壁面粗糙度对通道流动特性的影响
壁面粗糙度对喷油器内空化流动特性的影响
…
客 ｒ ｐ ｕ ） ＝
＋
０． ０９， ｏ ｒ ＝ １ ． ０，
＝１ ． ３。
１ ． ２ 空化 模型
一
Ｏ ｘ ＋
ｒ
Ｏ ｘ 一了 ２（ Ｖ・ ｒ ｔ ｚ ２
采用 Ｓ Ｉ Ｎ Ｇ Ｈ Ａ Ｌ等 提出的完全空化模 型， 此 模型考虑 了湍 流效应 和不可凝气体对空化 区域的
第１ ３卷
第 ８期
２ ０ １ ３年 ３月
科 学 技 术 与 工 程
Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ａ ｎ ｄ Ｅ ｒ ￣ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｆ ｎ ｇ
Ｖ ｏ １ ． １ ３ Ｎ ｏ ． ８ Ｍａ ｌ ｌ ２ Ｏ １ ３
１ ６ ７ １ —１ ８ １ ５ （ ２ ０ １ ３ 、 ０ ８ － ２ ０ ６ ８ — ０ ６
意义 。
从这些模型中可以发现 ， 它们针对壁面 的处理都是
采用光滑壁 面 ， 而实 际上 喷嘴 内壁都 是粗糙 的壁 面， 而在喷射器内的流体 由于存在高压、 高速特性 ，
在粗糙壁面附近将有更 高的剪切应力 ， 对速度和压 力会产生附加扰动Ｌ １ 。然而 ， 这种扰动对喷油器 内
２ ０ １ ２年 ９月 ２ ８日收到 江苏省农机基金 （ Ｏ Ｘ Ｚ ｌ Ｏ Ｏ Ｏ ４ ） 资助
器 内部空化 流动进行模 拟 ， 根据几 何轴对称 特点 ， 将几何模型简化为二维轴对称模 型 ， 模拟时假设 流
动是等温的 ， 不考 虑相间 的能量 交换 ， 并认为相 间
无 滑 移速 度 ， 而 且流 动也 是 定常 、 湍流、 不 可 压缩 的 。 １ ． １ 基本 方程
时间短 ， 对其 采 用实 验 方 法 清 楚 观察 空 化 流现 象 及
双曲圆截面冷却塔壁面粗糙度对其绕流动态特性影响
高 雷 诺 数 条 件 下 的 动态 荷 载 效 应 进行 了 细 致研 究 ， 得 到 了 一 些 有 借 鉴 性 的结 论 ：（ １ ）模 型 表 面 粗 糙 度 对 雷 诺 数 效 应 的作 用 受来 流 条 件 的 影 响 显 著 ； （ ２ ）冷 却 塔 缩 尺 模 型 风 洞 试 验 应 优 先 选 用 较 高 的试 验 风 速 ； （ ３ ）最 优 模 拟 措 施 的 选 择 应 综 合 考 虑特 征 断 面 的 风压 均值 、 根 方 差 分 布 及 阻力 系数 和斯 脱 罗 哈 数 等 参 数 ； （ ４ ）圆柱 体 的 “ 斯托 罗哈数一 雷 诺数 关系曲线” 是 否 完 全 适 用 于变 截 面 的双 曲 圆 截 面 冷 却 塔 ， 需 要 通 过 超 大 型 冷却 塔 风 压 实 测 进 行 验 证 。
的环 向分 布 ， 并且沿子 午 向不变 ， 应用 范 围限制在 塔高
１ ６ ５ ｍ 以下 。
流表 面风 压分 布 、 阻 力 系数 、 斯托罗哈数（ Ｓ ｔ ） 等有 显
著差 别 。
对 于冷却 塔结 构表 面 静风压 力 分布 ， 国外 也进 行
双 曲 圆截 面冷 却 塔 属 于典 型 的流 线 型 风 敏感 三
模型 表面粘贴 丝线 、 纸带， 表 面 刻线 ， 表 面 打磨 等 方式
结合 调整试 验 风速 实 现高 雷 诺数 效 应 模拟口 。 ］ 。我 国 模拟 标准是现行 规范 曲线 ＿ ８ ］ ， 该 曲线 综合 了北 京大 学 和西 安热工所 在 ２ Ｏ 世纪 ８ ０年代对 河北 马头 和广东 茂 名冷 却 塔 风 压 实 测 与 此 前 北 京 大 学 风 洞 试 验 结
了大 量 的研 究 并 积 累 了不 少 资 料 ， 图１ （ ａ ） Ｉ ｌ ｌ １ ３ ］ 给出 了我 国茂名 和 国外 三座 冷 却 塔 表 面平 均 风 压 分 布 的
《2024年壁面粗糙度对微平行板间电磁和电渗流动的影响》范文
《壁面粗糙度对微平行板间电磁和电渗流动的影响》篇一一、引言在微流体领域，微平行板间的电磁和电渗流动是重要的研究课题。
这种流动现象在微流体装置、生物医学、化学工程等领域有着广泛的应用。
壁面粗糙度作为影响微流体流动的关键因素之一，对微平行板间电磁和电渗流动具有不可忽视的影响。
