微尺度气体流动特性实验研究

现有关于微尺度下气体流动特性的文献结果差异很大,甚至互相矛盾.文中提出入口效应以及充分发展段的流动特性与常规尺度的差异可能是影响微尺度下气体流动特性的关键因素.搭建了单相气体流动特性实验研究系统,针对这一影响因素对气体流动特性的影响规律进行了系统分析,证实了上述结论,发现微尺度下充分发展段流体的摩擦阻力明显小于常规理论预测值.针对微尺度下气体流动特性进行了系统分析.     

微尺度空泡溃灭驱使微球运动的机理研究

受限空泡的溃灭是气泡动力学的核心问题,研究表明毫米尺度的空泡溃灭可以拉动附近同尺度的悬浮颗粒运动.本文针对受限空泡溃灭在微尺度下的行为开展研究,通过气泡驱动的球形微马达实验,给出了微气泡溃灭形成射流从而显著推动马达前进的现象,但由于溃灭时间很短,Micro PIV系统不能给出足够的流动细节.进而采用基于流体体积的数值手段模拟了这一过程,获得了流场的时空分布,并通过积分估算了微球获得的冲量,给出了微球所能达到的速度.结果表明这一问题与尺度密切相关,微尺度下空泡溃灭足以推动微球显著运动,在气泡尺寸固定的情况下,微球半径越小,微球与气泡间距离越近,推动的效果越明显.冲量定理则定性地解释了宏观尺度与微尺度下存在差异的原因.这一特殊的微流动问题不但扩展了空化研究的尺度范围,揭示了微尺度下空泡与颗粒作用的特性,而且对提高微马达的驱动效率也具有重要意义.     

微细管内气体流动特性实验研究及影响因素分析

实验研究了直径范围50-200 μm微细光滑圆管及粗糙管内气体阻力特性。结果表明所研究光滑微细管内阻力特性与常规管基本符合,从层流到素流的转捩Re也未明显提前,而粗糙管阻力要远大于理论值。由于尺度效应,一些非常规因素对微尺度流动将产生明显影响。综合前人研究结果,对影响微尺度阻力特性研究结果的相关因素进行了探讨。     

微通道内近临界流体瞬态混合与换热研究

近年来,微尺度条件下功能性流体换热与流动已经成为极具潜力和挑战性的课题,在化工、医药、传热与能源利用等系统中获得广泛应用。超临界CO_2流体作为一种天然替代性环保工质,在相关细微尺度下已证明具有良好的热力学性能。本研究采用了数值计算的方法对近临界CO_2流体在微通道内流动稳定性和换热特性进行了系列的探索。研究发现,在靠近临界点的相对较宽泛的区域内,流体具有强膨胀特性和低热扩散特性,从而在微尺度条件下产生局部旋涡流动,大大促进了微尺度的混合和对流换热效率。进一步,研究针对这种微尺度局部涡动进行了机理分析,获得了微通道内近临界流体瞬态换热和超临界热膨胀效应特性。     

微尺度型腔内液态金属流动规律模拟研究

修正了传统的Navier-Stoke方程,并利用修正后的方程与Fluent软件对微尺度型腔内Zn-Al合金微流动规律进行了数值模拟.模拟结果表明：液态金属在微尺度管道内的流动规律在管径为0.5mm时出现临界状态,管径越细,速度附面层相对厚度就越大.同时,微管流动存在着宏观流动中没有的“凸进效应”,且随着入口压力增大,流动前沿自由液面的凸进效应减弱.在流动前沿区域和上游区域之间出现负压力梯度区,且管径越细越明显. 关键词： 微管道 微流动 Zn-Al合金     

微通道内气体流动的DSMC方法

基于压力边界条件开展了微尺度低速流动DSMC方法的研究, 定义了两个无量纲参数作为微尺度DSMC方法下网格尺寸与时间步长的约束条件, 通过微尺度Poiseuille流进行了方法的验证与比较, 获得了网格尺寸与时间步长的一般原则。在此基础上, 对变截面的单孔和双孔模型的微通道气体流动进行DSMC模拟, 结果表明, 通道几何形状对微尺度气体流动具有显著影响, 孔口后由于通道收缩, 产生压降, 导致气流加速, 并在孔口下游拐角处发生分离; 双孔口模型的流动结构与单孔口模型相似, 且在相同压差情况下, 经双孔口后的气体流速低于经单孔口后的气体流速; 随着入口压力的增加, 经过孔口压缩后的速度越大, 分离区尺寸也越大。      

