微尺度流动特性
《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》范文
《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》篇一一、引言随着纳米科技的快速发展，微尺度下的流体流动问题逐渐成为科研领域的重要课题。
在微尺度环境中，非线性流动特征显著，流动阻力问题尤为突出。
因此，研究微尺度下非线性流动的特征以及如何降低流动阻力，对于推动微流控技术、生物医学、能源科学等领域的发展具有重要意义。
本文旨在探讨微尺度下非线性流动的特性和降低流动阻力的方法。
二、微尺度下非线性流动特征在微尺度环境中，流体的流动表现出明显的非线性特征。
这些特征主要包括以下几个方面：1. 表面效应显著：在微尺度下，流体与固体表面的相互作用增强，表面张力、润湿性等表面效应对流动产生重要影响。
2. 速度梯度大：由于微通道尺寸小，流体在微尺度下的速度梯度较大，导致流动的不稳定性和复杂性增加。
3. 惯性力与黏性力竞争：在微尺度流动中，惯性力和黏性力之间的竞争关系更加明显，这种竞争关系决定了流动的特性和规律。
三、流动阻力分析及影响因数在微尺度下，流动阻力主要由以下几个因素造成：1. 黏性摩擦：由于流体与微通道壁面的摩擦作用，产生了主要的黏性阻力。
2. 惯性效应：流体的惯性效应在微尺度下显著增强，导致流动的不稳定和阻力增加。
3. 表面粗糙度：微通道表面的粗糙度对流动阻力有重要影响，粗糙度增加会增大流体与壁面的摩擦，从而增加阻力。
四、降低流动阻力的方法针对微尺度下流动阻力的问题，研究者们提出了以下几种降低流动阻力的方法：1. 优化微通道设计：通过改进微通道的结构设计，如采用平滑的壁面、合理的弯曲半径等，可以降低流体与壁面的摩擦，从而减小阻力。
2. 利用纳米材料：纳米材料具有优异的润滑性能和低摩擦特性，将其应用于微通道表面可以有效地降低摩擦阻力。
3. 引入润滑剂：在微通道中引入润滑剂可以显著减小流体与壁面之间的摩擦力，从而降低流动阻力。
4. 控制流体速度和压力：通过精确控制流体的速度和压力，可以减少流体在微尺度下的不稳定性，从而降低阻力。
微系统的流体力学特性
微尺度的流体力学特性本质上就是在宏观流动中 原本可以忽略的因素凸显出来，使得流动规律发 生了变化。在为尺度下，由于流体受粘性耗散， 热扩散、流动滑移等因素的影响，经典的纳维-斯 托克方程将不再适用。随着特征尺寸减小到μmmm量级，与表面有关的传热、传质过程、表面粗 糙度及外部接触界面上的作用力起着主要作用。
流体粘度特性
1845年Stokes用μ来描述流体粘性并最终建立了 Navier-Stokes方程,才把流体粘性从量 化上精确表 示出来。在宏观条件下,流体粘度不变,而只与流体本 身性质有关,在微观条件下,流体粘度受多方面因素的 影响。据Pfahler等人的实验结果显示,流体在不同截 面形状管道中流动时,粘度各不相同,而且粘度与温度、 压强有关,目前尚不能用量化方式准确表达粘度与各 种因素的关系,但由于粘度成为管道尺寸、截面形状、 温度、压强等的函数,在Navier-Stokes方程中,不能 把粘度μ认为是常量,用N-S方程来解释微流体特性需 要严格制其应用条件。
梯度参数效应
尺度缩小使得流场中某些梯度量变大，与梯度量有 关的参数的作用增强。对平行剪切流动,尺度缩小使 沿壁面法向的速度梯度变大,剪切作用增强。粘性剪 应力与速度的一阶空间导数有关。
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假设流动的Re数等于2,在直径D= 1 cm的管道和d= 25μm的微管道中,同样介质流动沿径向的剪应变率 (速度的空间导数)将增大10^5量级以上。流变学研 究表明,当剪应变率大于流体分子频率两倍时,流动 的的流体将呈现比，微尺度问题具有很大的表 面积和体积的比，因此微尺度问题中表面效应是 一个很重要的问题。 1.液体与气体之间的表面张力 2.微尺度对Re的影响 3.极性流体与固体之间形成的离子性双电层 在电泳流动中，双电层可以达到几百纳米，对于 几微米直径的管道，双电层的影响应该考虑。
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《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》篇一摘要：随着微纳技术的发展，微尺度下的流动问题愈发受到科研人员的关注。