本文旨在探究壁面粗糙度对微平行板间电磁和电渗流动的机制及影响规律。
二、微平行板间电磁与电渗流动基本原理在微流体中，微平行板间流体通过电渗（电场作用下的流体运动）和电磁（磁场与电场共同作用下的流体运动）两种方式实现流动。
电渗流动主要依赖于双电层（double layer）的电荷分布，而电磁流动则涉及电磁场与流体的相互作用。
这两种流动方式在微平行板间具有广泛的应用。
三、壁面粗糙度对微平行板间电磁和电渗流动的影响（一）壁面粗糙度的定义与分类壁面粗糙度是指壁面表面的不平整程度，通常用粗糙度参数（如Ra值）来描述。
根据粗糙度的不同，壁面可分为光滑壁面和粗糙壁面。
本文重点关注不同粗糙度类型对微平行板间电磁和电渗流动的影响。
（二）粗糙度对电磁与电渗流动机制的影响在光滑壁面上，由于缺乏颗粒吸附等过程，流体的速度分布更为均匀，对磁场和电场的响应更加灵敏。
而在粗糙壁面上，由于颗粒的吸附、积累等因素，使得双电层电荷分布受到扰动，导致电渗和电磁效应发生改变。
具体而言，壁面的粗糙度会导致双电层电容、介电层等的变化，进而影响电磁与电渗的传递和运动过程。
（三）不同粗糙度下流速与流态的变化随着壁面粗糙度的增加，流体的流速会发生变化。
在光滑壁面上，流速分布较为均匀，流态稳定；而在粗糙壁面上，由于颗粒的吸附和积累等因素，流速分布出现不均匀现象，可能导致涡旋、湍流等复杂流态的出现。
此外，不同粗糙度下流体的黏性、表面张力等也会发生变化，进一步影响流体的运动过程。
四、实验与仿真分析为研究壁面粗糙度对微平行板间电磁和电渗流动的影响，本文进行了实验与仿真分析。
实验采用不同粗糙度的壁面材料进行实验观察，仿真则基于流体动力学模型进行模拟分析。
沿程阻力系数取值
沿程阻力系数取值沿程阻力系数是衡量流体在管道中流动时所受到的阻力大小的一个参数。
它是指单位长度管道内流体所受到的阻力力与动压力之比。
沿程阻力系数的大小与管道的形状、壁面粗糙度、流体的黏性等因素有关。
在流体力学中，沿程阻力系数是一个重要的参数，它直接影响着流体在管道中的流动速度和压力分布。
不同取值的沿程阻力系数对流体流动的影响也不相同，下面将介绍一些常见的沿程阻力系数取值及其对流体流动的影响。
1. 平滑管道：在理想情况下，当管道壁面非常光滑时，沿程阻力系数可以近似为零。
这时，流体在管道中的流动速度较快，流体的压力损失较小，流动的能量损失也较小。
这种情况下，流体的流动效率较高，适用于一些对流体流动要求较高的场合。
2. 粗糙管道：当管道壁面较为粗糙时，沿程阻力系数会增大。
这时，流体在管道中的流动速度较慢，流体的压力损失较大，流动的能量损失也较大。
这种情况下，流体的流动效率较低，适用于一些对流体流动要求不高的场合。
3. 管道弯曲：当管道出现弯曲时，沿程阻力系数也会增大。
这是因为在弯曲的地方，流体流动的方向发生了改变，流体分子之间发生了相互碰撞，从而增加了流体的阻力。
这种情况下，流体的流动速度较慢，流体的压力损失较大，流动的能量损失也较大。
因此，在设计管道时，应尽量减少管道的弯曲，以降低沿程阻力系数。
4. 管道扩散：当管道截面突然扩大时，沿程阻力系数会减小。
这是因为在扩散的地方，流体流动的速度增加，流体的压力损失减小，流动的能量损失也减小。
这种情况下，流体的流动速度较快，流体的压力损失较小，流动的能量损失也较小。
因此，在设计管道时，可以适当地设置管道的扩散段，以降低沿程阻力系数。
沿程阻力系数是衡量流体在管道中流动时所受到的阻力大小的一个重要参数。
不同取值的沿程阻力系数对流体流动的影响也不相同。
在实际应用中，根据具体的流体流动要求，可以选择适当的沿程阻力系数取值，以提高流体的流动效率。
流体流动的流动均匀性分析
流体流动的流动均匀性分析引言流体力学是研究流体运动规律的学科，而流体流动的均匀性是流体力学中一个重要的研究对象。
流动的均匀性可以决定流体运动的稳定性和效率，对于工程应用具有重要意义。
本文将分析流体流动的流动均匀性，并介绍影响流动均匀性的因素以及相应的改善措施。
流动均匀性的定义流动均匀性是指流体在流动过程中各个位置的流速、压力和温度等物理参数的均匀性。
当流动均匀性良好时，流场中各点的物理参数分布均匀，从而保证了流体的稳定性和可靠性。
