内连续流和滑移流并存流动的数值模拟结果,其沿程压力分布,质量流量与实验结果吻合。