《高速旋轉對微尺度通道流動和換熱影響的機理研究》是依託北京航空航天大學，由李海旺擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：高速旋轉對微尺度通道流動和換熱影響的機理研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：李海旺
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目主要是藉助MEMS加工工藝，利用實驗和數值計算相結合的方法，系統研究高速旋轉狀態下(轉速大於500轉/分鐘，旋轉半徑大於1米) 微尺度通道內流動和換熱特性，進而得到旋轉狀態下微尺度通道的強化換熱機理。本項目主要包含以下幾個方面：首先是藉助MEMS加工工藝加工通道尺寸在10-100微米之間的微通道，通過實驗方法研究在旋轉狀態下微尺度通道的流動和換熱特性，通過對比靜止狀態下的數據，探究旋轉速度、旋轉方向、表面粗糙度、邊界滑移條件、通道尺寸、發展段長度等對微通道內流動和換熱特性的影響。其次，結合數值計算方法，在細緻模擬流-固界面處流體溫度場和速度場相互耦合作用的基礎上，增加旋轉浮升力、哥氏力等影響因素以及可能存在的邊界滑移、溫度跳躍等因素，建立能夠準確預測旋轉狀態下微尺度通道換熱特性的理論模型。最終藉助該模型和實驗，深入研究旋轉狀態下各因素對微尺度通道流動和換熱的影響，最終得出旋轉狀態下的微尺度通道強化換熱的機理。
結題摘要
微尺度通道的通道由於截面積小，可以在減少冷氣流量的同時增大換熱面積。微尺度通道在理論上相比於常規尺度通道對航空發動機渦輪高溫部件有更好的冷卻效果，被公認為具有套用前景的冷卻技術而受到研究者的關注。本申請主要是藉助MEMS加工工藝，利用實驗和數值計算相結合的方法，系統研究高速旋轉狀態下微尺度通道內流動和換熱特性，進而得到旋轉狀態下微尺度通道的強化換熱機理。本申請主要包含以下幾個方面：首先是藉助MEMS加工工藝加工通道尺寸在10-100微米之間的微通道，通過實驗方法研究在旋轉狀態下微尺度通道的流動和換熱特性，通過對比靜止狀態下的數據，探究旋轉速度、表面粗糙度、通道尺寸、發展段長度等對微通道內流動和換熱特性的影響。深入研究旋轉狀態下各因素對微尺度通道流動和換熱的影響，最終得出旋轉狀態下的微尺度通道強化換熱的機理。 研究發現：1、流動方面：旋轉狀態下，摩擦因子f隨Re數的增大而減小。在低Re數下，當通道的轉速為0-500rpm時，其內部的流動會表現出受旋轉效應和哥氏力的影響，導致進口壓力會隨轉速的增大而增大；而隨著Re數增大，旋轉效應減弱，實驗通道的壓降隨轉速的變化不再明顯。 2、換熱方面：旋轉狀態下，實驗綜合Nu數隨Re數的增大而增大。在低Re數下，通道內換熱受哥氏力的影響較明顯，通道內的換熱效率不均衡，而出現整體換熱效率減弱的情況，而隨著Re數增大，Ro減小，通道內受到的哥氏力影響不再明顯，實驗綜合Nu數受轉速的影響也不再明顯。 3、微尺度通道中摩擦因子高於傳統理論值，隨通道長度增加而減小，隨著粗糙度的增加而增加。 4、微尺度通道中Nu數隨通道長度增加而減小，隨著粗糙度的增加而增加，隨Re數增大而增大。 5、微尺度通道中通道越短，換熱性能越好。當微通道長徑比不小於100時，進口段的影響可以忽略。 本項目的成果對微尺度通道強化換熱機理的揭示提供了依據，為進一步探索和工程套用提供了支撐。