影响流动均匀性的因素几何因素流动管道的几何形状是影响流动均匀性的重要因素之一。
当管道的截面形状不规则或存在突变时，会引起流体的流动速度分布不均匀。
此外，管道的曲率和弯曲程度也会影响流动均匀性。
因此，在设计流体管道时，应尽量避免几何形状的不规则和过大的曲率，以保证流动均匀性。
流动速度流动速度是影响流动均匀性的关键因素。
当流动速度太低时，流体会失去动力，引起局部流动不畅，从而降低流动均匀性。
而当流动速度过高时，会引起局部涡流和湍流现象，使流动分布不均匀。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的流速范围，以保证流动均匀性。
流体性质流体的性质也会对流动均匀性产生影响。
例如，粘度较大的流体在流动过程中容易出现阻塞和阻力增大的现象，使流动分布不均匀。
此外，不同流体的密度、黏度等性质也会导致流动均匀性差异。
因此，在设计流体系统时，应考虑流体的性质对流动均匀性的影响，并采取相应的措施进行调整。
流动管道的阻力流动管道的阻力也是影响流动均匀性的重要因素之一。
阻力过大会引起流动速度非均匀分布，影响流动的稳定性和可靠性。
因此，在设计流体管道时，应合理选择管道的直径、长度和壁面粗糙度等参数，以降低阻力，提高流动均匀性。
边界条件边界条件是指流动管道的入口和出口条件。
合理的入口边界条件可以保证流体流入管道时具有良好的流动均匀性。
而出口边界条件对于控制流体的流动均匀性也非常重要。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的边界条件，以保证流动均匀性。
壁面粗糙度效应对微流体流动特性的影响
壁面粗糙度效应对微流体流动特性的影响谭德坤1,2刘 莹11.南昌大学,南昌,3300312.南昌工程学院,南昌,330099摘要:壁面粗糙度对微流道流动特性有重要影响㊂分别用矩形㊁三角形和圆顶形粗糙元对壁面粗糙度进行模拟,详细讨论了雷诺数㊁粗糙元高度㊁粗糙元间距等因素对流速㊁压降及流动阻力的影响㊂结果表明:与光滑流道相比,粗糙度使壁面附近的流动发生明显改变,从而导致微流道内流速㊁压降及流阻高于经典理论预测值;微流道内流动阻力随着雷诺数及粗糙元高度的增大而增大,而随着粗糙元间距的增大,流动阻力逐渐减小㊂三种粗糙元相比,矩形粗糙元的影响最大,圆顶形次之,而三角形粗糙元的影响最小,可见在实际应用场合,确立合适的粗糙元形状对分析结果非常重要㊂关键词:壁面粗糙度;微流道;粗糙元;泊肃叶数;压降中图分类号:O 351;T H 117 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.09.015E f f e c t s o fW a l lR o u g h n e s s o nP r e s s u r e ‐d r i v e nL i qu i dF l o w i n M i c r o c h a n n e l s T a nD e k u n 1,2 L i uY i n g11.N a n c h a n g U n i v e r s i t y ,N a n c h a n g,3300312.N a n c h a n g I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y ,N a n c h a n g,330099A b s t r a c t :S u r f a c e r o u g h n e s sm a y h a v e s i g n i f i c a n t i m pa c t s o nm i c r o c h a n n e l f l o w p e r f o r m a n c e s .T h e r o u g h s u r f a c e sw e r em o d e l e dh e r e i nb y r ec t a n g u l a r ,d o me ‐s h a m e d a n d t r i a n g u l a r r o u g h n e s s e l e m e n t s ,r e s p e c t i v e l y .T h e i nf l u e n c e s o fR e y n o l d s n u m b e r ,r o ugh n e s sh ei g h t a n dr o u g h n e s s e l e m e n t s p a c i n g on v e l o c i t y d i s t r i b u t i o n s ,p r e s s u r e d r o p an d f l o wr e s i s t a n c ew e r e d i s c u s s e d i nd e t a i l .R e s u l t s s h o wt h a t t h e l i q u i d f l o wn e a r t h e c h a n n e lw a l l i so b v i o u s l y c h a n g e db y s u r f a c e r o u g h n e s s ,t h e r e b y c a u s e s f l o wv e -l o c i y ,p r e s s u r ed r o p a n dP o i s e u i l l en u m b e ra r e l a r ge r t h a nt h ec l a s s i c a l v a l u e .T h eP o i s e u i l l en u m b e r i n c r e a s e sw i t h t h e i n c r e a s e of r o ugh n e s s h ei g h t a n dR e y n o l d s n u m b e r ,w h i l e d e c r e a s e s g r a d u a l l y wh e n r o u g h n e s s e l e m e n ts p a c i n g i n c r e a s e s .T h er o u g h n e s s g e o m e t r y a l s o p l a c e ss i gn i f i c a n te f f e c t so nt h e f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ,i nt h r e et y p e so f r o u g h n e s se l e m e n t s ,t h e i m p a c to f r e c t a n g u l a rr o u g h n e s se l e -m e n t s o nm i c r o c h a n n e l f l o wi s t h e g r e a t e s t ,t h e nt h ed o m e ‐s h a p e dr o u gh n e s se l e m e n t s ,h o w e v e r ,t h e i n f l u e n c e o f t h e t r i a n g u l a r r o u g h n e s s e l e m e n t s i s t h ew e a k e s t .T h i sm e a n s t h a t i t i s v e r y i m p o r t a n t t o c h o o s e a n a p p r o p r i a t e s h a p e o f r o u g h n e s s e l e m e n t f o rm o d e l i n g t h e r o u g h n e s sm i c r o c h a n n e l i n p r a c t i -c a l a p pl i c a t i o n s .K e y wo r d s :s u r f a c e r o u g h n e s s ;m i c r o c h a n n e l ;r o u g h n e s s e