本文针对微尺度环境下的非线性流动特征进行了深入研究，并探讨了降低流动阻力的有效方法。
通过理论分析、数值模拟及实验验证相结合的方式，揭示了微尺度流动的复杂性和非线性特征，为优化微流控器件设计、提高流体传输效率提供了理论依据。
一、引言在微尺度环境中，流体流动表现出显著的非线性特征，这给微流控器件的设计和优化带来了挑战。
了解并掌握微尺度下的非线性流动特征，以及如何降低流动阻力，对于提高微流控系统的性能至关重要。
本文旨在通过理论分析和实验研究，深入探讨微尺度流动的特性和降低流动阻力的方法。
二、微尺度下的非线性流动特征1. 微尺度效应在微尺度环境下，流体的物理特性发生了显著变化。
由于尺寸的减小，表面效应、惯性效应等对流动的影响更加明显。
这些因素导致流动呈现出明显的非线性特征。
2. 速度分布及梯度在微尺度空间内，流体速度分布不均匀，存在较大的速度梯度。
这种不均匀的速度分布导致了局部的流体加速或减速，从而使得流动表现出非线性的特性。
3. 界面效应微尺度下的流体界面效应也是非线性流动特征的重要体现。
界面处流体分子的相互作用、吸附等过程，都会对流体的运动轨迹和速度产生影响。
三、降低微尺度流动阻力的方法1. 优化流道设计通过对流道形状、尺寸和结构进行优化设计，可以有效地降低微尺度下的流动阻力。
例如，采用光滑的流道壁面、减小流道弯曲等措施，都可以减少流体在微流控器件中的摩擦损失。
2. 利用外部场力通过引入外部场力（如电场、磁场等），可以改变流体的运动状态，从而降低流动阻力。
例如，利用电渗流可以有效地驱动流体在微流道中运动，且具有较低的能耗和阻力。
3. 引入新型材料采用具有特殊润湿性、低摩擦系数等特性的新型材料制备微流控器件的表面，可以显著降低流体在器件表面的摩擦阻力。
这些材料通常具有优良的生物相容性和化学稳定性，适用于多种不同的流体介质。
《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》范文
《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》篇一摘要：随着纳米科技的迅速发展，微尺度下的非线性流动现象成为了研究的热点。
本文通过理论分析、数值模拟及实验研究，探讨了微尺度下非线性流动的特性和影响因素，并提出了降低流动阻力的方法。
首先，我们概述了微尺度流动的背景和意义；接着，详细分析了非线性流动的特征；最后，提出了优化策略并进行了实验验证。
本文的研究为微尺度流动控制及优化提供了理论依据和实践指导。
一、引言随着纳米技术的飞速发展，微尺度下的流体流动现象引起了广泛关注。
在微尺度环境中，流体流动表现出非线性的特点，这给流体控制和优化带来了新的挑战。
因此，研究微尺度下的非线性流动特征及降低流动阻力具有重要的科学意义和实际应用价值。
二、微尺度非线性流动特征1. 流体动力学原理在微尺度下，流体的动力学行为与非微尺度环境存在显著差异。
由于微通道的尺寸效应，流体的速度分布、压力分布以及流态都呈现出非线性的特点。
这些特征不仅影响了流体的传输效率，还可能引发一系列的物理现象，如层流到湍流的转变等。
2. 影响因素分析微尺度下非线性流动的特征受到多种因素的影响，包括流体性质（如粘度、表面张力等）、微通道的几何形状和尺寸、以及外部环境的温度和压力等。
这些因素相互作用，共同决定了微尺度下非线性流动的特性和行为。
三、降低流动阻力的方法1. 优化微通道设计通过合理设计微通道的几何形状和尺寸，可以有效地降低流动阻力。
例如，采用光滑的壁面、减小弯曲程度、扩大流道截面等措施，都可以降低流体在微通道中的阻力。
2. 引入新型材料新型材料的应用也为降低微尺度下的流动阻力提供了新的可能性。
一些具有低表面粗糙度、高润湿性的材料被广泛用于改善微通道的流体传输性能。
此外，利用纳米材料改善流体本身的性质也是一种有效的手段。
3. 数值模拟与实验验证通过数值模拟和实验研究相结合的方法，可以更准确地分析微尺度下非线性流动的特征和影响因素。
数值模拟可以预测不同条件下的流动情况，为实验研究提供理论指导；而实验研究则可以验证数值模拟的结果，为实际应用提供可靠的依据。
流体在微观尺度下的行为和特性
流体在微观尺度下的行为和特性流体是一种广泛存在于自然界和工程应用中的物质，其在微观尺度下的行为和特性是研究领域中的重要课题。
了解流体在微观级别上的行为对于解释和预测各种现象具有重要意义，包括流体的流动、传热、混合等。
在微观尺度下，流体的行为和特性受到分子间相互作用力的支配。