过渡区微尺度流动的有效黏性多松弛系数格子Boltzmann模拟

为提高采用二维九速离散速度模型的格子Boltzmann方法 (LBM)模拟微尺度流动中非线性现象的精度和效率,引入Dongari等提出的有效平均分子自由程对黏性进行修正(Dongari N,Zhang Y H,Reese J M2011 J.Fluids Eng.133 071101);并针对以往研究微尺度流动时采用边界处理格式含有离散误差的问题,采用多松弛系数格子Boltzmann方法结合二阶滑移边界条件,对微尺度Couette流动和周期性Poiseuille流动进行模拟,并将速度分布以及质量流量等模拟结果与直接模拟蒙特卡罗方法模拟数据、线性Boltzmann方程的数值解以及现有的LBM模型模拟结果进行对比.结果表明,相对于现有的LBM模型,引入新的修正函数所建立的有效黏性多松弛系数LBM模型有效提高了LBM模拟过渡区的微尺度流动中的非线性现象的能力.     

表面粗糙度的分形特征及其对微通道内层流流动的影响

基于分形几何学,研究了表面粗糙度的分形特征.采用Weierstrass- Mandelbrot函数对多尺度自仿射的表面粗糙度进行了描述;建立了微通道内层流流动的三维模型并对表面粗糙度的影响进行了数值模拟,分析了雷诺数、相对粗糙度和分形维数对流动阻力特性的影响.研究结果表明,与常规尺度通道不同,粗糙微通道的Poiseuille数不再是常数,而是随雷诺数近似线性增加;相对粗糙度越大,流动产生的回流和分离所导致的流动压降越明显.在相同的相对粗糙度下,粗糙表面的分形维数越大,表面轮廓变化就越频繁,这也将导致流动阻 关键词： 粗糙度 层流阻力系数 微通道 分形     

粗糙表面对微尺度流动影响的数值分析

本文利用表面规则突起来模拟粗糙元,通过对平板间微尺度层流流动的数值计算,研究了粗糙表面对微尺度层 流流动阻力的影响。对数值计算结果的分析表明,壁面处由于粗糙元存在可引起逆压梯度,从而导致层流流动阻力系数的 增加。     

粗糙表面形貌对微尺度流动换热的影响

基于分形几何定量描述了多尺度自仿射的粗糙表面形貌,建立了微通道内层流流动换热的理论模型并对表面形貌的影响进行了数值模拟.研究表明,自仿射分形维数直接反映了表面轮廓的不规则度,对于两个具有相同统计粗糙度的轮廓,可能存在不同的分形维数;与常规尺度通道不同,雷诺数、粗糙高度和粗糙表面分形维数都对微通道内层流流动换热有着重要影...     

微槽道气体流动的统计模拟

利用基于分子模型的统计模拟方法——信息保存方法(IP)统计模拟了实验条件下微槽道气体流动,仔细讨论了用IP方法模拟长槽道稀薄气流时遇到的问题,并给出了解决的方法,即采取守恒形式的控制方程避免质量流量计算误差积累,并利用超松弛方法使收敛过程加速.将IP计算结果与压力分布和质量流量实验数据进行了比较.     

The effect of surface roughness on rarefied gas flows by lattice Boltzmann method

This paper studies the roughness effect combining with effects of rarefaction and compressibility by a lattice Boltzmann model for rarefied gas flows at high Knudsen numbers. By discussing the effect of the tangential momentum accommodation coefficient on the rough boundary condition, the lattice Boltzmann simulations of nitrogen and helium flows are performed in a two-dimensional microchannel with rough boundaries. The surface roughness effects in the microchannel on the velocity field, the mass flow rate and the friction coefficient are studied and analysed. Numerical results for the two gases in micro scale show different characteristics from macroscopic flows and demonstrate the feasibility of the lattice Boltzmann model in rarefied gas dynamics.     

The 9th international symposium on fluid control, measurement and visualization (FLUCOME 2007)

This paper is the report on the Ninth International Symposium on Fluid Control, Measurement and Visualization. The symposium was scheduled on September 17–19, 2007 in Florida State University Center, Tallahassee Florida, U.S.A. Topics for FLUCOME 2007 included fluid processes across a wide range of scales in multiple disciplines: from micro-scale fluid flows in micro biomechanical devices, small-scale machine flows to large-scale civil and environmental fluid flows, and global scale geophysical and meteorological fluid flows.     