l e m e n t ;P o i s e u i l l en u m b e r ;p r e s s u r e d r o p 收稿日期:20131211基金项目:国家自然科学基金资助项目(51165031,50730007,11302095)0 引言近年来,随着微细加工技术的快速发展,与微尺度流动有关的M E M S (m i c r o ‐e l e c t r o ‐m e c h a n i -c a l ‐s y s t e m s )器件如微生物芯片㊁微泵㊁微阀㊁微混合器㊁微型散热器等得到了越来越广泛的应用[1]㊂在这些设备中,微流道是介质输运的基础,各种功能部件之间均由它连接㊂随着特征尺度的减小,表面效应的影响变得越来越显著,微流体的流动会发生一些不同于宏观流动的现象[2]㊂深入研究微流道内的流动规律,对设计和制造高效的微流体器件是十分重要的[3]㊂在宏观尺度下,当相对粗糙度不超过5%时,它对摩擦因数的影响可以忽略㊂但对于微流体系统,研究表明,壁面粗糙度对流动的影响非常明显[4]㊂K a n d l i k a r 等[5]的实验研究表明,直径620μm 微管中粗糙度(相对粗糙度为0.355%)对摩阻系数和传热效率有明显影响㊂M o r i n i [6]的实验结果也表明粗糙度会增加流体的流动阻力㊂M a l a 等[7]通过实验观测到特征尺度为50~254μm 的硅或者不锈钢微管中,相对粗糙度的范围为0.7%~3.5%时,泊肃叶数大约增加10%~20%㊂数值分析方法可以专注于某些关键因素而忽略其他相关因素的影响,且不必像实验研究方法那样必须考虑实验误差的干扰,因而数值分析方法能有助于深刻了解物理现象产生的本质原因[8]㊂C r o c e 等[9]基于有限单元的C F D (c o m p u -㊃0121㊃中国机械工程第26卷第9期2015年5月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s)方法分析了粗糙度效应对微流道内传热及压力损失的影响㊂Q i a o[10]采用M D(m o l e c u l a rd y n a m i c s)方法研究了分子水平的表面粗糙度对电渗流的影响㊂高新学等[11]采用C F D技术数值研究了三角形粗糙元对平板微流道入口段流动特性的影响,研究结果表明,随着粗糙元高度的增大,即相对粗糙度超过1%时,微流道内流动阻力已经偏离常规理论值,粗糙度效应的影响不能忽略,而且,随着相对粗糙度的增大,层流向紊流转捩时的雷诺数提前㊂杨大勇等[12]采用数值方法研究了矩形粗糙元对平板微通道内电渗流的影响,他们在分析过程中,同时考虑了微通道内的双电层效应㊂邹江等[13]着重分析了壁面粗糙度对摩阻系数的影响,研究发现,摩阻系数不仅取决于相对粗糙度,而且与流道的水力特征㊁粗糙元密度也有关系,特别是微流道中粗糙度对流阻的影响能否忽略,不能以相对粗糙度是否小于5%为标准㊂由上述实验及分析结果可知,微流道内的流动特性与常规尺度流道结果相比有很大不同,存在明显的壁面粗糙度效应㊂但目前的研究大多停留在实验观察和数据积累阶段,而且由于实验测量误差的原因,很难通过实验手段精确评估壁面粗糙度对微流体流动特性的影响大小㊂此外,上述数值研究仅分析了某种单一粗糙元结构对微流道流动和传热的影响,在现实中,工业用微设备由于制造过程的不同,其纹理由不同尺寸不同形状的结构组成[14]㊂因此,本文进一步比较研究了不同粗糙元,特别是粗糙元形状㊁尺寸和间距对微流道内层流流动的影响㊂由于粗糙壁面细观形状的复杂性,要模拟真实的粗糙度结构非常困难,实际研究中大多采用一些标准形状结构进行近似模拟㊂本文利用C F D方法,采用典型形状结构来近似壁面粗糙元,对微流道壁面的粗糙度效应进行研究,定量分析粗糙元分布密度㊁相对粗糙度及雷诺数等参数对微流体流动特性的影响㊂本研究深入探讨微流道内流动的影响机理,对于合理设计微型设备并使其高性能地运行具有重要意义㊂1 模型描述为了分析壁面粗糙度对微流体流动特性的影响,在图1所示的二维微流道物理模型中,我们采用三种典型(矩形㊁三角形和圆顶形)的粗糙元进行模拟㊂其中,微流道长度为L,高度为H㊂w表示粗糙元宽度,h表示粗糙元高度,d表示两相邻粗糙元之间的距离㊂设流体为牛顿流体,其流动为稳态㊁水力充分发展的层流,并忽略重力的影响㊂在微尺度下,微流道内的流动仍然满足连续介质假设㊂则微流体流动可由N