梯形截面微管道内流场的PIV测量

　　0　引　言

　　近年来随着大规模和超大规模集成电路的迅猛发展,微电子机械系统(MEMS)的研究得到了更广泛的应用。作为MEMS的一个重要分支,微流体控制系统以其功能的高度集成性和巨大的潜在应用备受瞩目。微管道是微流动系统中最简单、应用最广泛的微尺度元件,研究微管道内的流动特性对微系统的优化设计至关重要。

　　Micro-PIV是测量微尺度元件内部流场结构的重要手段。近10年来很多研究者对各种形状的微管道内的流动特性和传热特性进行了大量研究,其中一些结果与宏观理论所预测的结果有所不同。早期的研究中,Meinhart[1]等利用micro-PIV测量了深度为30μm宽度为300μm的矩形界面微管道内的液体流场分布,测量的最大速度为10μm/s,其空间分辨率达到了6.9μm×6.9μm×0.5μm;Tretheway[2]利用micro-PIV分别测量了亲水性和疏水性两种不同管壁附近的流动情况,实验的空间分辨率为13.8μm×0.9μm×1·8μm,使用的荧光粒子直径300nm。在微尺度流动转捩研究方面,Sharp[3]利用micro-PIV研究了直径范围在100~247μm之间的光滑圆形截面微管道内的流场,测量得到了轴向速度与平均速度的比值和轴向速度的湍流度,与流量-阻力的实验结果比较发现发生流动转捩的临界雷诺数为1800~2000,但作者只测量了轴心位置的流动速度,而没有给出速度剖面的测量结果和微管道入口段的速度分布。流动从层流向湍流转变的临界雷诺数与微管道的截面形状、进口形状和表面粗糙度等因素有关,但在大多数情况下都在1000~3000之间。也有一些研究者如Hsieh[4]和Wang[5]等发现雷诺数在几百时流动就开始发生转捩,但是发现转捩提前的结论都是通过测量微管道内流体的整体压降得到的,缺乏微管道内部速度的测量结果得以验证。而且目前大部分micro-PIV实验都只限于低雷诺数下的层流状态,缺少微管道内高速流动以及层流到湍流转捩的流场测量结果,从已经公开的文献中还没有发现梯形截面微管道内的流场测量结果。

　　利用micro-PIV测量了去离子水在梯形截面微管道(水力直径为237μm,长度为31mm)的流场结构,通过不同雷诺数下沿流向不同位置的流速分布可以确定微管道内流动从层流到湍流转捩的临界雷诺数,同时对微管道内的流场进行了数值模拟,并将数值模拟结果和实验结果相比较。

　　1　实验装置

　　1.1　微管道

　　实验用的微管道是在硅片上利用KOH腐蚀而成。所用材料为一片350μm厚的双抛硅片和一片耐热玻璃,具体的外观尺寸和截面形状参考图1和表1,其中

　　1.2　Micro-PIV系统

　　工作的micro-PIV系统由双Yag激光器、同步器、荧光显微镜、CCD相机和数据采集系统组成。其中双Yag激光器的发射波长为532nm,最大功率为200mJ/pulse。两束激光的最小时间间隔为0.3μs。反射式荧光显微镜(OlympusBX51)物镜的放大倍数为20倍(NA=0.5),景深为5μm。CCD(Kodak ES4.0 8bit)分辨率1024像素×1024像素。示踪粒子为直径1μm的聚苯乙烯荧光粒子(Duke Scientific),比重1.055,在532nm绿光的激发下发射610nm的红光。系统组成及光路如图2所示。