分子之间存在着吸引力和斥力，这些相互作用力决定了流体的物理性质，如黏度、表面张力等。
流体分子在微观尺度上的运动方式主要有平移、旋转和振动。
这种运动方式和分子间的相互作用力共同决定了流体的宏观性质。
流体在微观尺度下的流动行为可以用分子动力学模拟来研究。
在分子动力学模拟中，流体被抽象为由大量分子组成的系统。
通过求解分子之间相互作用力的方程，可以模拟出流体分子的运动轨迹和速度。
通过观察流体的分子运动，可以了解到流体的流动方式以及涡旋和湍流等复杂现象的产生机制。
另一个重要的微观尺度下的流体特性是热力学性质。
流体在微观级别上的热运动对于流体的宏观性质有着重要影响。
根据统计物理学的理论，流体分子的热运动可以用温度来描述。
温度越高，流体分子的热运动越剧烈，流体的黏度和热传导性能也会增加。
通过对流体在不同温度下的热力学性质进行研究，可以揭示流体在微观尺度下的行为规律。
除了流体的物理性质外，流体的化学性质也对其微观行为产生影响。
例如，在溶解物质时，溶质的分子将与溶剂分子进行相互作用，这将导致流体的密度、黏度和表面张力等发生变化。
另外，流体中的化学反应也会使流体的组成发生变化，进而对流体在微观尺度下的行为产生影响。
因此，研究流体的化学性质对于了解流体在微观级别上的行为和特性具有重要意义。
综上所述，流体在微观尺度下的行为和特性与分子的相互作用力、分子的运动方式、热力学性质和化学性质等密切相关。
通过对这些微观行为和特性的研究，我们可以更好地理解和预测流体的宏观行为，为流体力学领域的应用提供科学依据。
未来的研究可以进一步深入探索流体微观尺度下的行为，以应对和解决实际问题，促进流体力学领域的发展。
《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》范文
《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》篇一摘要：随着微纳技术的发展，微尺度下的流动问题日益受到科研人员的关注。
特别是在工程、生物医学、材料科学等多个领域中，对微尺度下的非线性流动特征及其流动阻力的控制成为研究的重要方向。
本文首先分析了微尺度下非线性流动的基本特征，接着探讨了降低流动阻力的方法和手段，并最终通过实验验证了相关理论，为微尺度流动的优化和控制提供了理论依据和实际指导。
一、引言随着纳米技术和微电子机械系统（MEMS）的快速发展，微尺度下的流体流动问题逐渐成为研究的热点。
在微尺度环境中，流体的流动表现出显著的非线性特征，这使得流动控制更加复杂和富有挑战性。
与此同时，如何有效地降低微尺度下的流动阻力也成为工程实践中亟待解决的问题。
因此，本文旨在研究微尺度下非线性流动的特征以及降低流动阻力的方法。
二、微尺度下非线性流动特征在微尺度环境中，流体的流动受到诸多因素的影响，呈现出复杂的非线性特征。
首先，由于微尺度的特殊性，流体在微通道中的流速分布与宏观尺度下存在显著差异。
在微尺度下，流速分布更加不均匀，存在较大的速度梯度。
其次，微尺度下的流体往往受到表面效应的影响，表面张力、润湿性等因素对流动特性产生重要影响。
此外，微尺度下的流体还可能表现出特殊的相变现象和传热特性等。
三、降低微尺度流动阻力的方法针对微尺度下流动阻力的问题，本文提出了以下几种降低流动阻力的方法。
首先，优化微通道的设计，包括通道的形状、尺寸以及表面的粗糙度等。
合理的通道设计可以改善流速分布，减小速度梯度，从而降低流动阻力。
其次，利用表面工程技术改善表面的润湿性和降低表面张力，有助于流体在微通道中的顺畅流动。
此外，通过添加适当的添加剂或使用特定的流体也可以降低流动阻力。
这些方法在实验和理论分析的基础上进行了验证和优化。
四、实验研究及结果分析为了验证上述理论和方法的有效性，我们进行了相关的实验研究。
通过构建微尺度下的流动模型，我们观察了非线性流动的特征以及不同因素对流动阻力的影响。
生物流体力学中的微尺度流动研究
生物流体力学中的微尺度流动研究引言生物流体力学是研究生物体内流体运动行为的学科，其应用领域覆盖生物医学工程、生物医学图像处理、生物传感器等多个领域。
生物流体力学主要涉及宏观流动和微观流动两个尺度。
宏观流动主要研究大尺度器官内的流动行为，如心脏循环系统中的血液流动；而微观流动则关注在细胞水平上的流动现象。
本文将重点介绍生物流体力学中的微尺度流动研究。
微尺度流动简介微尺度流动是研究细胞和微生物等微小生物体内液体运动行为的学科，对于深入了解细胞内流动特性、生物分子扩散以及微生物传播等方面具有重要意义。
