微尺度流動，微型裝置和微尺度的問題中流體的流動。
基本介紹
- 中文名：微尺度流動
- 所屬學科：流體
近代商業性套用和科學探索的發展愈來愈多地需要利用微尺寸的機械裝置或器件，如與人的頭髮絲粗細相當的微小馬達、微型泵、微米尺寸的小加速儀、微型動作觸發器等。新的生物測定系統中，對藥物輸送進行圖形監測的技術是由微流體網路組成的。這些微型裝置或技術一般稱為微–電–機械系統裝置(MEMS)。這些微型裝置中的流動行為特性與通常生活中所熟悉的十分不同。氣體或液體的流動包含有複雜的動力學過程以及許多還不熟知的物理機制。流體本身的容積很小，但與微系統表面所接觸的流體表面積很大。這些微系統中流體的慣性力很小而表面影響起著主要控制作用。微系統中，液體的流動是顆粒性的，氣體是稀疏性的，在壁面上是可滑移的，此外還有諸如分子的熱流逸、電動現象、黏性加熱及異常擴散甚至還有量子及化學效應等。這些現象變得十分重要。壁面材料在動力學過程中也會起到作用。一般流體力學在微尺度和大尺度間的主要差別有四個方面，即非連續性影響、表面影響、低雷諾數影響及多尺度和多重物理機制影響。對於氣體微流動問題必須考慮稀疏性、壓縮性、黏性加熱、熱流逸等影響；對於液體則滑移現象、濕潤、吸附作用及電動現象是主要應考慮的。從數值模擬來講，上述有些影響可在標準的計算流體力學方法上作簡單的修正給出，但有些必須用其他大尺度問題以外的模擬方法。微尺度流動的一個早期典型實例是出現在計算機微米和納米部件設計中。一個典型硬碟驅動器中讀寫頭懸浮在高速旋轉底盤上，間隙約50微米。典型運轉工況下其間的流動雷諾數小於0.6，馬赫數小於0.3。而相應的努森數表示氣體分子平均自由程與微流動特徵尺寸之比，顯得很大。計算機的更新將會進一步縮小這個間隙，而獲得更高的記錄功能。近代新的MEMS器件中，如不同類型的微型馬達或驅動器裝置中基座和轉子間的間隙，或靜動梳臂間的間隙可達3微米，甚至更小為1微米。這些極薄的層中是重要的氣體微流動。在MEMS套用日益增多的推動下，20世紀80年代初期開展了許多微尺度流動的實驗研究。