在课堂演示实验中引入光学异常透射现象

本文讨论了如何在大学物理单缝的夫琅禾费衍射课堂演示实验中引入当前光学领域研究前沿的一个重要物理现象-亚波长金属缝异常光学透射现象.基于数值模拟,比较了在夫琅禾费衍射实验条件下,纳米尺寸单缝的异常光学透射和微米尺度单缝衍射的特点,讨论并指出纳米单缝的异常透射特征是纳米尺度光与物质强相互作用的反映,而这种强相互作用在微米尺度单缝的夫琅禾费衍射中是不显著的.最后对用于课堂演示的衍射实验装置的设计进行了讨论.     

微通道内气体流动的三维效应

本文使用直接模拟Monte carlo法对三维直微通道内的气体流动进行了数值模拟,对比了不同截面形状的通道 不同驱动压差的情况,探讨了截面形状对微通道内气体流动三维效应的影响以及三维效应对流量-压差关系的影响。     

采用显微拉曼光谱技术检测激光微加工质量

本文简要介绍了准分子激光微加工的原理;分析比较了几种微检测技术的特点和用途;提出了采用显微拉曼光谱检测准分子激光微加工质量的新技术,并在有机玻璃和光刻胶制成的齿轮上分别进行了探索。研究结果表明:显微拉曼散射技术确实可以成为一种新的检测微加工质量的有效手段。     

Numerical simulations of gas-liquid two-phase flows in a micro porous structure

The lattice Boltzmann method for two-phase fluid flows is applied to the simulations of gas-liquid two-phase flows in a micro porous structure for various capillary numbers at low Reynolds numbers. The behaviors of the gas-liquid interface and the velocities of the two-phase fluid in the structure are simulated, and the permeability of gas and liquid through the structure are estimated from the calculated results. By changing the void fraction, the contact angle of the interface on walls, and the surface tension, the effect of these properties on the behaviors and the permeability of the two-phase flows in the micro porous structure is investigated. It is found that the permeability of liquid flows depends on the contact angle and it increases for hydrophobic walls. It is also seen that liquid flows are choked in pores for large void fractions and low capillary numbers.     

微纳米加工技术及其应用综述

材料与结构在微纳米尺度展现了许多不同于宏观尺度的新特征，纳米技术已经成为当前科学研究与工业开发的热门领域之一。微小型化依赖于微纳米尺度的功能结构与器件，实现功能结构微纳米化的基础是先进的微纳米加上技术，文章对微纳米加上技术做了一个综合的介绍，简要说明了微纳米加工技术与传统加工技术的区别，在微纳米加工技术的应用方面提出了一些合理选择加工技术的原则，并对当前微纳米加工技术面临的挑战和今后发展的趋势作了预测。     

A Lattice Boltzmann Kinetic Model for Microflow and Heat Transfer

In this paper, we propose a lattice Boltzmann BGK model for simulation of micro flows with heat transfer based on kinetic theory and the thermal lattice Boltzmann method (He et al., J. Comp. Phys. 146:282, 1998). The relaxation times are redefined in terms of the Knudsen number and a diffuse scattering boundary condition (DSBC) is adopted to consider the velocity slip and temperature jump at wall boundaries. To check validity and potential of the present model in modelling the micro flows, two two-dimensional micro flows including thermal Couette flow and thermal developing channel flow are simulated and numerical results obtained compare well with previous studies of the direct simulation Monte Carlo (DSMC), molecular dynamics (MD) approaches and the Maxwell theoretical analysis     

Micro-Gas Flow Induced Stochastic Resonance of a Nonlinear Nanomechanical Resonator

Fluidics is one of the most historic subjects that are well-established over centuries on the macroscopic scale.In recent years,fluid detection using a number of micro/nano scale devices has been achieved.However,the interaction of microfluid and solid devices on micro/nano-meter scale still lacks in-depth research.We demonstrate a practical nanomechanical detector for microfluidics via a string resonator with high Q-factor,suspended over a hole.This device is placed under a jet nozzle with several microns of diameter,and the interaction between the micro-gas flow and the resonator is observed by monitoring the variation of the fundamental frequency and the quality factor.Moreover,we manage to measure the fluctuations of the micro-gas flow on the nanomechanical resonator by means of stochastic resonance.This work manifests a potential platform for detecting dynamical fluid behaviors at microscopic scale for novel fluid physics.