压力边界条件下微通道内气体流动换热特性研究

　　6压力边界条件下微通道内气体流动换热特性研究贺群武王秋旺罗来勤陶文铨西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西西安出了壁面与流体的温差对气体沿程压力温度及数密度分布的影响。计算结果明，当壁温高于流体温度时，温差仅出现在通道进出口处，但其发生机理却不同；流体可压缩性与稀薄性均得到，强，沿程压力分布更加非线性。

　　近几年来，微电子机械系统13已经成为个快速发展的新兴研究领域1.由于，中特征尺寸远远低于常规问，此时，流体已不满足连续介质的假设，NaVierSt0kes方程就已不再适用，而应从分子层次上研究分子本身的运动来统计出其宏观特性。丑42等人在2，世纪年代提出了，虹方法，实践证明，该方法对于研究稀薄气体，3方法应用于微通道流动传热计算时，边界条件的数值处理十分重要，因为在这些系统中，通道特征流速常常远小于声速，而且进出口的压力比速度更容易获得，因此，经典，3，方法中所用到的给定流速或者真空边界条件在微通道下不再适基金项目国家自然科学基金资助项05，376，5，国家重点基础研究发展规划资助项0，2263，3合3.迄今为止，公开的文献36大多研究的是绝热流动，较少考虑温度的影响，文献5虽然考虑了温差，但是也仅粗略给出了有温差同时，数和进出口压比也不同时的温度分布和换热，至于各个影响因素之间的关系没有详细说明；文献6虽然详细讨论了壁面与流体温差对流动换热的影响，但是其分析是基于给定进出口流速的边界条件，而且其进口处特征流速约为15，18，这在微系统中不太合适。

　　03厘0方法进行流动换热的研究，旨在揭壁面与流体的温差对微通道气体流动与换热的影响。

　　2进出口压力边界条件分子与上下壁面的碰撞采用漫反射模型，温度为完全热适应。计算，时，特征尺寸为通道高度。

　　3.2计算结果与讨论300，此时对应夂71为0.8.计算结果明，沿程压力与解吻合得非常好，大误差仅1.5知71.

　　子数密度分布。由可，在入口2处流体温度迅速升高，很快就达到壁面温度，这是由于该计算工况71=0.8，流动处于过渡区，此时气体分子与固体壁面之间的碰撞频率与气体分子之间的碰撞频率大体相当，当气体进口温度与壁温存在温差时，气体分子进入通道后与壁面碰撞，温度迅速升，宏观上现为气体温度在很短的距离内便十分接近壁面温度。在通道中间，流体温度与壁面温度非常接近。出口段大3，此时数密度梯度沿2的变化相对较小，由尸=以了可知出口处温度必然会有所降低4.另外，由2可，由于入口处环境的分子数密度为恒定值，因此种壁温下靠近入口边界的数密度差别相对较小。壁温1= 300尺时，分子数密度沿主流逐步降低，而，=350和5，0尺时，在1=00.1处分子数密度迅速下降，然后才沿通道逐渐降低。整个通道范围内，1= 300时的数密度大，=350尺时次之，1=5，0尺时小，根据关系式久171可知，温差，加了气体设入口压力为巧，入口温度为出口压力为兄，并假设巧巧，气体在进出口压差驱动下在微通道内流动。根据分子动力学原理，设气体分子满足，6丑0仙分布，则对于给定的平均流速和温度，单位时间内通过边界上单位面积的分子数按下式计算可得21其中这里，是平均流速，0是速度方向与边界面法线方向的夹角，几是分子数密度，771是分子质量，6是误差函数，是通过单位面积进入的分子数目。

　　考虑入口边界方向上第爪个网格，将式1分别运用在正负尤两个方向上，由质量守恒原则，有这艮+和分别由式⑴计算而得其特征速度分别为后更新的入口速度㈨饥和抽样得到的计算区域与边界相邻的第个网格宏观速度，其关系1.在计算过程中，叫，和叫，1不断更新，后均近似为常数。出口速度，1的计算过程与入口；7，类似。出口温度乃取与出口边界相邻的网格抽样温度，出口数密度则可以根据理想气体状态方程得到。

　　3物理问及计算结果3.1物理问描述，616流动。通道长度1=9.63107度h=0.64xl07m，其长比Lh=15，进出口压比定义为巧尸壁面温度为入口流体温度为7，出口压力均为个标准大气压。计算工质为氮气，计算中，时间步长均取为103；分子之间的边界条件的处理方法，计算研究了壁面温度与流体入口温度不同时，维，心16微通道内气体压力温度和分子数密度分布规律。计算结果发现当壁面温度高于流体入口温度时，气体与壁面在通道进出口处均存在温差，但其发生机理不同；气体进入通道后压力迅速上升到达峰值，然后再沿程降低，沿程压力偏离线性分布大值位于入口=，5处；气体可压缩性与稀薄性均得到，强，但压力沿程分布非线性程度，加。

　　体存在温差即，分别为35，5，时，气体压力在，5内迅速上升，然后再沿流动方向逐渐降低，此时压力的降低仍然是非线性。3作为沿程无量纲压力分布，其定义为尸巧小式中巧忽略气体可压缩性时，气体沿程压力呈线性分布。文献间指出，气体可压缩性越强，其压力尸与线性压力巧，偏离越远凡小尺越大而稀薄性则相反即气体越稀薄，其压力户与线性压力丹越接近，而且般两种因素都同时作用于气体。如前所述，但温度越高，气体越稀薄，这将使得乃1尺减小间。而由可，在同无量纲位置1下，PPlirear尺随着壁面温度的，加而显著，加也就是说，壁温越高，气体可压缩性越强。综上所述，壁刘静。微米纳米尺度传热学。北京科学出版社，2001.

　　贺群武，王秋旺，陶文铨。压力边界下微通道内气体流动换热特性研究。中国工程热物理学会传热传质学学术会议论文集。北京，2003.643646温的升高导致了气体稀薄性和可压缩性同时，强，而两者对沿程压力偏离线性压力的方向作用相反，由3可知，此时可压缩性的，加明显高于气体稀薄性的增加。另外，由可，当气体绝热流动即=300尺时，沿程压力与线性压力偏离大处位于通道中间=5处，而当壁面与流体主流温度存在温差时，大偏离位于入口27=，5.整个通道范围内，温度越，压力户与线性压力凡偏离越远。

　　4结论