微尺度流动的研究还可应用于微型生物流控芯片、药物传输和细胞工程等领域。
微尺度流动的数值模拟数值模拟是研究微尺度流动的一种重要方法。
通过建立微观流动的数学模型，结合计算流体力学方法，可以模拟和预测细胞内流动的行为和规律。
在微尺度流动数值模拟中，常用的建模方法包括基于纳维-斯托克斯方程的流动模型以及基于布朗动力学的扩散模型。
此外，还可以借助有限元方法、谱方法等数值计算技术对微尺度流动进行数值求解。
微尺度流动的实验研究实验研究是研究微尺度流动的另一种重要方法。
通过使用显微镜、激光扫描共聚焦显微镜等仪器设备，观察和记录微尺度流动的现象和特性。
在微尺度流动实验研究中，常用的实验手段包括微通道芯片实验、流体动力学力谱、拉曼光谱和荧光显微技术等。
这些实验手段对于验证数值模拟结果的准确性、探究微尺度流动的微观机制具有重要意义。
微尺度流动的应用研究微尺度流动的研究对于多个领域的应用具有重要意义。
在生物医学工程领域，微尺度流动研究可应用于设计和优化微型生物流控芯片，实现体外胚胎培养和肿瘤细胞筛选等应用。
在药物传输领域，微尺度流动研究可帮助优化药物的输送方式，提高药物传输效率和精确度。
在细胞工程领域，微尺度流动可以为细胞培养提供更加逼真的模拟环境，促进细胞生长和分化。
结论微尺度流动作为生物流体力学研究的重要分支，对于研究细胞内液体运动行为、了解生物分子扩散以及微生物传播等方面具有重要意义。
《2024年微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》范文
《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》篇一摘要：本文以微尺度环境下的非线性流动特征为研究对象，深入探讨了微尺度流动中出现的复杂现象及影响因素。
通过分析非线性流动的物理机制，本文提出了降低流动阻力的有效方法，旨在为微尺度流动的优化和控制提供理论依据和技术支持。
一、引言随着纳米技术的快速发展，微尺度下的流体流动问题日益受到科研人员的关注。
微尺度流动在诸多领域如生物医学、微电子制造、微流控等有着广泛应用。
在这一尺度下，流体流动呈现出明显的非线性特征，这给流动控制和优化带来了新的挑战。
因此，研究微尺度下的非线性流动特征及降低流动阻力具有重要的理论意义和实际应用价值。
二、微尺度非线性流动特征在微尺度环境下，流体流动受到表面效应、惯性效应等多种因素的影响，呈现出明显的非线性特征。
这些特征包括：1. 表面效应的影响：在微尺度下，流体与固体壁面的相互作用增强，表面张力、润湿性等表面效应对流动产生显著影响。
2. 惯性效应的强化：随着尺度减小，流体惯性的影响逐渐增强，使得流动呈现出显著的动态特性。
3. 流动不稳定性：由于上述效应的综合作用，微尺度下的流体流动表现出较高的不稳定性，容易出现层流到湍流的转变。
三、降低流动阻力的方法针对微尺度下的非线性流动特征，本文提出了以下降低流动阻力的方法：1. 优化流道设计：通过合理设计流道结构，如采用多孔介质、梯度孔径等结构，可以有效地降低流动阻力。
此外，采用流线型设计也能减少涡旋和湍流的形成。
2. 利用表面工程：通过改变固体表面的物理化学性质，如降低表面粗糙度、引入润湿性调控层等手段，可以减小流体与壁面的摩擦力，从而降低流动阻力。
3. 引入外部能量场：利用电场、磁场等外部能量场对流体进行控制，可以改变流体的运动轨迹和速度分布，从而达到降低阻力的目的。
4. 优化操作条件：通过调整流体的流速、温度、压力等操作条件，可以改变流体的物理性质和流动性，从而降低流动阻力。
四、实验与模拟研究为了验证上述方法的有效性，本文进行了实验和模拟研究。
《2024年微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》范文
《微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究》篇一一、引言随着微纳技术的发展，微尺度下的流动问题成为了科研领域的一个重要方向。
微尺度流动现象普遍存在于各种微型设备、生物医学和工业制造中，因此，对微尺度下非线性流动特征及降低流动阻力的研究具有重要的理论和实践价值。
本文旨在探讨微尺度下非线性流动的特性和如何通过优化设计降低流动阻力，为相关领域的研究和应用提供理论支持。
二、微尺度下非线性流动特征在微尺度下，流体的流动行为常常呈现出明显的非线性特征。
