矩形微通道中压力驱动流体的热传导数值模拟.pdfVIP

第 11卷 第 26期 2011年 9月 科 学 技 术 与 工 程 Vo1．11 No．26 Sep．2011 1671— 1815(2011)26—6271—05 ScienceTechnologyandEngineering ⑥ 2011 Sci．Tech．Engrg． 一 般工程技术 矩形微通道中压力驱动流体的 热传导数值模拟 魏淑惠 罗 红 赵艳红 陈海波 (东北石油大学，大庆 163318) 摘 要 利用基于控制体积法的SIMPLEC算法对微通道中的压力驱动流体 的热传导问题进行 了数值模拟。首先通过Pois— son—Bohzmann方程求解微通道中的电荷密度，然后通过包含 了外加电场力的Navier—Stokes方程对电黏现象进行深入的研究。 上述的方程通过与温度相关的介 电常数，黏性系数以及热导率和能量方进行程耦合求解，进而研究了微管道的特征尺度和宽 高比对Nusseh数(Nu)以及Poiseuille数( )的影响。研究发现，电黏效应和流体的热物理属性对于微管道中的 数和Nu 数有着非常显著的影响，尤其是热物理属性更为重要。 关键词 微通道 电黏效应 Nu数 Po数 中图法分类号 TB126； 文献标志码 A 本世纪，微流体器件在分析化学和生物分析领 的流体会产生整体的流动，它同时会带动双电层的 域得到非常广泛的应用，并且微分析系统成为进行 稀疏层 中的离子流 向下游，这就产生了流动 电流 这方面基础研究的一个非常重要的工具。很多关 (streamingcurrent)。由于微流体器件 的下游一般 于微通道中的强制对流实验研究表明，当微管道 的 是一个液槽 ，从而那些被流体运动带来的离子在液 水利直径小于 1mm时，传统理论不能很好的描述 槽中积聚，进而形成一种数量上的优势时，微管道 其中的压降和对流热传导系数 J。Wang等 认为 中就形成一种 电压差，这就是所谓的流势 (streaming 这种差异是 由于微管道 中流体的与温度相关的一 potentia1)。这种电压差的存在会对 EDL中的稀疏 些物理参数在高热流量的情况下发生了较大的变 层中的同性离子产生一种与整体流动方 向相反的 化；Morinil3认为由于黏性弥散引起的加热对流体 作用力，从而使得一些离子产生反向的流动，这是 的粘性系数有一定的影响，从而导致微管道中的P0 就相当于存在传导电流 (conductioncurrent)。从理 数与宏观状况的有些差别；还有一种解释就是微管 论上可以分析，EDL的稀疏层中存在两种电流 (con． 道中的一些表面效应，比如双 电层 ，表面张力等会 ductioncurrent和 streamingcurrent)，当两种 电流相 对微管道中的流动和热传导产生一定的影响。 互抵消时，就认为稀疏层 中的流动处于一种动态平 衡的状态，从而可以推导出下游的高电压的具体数 微管道壁面与一些极性溶液接触时，在溶液和 值。从上面的分析可 以得知：在压力驱动的微管道 固壁的交界面上会形成双 电层 (EDL)，它包含稀疏 中，由于液体的整体流动会在下游产生一个高 电 层和致密层，并且它的存在会对流体的流动产生一 压，而这种高电压会通过对 EDL的稀疏层的离子产 定的影响 。当沿着微管道存在压力差时，管道 中 生作用，从而使得这些离子产生与整体流动相反的 2011年 5月 11日