a v i e r‐S t o k e s方程进行描述:ρ(u㊃∇)u=-∇p+μ∇2u(1)∇㊃u=0(2)式中,u为速度矢量;ρ为流体密度;μ为流体的黏度;p为流体压力;∇p为压力梯度㊂方程的边界条件如下:在壁面,u=0;在流道中心处,∂u/∂y=0㊂图1 粗糙微流道物理模型示意图2 计算结果与分析采用有限容积法(f i n i t e v o l u m e m e t h o d, F VM)对本文问题进行求解㊂求解过程中,设微流道高度H=300μm,长度L=10H㊂流体介质为水,环境温度为20℃,则物性参数为ρ= 998.2k g/m3,μ=1.004×10-3P a㊃s㊂2.1 粗糙度对流场的影响粗糙度的存在会使粗糙微流道内的流场不同于光滑流道,尤其在壁面附近区域㊂图2给出了光滑㊁矩形粗糙元㊁三角形粗糙元及圆顶形粗糙元4种微流道相同位置壁面附近区域的速度流线图㊂由图2可以看出,与光滑微流道流动相比,粗糙度的存在明显地影响了壁面附近区域流体的流动,三种粗糙元均在背面的角落区域形成旋涡状回流区,其中矩形粗糙元引起的旋涡最大㊂为了分析壁面粗糙度对速度大小的影响,图3绘出了图1B‐B截面处流速在y方向的变化曲线,鉴于对称性,仅绘出了微流道下半部分㊂由图3可见,由于壁面粗糙度的存在,壁面附近区域的流速减小,而远离壁面主流区的流速增大㊂三种粗糙元相比,矩形粗糙元使近壁区的流速下降最多,而三角形粗糙元使主流区的流速下降最多,无论在近壁区还是主流区,圆顶形粗糙元对流速的影响均处于中间位置㊂2.2 粗糙度对压降的影响在工程应用中,深入了解微流道内的压降对㊃1121㊃壁面粗糙度效应对微流体流动特性的影响 谭德坤 刘 莹Copyright©博看网 . All Rights Reserved.(a)光滑微流道(b)矩形粗糙元微流道(c)三角形粗糙元微流道(d)圆顶形粗糙元微流道图2 近壁区域速度流线图(R e=298.2,w=20μm,h=15μm,d=100μm)图3 不同类型微流道B‐B截面速度分布(R e=298.2,w=20μm,h=15μm,d=100μm)微流体系统的设计及优化具有重要意义㊂为了观测粗糙度对微流道内压力场的影响,我们绘出了微流道内沿流动方向的压降分布图,见图4㊂压降Δp(x)定义为Δp(x)=p i n-p x(3)式中,p i n和p x分别为入口及x位置处截面的平均压力值㊂由图4可以看出,粗糙微流道的压降明显大于光滑微流道的压降,说明流体受到了壁面粗糙元的拖曳和阻碍,从而使得沿流动方向压力明显减小㊂由图2也可以看出,壁面粗糙元的存在使得壁面附近的流动发生明显改变,粗糙元引起的流动分离和回流是造成压力损失的主要原因㊂三种粗糙元相比,矩形粗糙元造成的压降最大,圆顶形次之,三角形最小㊂2.3 粗糙度对流阻的影响通常用泊肃叶数来表征微流道中流动阻力的图4 沿流动方向压降分布(R e=298.2,w=20μm,h=15μm,d=100μm)大小,它是摩擦因数和雷诺数之积㊂在微流道内,对于充分发展层流,泊肃叶数由下式定义:P o=f R e=-2(d p/d x)D2hμu(4)式中,f为摩擦因数;R e为雷诺数;D h为水力直径;d p/d x为沿流动方向的平均压力梯度;u为平均流速㊂为了反映粗糙元高度和粗糙元间距对流动阻力特性的影响,我们定义如下两个参数:相对粗糙度α=h/H和粗糙元密度β=d/H,α值越大表示粗糙元高度越大,而β越大表示粗糙元横向分布越稀疏㊂图5绘出了不同类型微流道中泊肃叶数随雷诺数的变化规律㊂从图5中可以看出,泊肃叶数随雷诺数的增大而增大,基本上成线性变化关系㊂粗糙微流道泊肃叶数明显大于光滑流道泊肃叶数,说明壁面粗糙度使微流道内的流阻显著增大㊂此外,由图5还可以看出,泊肃叶数在雷诺数较大区域比较小区域变化更剧烈,W u等[15]通过实验研究得出了与此一致的结论㊂在不同类型的粗糙微流道中,当粗糙元高度㊁宽度和粗糙元间距等参数均相同时,矩形粗糙元微流道流阻最大,圆顶形粗糙元次之,而三角形粗糙元引起的流阻最小㊂图5 不同类型微流道中泊肃叶数P o随雷诺数R e的变化关系(w=20μm,α=5%,β=3.33%)为了观察粗糙元高度对微流道流阻的影响,本文绘出了三种粗糙元微流道中泊肃叶数随相对粗糙度的变化规律,如图6所示㊂泊肃叶数随着相对粗糙度的增大而增大,原因是粗糙元高度越㊃2121㊃中国机械工程第26卷第9期2015年5月上半月Copyright©博看网 . All Rights Reserved.