小通道单相流体突扩和突缩局部阻力特性

　　引　言

　　近年来,由于微细通道在微电子机械系统、微型换热器、化学工业及其他新兴的技术领域的广泛应用,微细通道内流动及传热特性已成为当前一个重要的研究课题。在涉及微通道的系统中,直管段内的流动特性已经进行了大量的研究[125],但是除摩擦引起的主要阻力外,还存在各种各样的局部阻力,比如:弯曲管段、管道分流、管道扩大及缩小等。在某些情况下,这些阻力可以被忽略不计,但是在许多情况下,这些局部阻力能够引起很大的压降,是不能被忽略的。因此正确地评价各种流动元件的局部阻力极其重要。对于大多数流动元件来说,不易从理论上分析其流场和阻力系数,因此用于预测局部阻力损失的关系式通常是基于对流动元件进行大量的实验研究后,对实验结果进行量纲1化而得出的[6]。由于目前微尺度下局部阻力的实验研究[728]还很少,还不清楚宏观尺度下的实验结果能否应用于微尺度下的流动。本次实验研究采用缝隙测压的方式研究了去离子水流过通道内径从0·330 mm变化到0·580 mm的突然扩大和突然缩小区域的局部阻力特性。图1是通道内径为0·330 mm的小钢管在200倍读数显微镜下的通道截面图。

　　1　实验设备及研究方法

　　1·1　实验装置

　　采用去离子水进行实验,如图2所示。回路采用最高吐出压力为8 MPa的计量泵作为压力源,计量泵自带液晶显示装置,可以显示流量。为了过滤工质中的颗粒杂质,在试验件前安装了过滤器(最小滤膜孔径为10μm)。本次实验研究采用在试验段上直接取压的方式,压差测量采用3个1151DP差压变送器(量程分别为0~6 kPa、0~30 kPa、0~150 kPa,精度为0·5%FS)和一个Rosemount 3051C差压变送器(量程为0~248kPa,精度为0·1%FS),压降测量数据由数据采集仪采集。沿试验件的温度变化通过红外成像仪测试。实验系统管路采用内径为5 mm的内壁抛光的不锈钢管连接。实验流程为:水槽中的水经计量泵送入实验系统,经过滤器过滤后进入试验段,从试验段出来的水收集在一个容器中,一定时间后经过电子天平称重后排掉。

　　本次实验的测量参数为:圆形较小通道内径(330±6·7)μm,圆形较大通道内径(580±6·7μm,通道面积比0·32,缝隙宽度67μm,水的流速范围2·0~16·1 m·s-1, 733

　　1·2　试验件

　　在直通道的摩擦阻力特性的研究中,由于测量的困难,多数研究者的摩擦阻力数据都是建立在整个微细通道前后压力和压差测量基础上的,即压力测量装置都设置在截面相对较大的通道的进口或出口,这样就不可避免地引入了入口段较大的压降和进出口局部阻力,造成实验结果的偏差。因此,鉴于目前大多数微细通道流动特性研究中取压方式存在的问题,本文采用缝隙测压的方式直接在通道上测压,避免了入口段较大的压降。