微型管内摩擦特性的实验研究

　　近年来,微机械系统的应用越来越广泛.为了能准确设计微机械装置,必须深入了解微型几何尺寸内部的流动与换热的规律.然而在国内外发表的论文中发现,微型几何尺寸内部的流动与换热规律与常规尺寸下并不一致,有的甚至大相径庭.文献[1,2]研究发现,去离子水流过水力直径分别为44μm、57μm金属槽时的摩擦系数,当Re在0.001~120之间时,其f Re值比Stokes流的理论解大10%~20%.文献[3,4]也研究了去离子水流经硅槽时的摩擦系数,发现其fRe的值完全符合Stokes流的理论解.文献[5]对微细不锈钢管及硅管内水流动的阻力进行研究显示,微细管内的fRe要小于64.在Re>650时,f Re的值偏离常规尺度管道的数值;而当Re>1 500时,f Re的值则与常规尺度管内完全湍流区Blasius解的外推值基本一致.本文认为,这种情况可能是由转捩提前造成的,也可能是由于粗糙度黏度(近似于湍流模型中的涡黏度概念)的影响.文献[6]采用R114作为工质,对内径为0.130 mm的微管进行的实验研究表明,当Re<585时,f能与Hagen-Poiseuille解很好地吻合.对于更高的Re时,其f将明显偏离Hagen-Poiseuille的解.文献[7]使用空气、水及制冷剂R 134a对内径为0.173~4.01 mm的10种不同管径的微管进行实验表明,对于水和R-134a无论在层流区还是紊流区,其f与Blasius解和Poisuille解一致.当层流向紊流转变时,Re发生在1 200~3 800之间,并且微管直径越小,其转捩点越提前.文献[8]以蒸馏水作为实验工质,分别对内径为79.9~166.3μm的玻璃管、100.25~205.3μm的硅管以及128.76~179.8μm的不锈钢管做实验认为,对于光滑的玻璃管和硅管,当微管内的流动进入充分发展流时,f与Re的乘积仍为64,与常规尺度经典的层流理论解相一致;对于相对粗糙度为3%~4%的不锈钢管,其f Re值比64高出15%~37%,这明显不同于常规尺度,相对粗糙度小于5%时,其粗糙度对摩擦阻力没有影响.本文分别采用极性液体和非极性液体为工质,使用高精度压力传感器测量微管内部流动时的f,获得f和Re的关系,并与经典的理论解相对比,得到微尺度下与常规尺度下流动的不同之处,并解释导致微管内流动变化的原因,进而获得微尺度下流动特征,为今后研究微尺度下的流动机理打下了良好的基础.

　　1　实验台装置和误差分析

　　1.1　实验装置

　　实验台采用12 MPa的高压氮气作为压力源(见图1).气瓶装有氧气减压阀,能粗略地调节实验所需要的压力,实验台中精细调压阀能准确调节实验所需要的压力(精确到100 Pa).储气罐能使氮气的流动更加平稳,为了过滤氮气中的颗粒杂质,在气瓶与储气罐之间安装了3层过滤器,其最小滤膜孔径为5μm;储液罐内装实验用的液体,在储液罐与实验段之间装有滤膜为20μm的过滤器;实验段两端装有压力与温度传感器.当实验压力小于0.1 MPa时,采用量程为0~0.1 MPa,精度为0.1%的压力传感器;实验压力在大于0.1 MPa时,采用量程为0~1.6 MPa,精度为0.1%的压力传感器.温度测量采用精度为0.1℃的K型热电偶.所有压力与温度参数直接在仪表上读出,气瓶、过滤器、储液罐等部件之间用耐高压的聚氨酯软管连接,接头采用硬密封.