大,粗糙壁面附近的回流越强,脱流也越明显,从而导致流道中的流阻增大㊂三角形和圆顶形粗糙元高度对流阻的影响比较接近,而矩形粗糙元对流阻的影响明显大于其他两种粗糙元㊂在相同的雷诺数条件下,流动阻力随着相对粗糙度的增大而增大的结论也在文献[15]中得到相应实验数据的验证㊂图6 不同类型微流道中泊肃叶数P o随相对粗糙度α的变化关系(R e=298.2,β=3.33%)分析已有文献中的实验数据可知,层流流动中粗糙元对流动阻力的影响比较大,其作用不仅依赖于相对粗糙度的大小,而且还取决于粗糙元的分布密度㊂为了定量分析流动阻力与粗糙元密度之间的关系,我们绘出了不同类型粗糙微流道中泊肃叶数随粗糙元密度的变化规律,如图7所示㊂可以看出,随着粗糙元密度系数的增大,泊肃叶数逐渐减小,亦即粗糙元分布越稀疏,微流道内流阻越小,反之流阻则越大㊂其原因是随着粗糙元间距的增大,流体流经粗糙单元产生的扰动相互影响较小㊂可以预测,当粗糙元间距足够大时,泊肃叶数将接近光滑流道的值㊂而粗糙元分布越密集,壁面附近的部分流体滞留在相邻粗糙元间的空穴里,与主流区流体的动量交换很少,此时粗糙度的影响可等效为流通截面积的缩小㊂图7 不同类型微流道中泊肃叶数P o随粗糙元密度β的变化关系(R e=298.2,α=5%)3 结论(1)本文研究了压力驱动微流道中,壁面粗糙度效应对流场㊁压降及流阻的影响㊂研究发现,壁面粗糙度对层流流动有重要影响,与光滑流道相比,粗糙元的存在改变了壁面附近区域的流动状态,形成了旋涡和脱流,壁面附近区域的流速减小,而远离壁面的主流区流速却增大㊂(2)由于流体受到了壁面粗糙元的拖曳和阻碍,从而使得沿流动方向的压降增大,其原因是粗糙元引起的流动分离和回流造成了压力损失㊂(3)反映流阻大小的泊肃叶数不仅取决于雷诺数,也与相对粗糙度及粗糙元密度紧密相关㊂泊肃叶数随着雷诺数及相对粗糙度的增大而增大,而随着粗糙元密度系数的增大,泊肃叶数逐渐减小㊂它们对泊肃叶数的影响均成线性变化关系㊂(4)粗糙元形状对微流道流动特性的影响有明显差异㊂在粗糙元高度㊁宽度及间距均相同的情况下,矩形粗糙元对微流道流动特性的影响最大,圆顶形次之,而三角形最小㊂参考文献:[1] C a oBY,C h e n M,G u oZY.E f f e c t o f S u r f a c eR o u g h-n e s s o nG a sF l o wi n M i c r o c h a n n e l sb y M o l e c u l a rD y-n a m i c sS i m u l a t i o n[J].I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo fE n g i-n e e r i n g S c i e n c e,2006,44(8):927‐937.[2] S o o n g CY,W a n g SH.T h e o r e t i c a l A n a l y s i s o f E l e c-t r o k i n e t i cF l o wa n d H e a tT r a n s f e r i na M i c r o c h a n-n e lu n d e r A s y mm e t r i c B o u n d a r y C o n d i t i o n s[J].J o u r n a l o fC o l l o i dI n t e r f a c eS c i e n c e,2003,265(9): 202‐213.