这主要由于微尺度的空间限制，导致流体的流动状态与传统宏观流体有很大的不同。
首先，微尺度流动往往涉及到复杂的多场耦合问题，如热场、电场等对流体流动的影响。
其次，微尺度下的流体往往具有较高的雷诺数，使得流态更倾向于湍流。
此外，微尺度下的表面效应和界面效应也对非线性流动特征产生重要影响。
具体而言，微尺度下的非线性流动特征表现为以下几个方面：1. 速度分布的复杂性：在微尺度下，流体的速度分布不再遵循传统的抛物线型分布，而是呈现出更加复杂的变化规律。
2. 湍流现象的增强：由于雷诺数的增大，湍流现象在微尺度下更加明显，导致流体运动的复杂性和不稳定性增加。
3. 表面效应和界面效应的影响：微尺度下的流体与固体壁面的相互作用增强，表面粗糙度、润湿性等因素对流体流动产生显著影响。
同时，不同流体之间的界面行为也表现出明显的非线性特征。
三、降低微尺度流动阻力的方法针对微尺度下非线性流动的特征，降低流动阻力成为了重要的研究课题。
以下是一些降低微尺度流动阻力的方法：1. 优化流道设计：通过改进流道结构，如采用多孔介质、分形结构等，可以改变流体的速度分布和湍流程度，从而降低流动阻力。
此外，合理设计流道的弯曲程度和截面形状也能有效降低阻力。
2. 表面改性技术：通过改变固体壁面的润湿性、粗糙度等表面性质，可以减小流体与壁面的摩擦力，从而降低流动阻力。
例如，采用纳米涂层技术对壁面进行改性，可以显著提高表面的光滑度和润湿性。
微尺度流体力学性质及其在生物体内作用机制解读
微尺度流体力学性质及其在生物体内作用机制解读微尺度流体力学是一门研究微小尺度下流体行为的学科，它在生物体内有着广泛的应用。
从细胞内的运动到血液循环中的流动，微尺度流体力学为我们揭示了生物体内的许多重要现象和机制。
本文将深入探讨微尺度流体力学的基本性质以及其在生物体内的作用机制。
首先，让我们了解一下微尺度流体力学的一些基本性质。
在微小尺度下，流体的粘度、惯性和表面张力等因素开始显示出重要的影响。
例如，生物体内的细胞是微尺度下的基本生物单位，细胞内的液体环境对细胞的正常功能至关重要。
在细胞内部，胞质流动的粘性特性决定了物质的传输效率，而流动的速度则受到细胞内部粘度、细胞骨架的形态和流体与固体之间相互作用的影响。
此外，细胞外的液体介质中的流动也对生物体内的许多生理过程起着重要作用。
例如，血液循环中的血流动力学特性可以影响到心脏的工作效率，从而对身体健康产生影响。
微尺度流体力学的研究对于解析生物体内的许多重要现象和机制至关重要。
在微尺度下，由于流体的连续性特性，在细胞尺度和微小管道尺度下，流体行为可以被描述为非常接近于理想流体的状态。
这种理想流体行为在细胞中的胞质流动、血液中的血流和淋巴液中的淋巴流动等生物过程中起着重要作用。
通过对微尺度流体力学的深入研究，我们可以更好地理解这些过程的特性，从而为相关疾病的治疗和预防提供更好的理论依据。
在生物体内，微尺度流体力学对细胞运动和传输过程的研究具有重要意义。
在微尺度下，细胞的形态和运动方式可以受到流体环境的影响，例如，流体的黏性可以改变细胞的变形能力和速度。
此外，细胞的运动还涉及到细胞骨架的重要作用，细胞骨架可以通过调节流体与固体之间的相互作用来控制细胞的形态和运动。
这些研究对于深入理解细胞内部物质传输的机制以及相关疾病的发生和发展具有重要意义。
另一个重要的应用领域是微尺度流体力学在血液循环中的应用。
血液循环是生物体内细胞供应氧气和营养物质的重要途径。
通过研究血液中的血流动力学特性，我们可以了解到血液在不同血管中的流动特点，如血流速度、剪应力分布和细胞在血流中的分布等。
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2 早期微尺度流动的研究
关于微尺度流动的研究最早可以追溯到 1970 年 两个研究组开展的工作 ,即 Wu 与 Little[4] 进行的制冷 方面的研究 和 Terry 进行的气相色谱芯片的研究[3] 。 70 年代出于对制冷研究的要求 ,Little 和他的同事[5] 开 始制作芯片上的冷却器 。这个制冷器使用玻璃作为衬 底 ,用 HF 酸化学刻蚀流道 。这样制成的流道具有圆 形横截面 ,难以准确测量尺寸 。为了克服这个困难 ,他 们采用 Sandblasting 方法 ,可以制作出具有相当垂直的 边壁面的流道 ,但底部很粗糙 ,这促使了对粗糙度影响 的研究 。他们加工出来的流道尺寸为宽 200 μm、深 50μm ,粗糙度量级在 20 μm ,因此这种方法不适用更 小尺度的管道 。在改进管道刻蚀技术的同时 ,他们又 发展了一种新颖的粘接方法 ,使制冷器可以承受 20 MPa的压力 。最终这种利用高压氮气的芯片式制冷 器 ,可以在几分钟内将样品温度冷却到 80 K; 这是第 一批实用的微流体器件 。另外 ,Terry 和他的同事[6] 于 1975 年开始研究一种基于微芯片的气相色谱系统 。 他们工作的主要贡献是 ,使用了气阀控制待分析混合 气体的引入及利用薄膜式热传导传感器进行流量测 量 。他们的研究成果也成为最早的 MEMS 器件之一 。 但是当时阀门和传感器都是分别加工后再组装 ,还不 是人们所期望的集成系统 。