[3] S a d e g h iA,S a i d iM H.V i s c o u sD i s s i p a t i o nE f f e c t so n T h e r m a lT r a n s p o r tC h a r a c t e r i s t i co fC o m b i n e dP r e s s u r e a n dE l e c t r o o s m o t i c a l l y D r i v e nF l o wi n M i-c r o c h a n n e l s[J].I n t e r n a t i o n a lJ o u r n a lo f H e a ta n dM a s sT r a n s f e r,2010,53(9):3782‐3791. 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管道内的流速分布
管道内的流速分布随着科技的不断进步，管道在生产、工程和生活中的应用越来越广泛。
管道内的流速分布是管道设计和运行过程中的一个重要参数，它对流体的输送效率、能量损失和管道的稳定性都有着重要影响。
本文将从管道内的流速分布的基本原理、影响因素和改善措施等方面进行探讨。
一、基本原理管道内的流速分布是指管道截面上流体流速的分布情况。
根据流体力学的基本原理，流体在管道内的流动是由于压力差驱动的。
当流体通过管道时，由于管道的摩擦阻力和管道内的摩擦阻力，流体的流速不是均匀的，而是呈现一定的分布。
通常情况下，管道内的流速分布呈现为中心流速较大、边界流速较小的特点。
二、影响因素管道内的流速分布受到多种因素的影响，主要包括管道的几何形状、管道壁面的粗糙度、流体的物性以及流量大小等。
首先，管道的几何形状对流速分布起着重要作用。
当管道的截面形状改变时，流体在管道内的流速分布也会发生变化。
其次，管道壁面的粗糙度会影响管道内的摩擦阻力，从而影响流速分布。
粗糙的管道壁面会增加流体的摩擦阻力，导致流速分布不均匀。
再次，流体的物性如粘度、密度等也会对流速分布产生影响。
不同的流体物性会导致不同的流动特性和流速分布。
最后，流量大小也是影响流速分布的重要因素。
当流量较小时，流速分布较为均匀；而当流量增大时，流速分布会出现明显的非均匀性。
三、改善措施为了改善管道内的流速分布，可以采取以下措施。
首先，合理选择管道的几何形状。
合理的管道几何形状可以降低管道内的阻力，改善流速分布。
其次，提高管道壁面的光滑度。
光滑的管道壁面可以减小摩擦阻力，使流体的流速分布更加均匀。
再次，优化流体的物性。
选择适当的流体物性参数可以改善流体的流动特性，减小流速分布的差异。
最后，控制流量大小。
合理控制流量可以使流速分布更加均匀，减小流体在管道内的能量损失。
管道内的流速分布是管道设计和运行中需要重视的一个参数。
了解管道内的流速分布对于提高管道的输送效率、减小能量损失和保证管道的稳定性具有重要意义。
流体剪切效应以及通道壁面效应
流体剪切效应以及通道壁面效应
流体剪切效应是指在流体中，当两个相邻的流体层之间存在运动差异时，会产生相对的流动，从而导致流体发生剪切。
具体来说，流体中的分子之间存在相互作用力，当流体发生剪切时，会给分子施加剪切力，从而使得流体发生形变并流动。
通道壁面效应是指在流体通过通道时，与通道壁面的相互作用所产生的现象。
通道壁面的性质（如光滑度、形状等）会对流体的流动产生重要影响。
在通道流动中，由于流体与壁面之间发生粘附和滑移现象，导致流体在壁面处产生速度梯度，而速度梯度又会影响流体的剪切效应。
总的来说，流体剪切效应和通道壁面效应是流体动力学中的两个重要现象，它们在各种工程和科学领域中都扮演着重要的角色，如润滑、泵浦、管道和微流体等应用中。
研究和理解这些效应对于优化流体系统的设计和处理流体相关问题具有重要意义。
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壁 面 粗 糙 度 对 通 道 流 动 特 性 的 影 响
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第 ５ 卷 ９
第 １ 期
９ Ｎｏ ．５ ．１
２０ ０ ８年 １月
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