2001 年
强度也与特征长度无关 ,小型化对器件的强度不会带 来问题 。推力和冲量与长度有关 ,即尺寸缩小使推力 和冲量减少 ,这正是点阵式微喷方案提出的理由 ,即通 过增加微喷的个数提高总体推力 。问题出在壁面导热
进入 90 年代 ,基因工程推动了微检测技术的发 展 ,使微制造技术得到前所未有的重视 ,极大地推动了 对微尺度流动现象的研究[8 ,9] 。
3 微型化引起的问题
研究微电子机械系统时常常涉及尺度效应 。例如 表面积与体积之比的增大 、传热传质效率的提高等 。 下面通过实例具体说明微尺度的影响和效应及对微尺 度理论的考虑 。 3. 1 微型化并不是简单的几何缩小
体密度 , c 是比热 。
推力
F∝ GV∝ At ∝L2
冲量
I∝ Ft∝L2 ·L ∝L3
强度
σ= 2Pδd∝L0
具体推导请参考文献 [ 12 ] 。由此可知 ,壁面传热
量 Hw 与气体总焓 Gio之比与特征长度无关 ,说明尺寸
缩小并不影响传给壁面的热量在流动总焓中的比例 。
478
机 械 强 度
LI Zhanhua CUI Haihang ( State Key L aboratory of Nonlinear Mechanics ( LNM) , Institute of Mechanics ,
Chinese Academy of Sciences , Beijing 100080 , China)
Ξ 20011112 收到初稿 ,20011123 收到修改稿 。本文由国家基础研究发展规划项目 ( G1999033106) 和国家攀 A 项目资助 。
第 23 卷第 4 期
李战华等 :微尺流动特性
477
物芯片和微传感器的性能 ,但由于缺乏对液体结构的 了解 ,对液体流动规律的描述不足 。最后介绍本研究 组对微尺度液体流动规律研究的进展 。
图 1 一种用于研究渗透现象的流动网络[3] Fig. 1 A flow network used to study percolation phenomena [3]
卫星在轨道上运行时需要推进器对其姿态进行控
制 。卫星小型化必然要求推进器的尺寸减小 。在微推
进器的研制中 ,提出过一种点阵式微喷方案 ,即在一块 芯片上制作许多微喷 ( 图 2) 。假设一个独立的微喷 (燃烧室 —喷管系统) 大约占有 2 mm2 的面积 (即 0. 5 个Πmm2 ) , 其壁厚 δ为 0. 2 mm ,如果希望进一步微型 化 ,达到装置密度为数个Πmm2 ,甚至作到 100 个Πmm2 , 是否仅仅将尺寸缩小即可 ? 文献 [ 11 ] 探讨了这个问 题 。考虑几个比例参数与尺度的关系 :
关键词 微电子机械系统 液体流动 尺度效应 Abstract Micro2fluid research was introduced by early experiments on refrigerators2on2a2chip and chromatograph. Recently , more attentions are promoted with the development of NEMSΠMEMS. This paper illustrates the influences of miniaturization through some par2 ticular examples in micro2thruster2array that the miniaturization isn’t simply a scale reduction. The basing physical factors of micro2fluid flow are different from those of macro2scale flow , such as the increment of surface2volume ratio related to the domain of flow , the effects of gradient parameters and interface forces. The change of some dominated physical factors or addition of new factors makes that the m2i cro2fluid presents some new special behaviors. These characters provide a novel idea to the microchips and micro2sensors design , such as to enhance the laminar mixture mentioned in some literatures. The micro scale effects could be reflected in the theory of fluid mechanics , including the correction of basic equations , boundary conditions , etc. But the deep understanding to the flow phenomena is the key point of the development of theory. Some experimental results in the micro channel obtained by LNM are also presented briefly in this paper. Key words Micro2electro2mechanical system; Liquid flow; Scale effect Correspondent : LI Zhanhua , E2mail : lili @lnm . imech. ac. cn , Fax : + 86210262561284 The project supported by the National Fundamental Research Development Project of China (No. G1999033106) and the National Climbing A Project of China. Manuscript received 20011112 , in revised form 20011123.
Journal of Mechanical Strength
机械强度
2001 ,23 (4) :476～480
微尺度流动特性 Ξ
CHARACTERISTICS OF MICRO SCAL E FLOW
李战华 崔海航 (中国科学院力学研究所 非线性力学国家重点实验室 (LNM) ,北京 100080)
摘要 通过微推进器小型化的具体问题说明微型化不是简单的尺寸缩小 。微尺度流动所基于的物理因素与宏观流 动不同 ,体现在流动涉及的表面积与体积之比增强 、梯度参数效应及界面力效应等 。物理因素作用的改变或新的因素参 与 ,使微尺度流动呈现新的特点 ,这为设计芯片和传感器中的流动提供了新的思路 ,正如文中介绍的增强层流混合方法 。 微尺度效应在流体力学理论方面也会有所体现 ,包括对基本方程 、边界条件的修正 。然而对流动现象的深入认识则是理 论发展的关键 。文中简单介绍了作者的研究组在微尺度液体流动实验方面的研究结果 。
其实微尺度现象的研究已有其历史 ,而且在流体力学 其他领域如流变学 、渗流力学 、生物力学 、胶体科学等 都可以找到对细观现象研究的经验 。但近来 MEMS 技 术的发展并受其巨大的应用背景所激励引起了前所未 有的对微尺度现象的研究高潮 ,这给予我们一个从新 的角度研究微尺度流动规律的机会 。
本文首先回顾自 70 年代开发芯片式制冷器和色 谱仪的工作如何引起了对微尺度流动研究的兴趣 。然 后引用具体问题的研究结果说明微型化的影响 ,通过 微推进器小型化的尺度效应 ,说明微型化不是简单的 尺寸缩小 。微尺度流动所基于的物理因素与宏观流动 不同 ,表现为 ,表面力相对于体积力的作用 、梯度参数 效应及界面力效应的增强 。物理因素作用的改变或新 的因素参与 ,使微尺度流动呈现新的特点 。文中介绍 了研究和利用这些特点改变微尺度流动的文献结果 , 例如增强层流混合等 。微尺度液体流动规律会影响生