本文選題：微通道 + 多孔介質(zhì)�。� 參考：《華中科技大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：隨著現(xiàn)代科技和微電子器件以及微加工技術(shù)的發(fā)展,流體通過微通道時的輸運特性在科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注,如材料科學(xué)與工程、油氣藏工程、生物醫(yī)學(xué)工程、生物傳輸現(xiàn)象、燃料電池、環(huán)境與工程等。在自然界中,光滑的表面是幾乎不存在的,或者說非常罕見的。通過顯微鏡觀測,大部分表面(如工程表面)都是粗糙的。而現(xiàn)實中毛細管、孔的表面或者微通道都是粗糙的。因此選用合適的理論和方法來描述和研究多孔介質(zhì)中毛細管的粗糙壁面或者粗糙微通道的壁面的輪廓是一項既有科學(xué)意義,又有實際應(yīng)用價值的研究。已有調(diào)查證實多孔介質(zhì)具有自相似的分形特性。因此,運用分形幾何理論來描述和研究多孔介質(zhì)及其固體壁面的微結(jié)構(gòu)特征及其對流動特性的影響已經(jīng)成為凝聚態(tài)物理、復(fù)雜性科學(xué)、地球物理學(xué)以及工程熱物理等交叉學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點之一。 目前,流體通過表面粗糙的微通道時流動特性的探討和研究,大部分均采用數(shù)值方法或?qū)嶒灧椒ǖ�。但是這些方法都不能得到流體流動特性,如速度分布、壓降等的解析表達式,或者表達式中包含有經(jīng)驗常數(shù)等。而本文采用分形幾何理論和方法來描述粗糙微通道的表面結(jié)構(gòu)特性,得到的速度分布、壓降等不含有任何經(jīng)驗常數(shù)的解析表達式。 本文第一部分介紹了粗糙表面的分形理論,而后引入了光滑類分形樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)模型和光滑的毛細管束模型,對流體通過多孔介質(zhì)的滲透率作出簡要概述,最后介紹了流體流動的連續(xù)介質(zhì)模型和哈根泊肅葉定律的推導(dǎo)。 針對目前流體通過粗糙微通道中流動特征沒有解析表達式的研究現(xiàn)狀,結(jié)合流體通過微通道中數(shù)值模擬和實驗研究的現(xiàn)有結(jié)果,以及工程表面粗糙元或者接觸點滿足分形標度律的關(guān)系,在本文第二章中,我們將壁面粗糙元簡化為圓錐體,運用分形幾何理論來表征粗糙元高度(或者底面直徑)的分布規(guī)律,并探討了流體通過表面粗糙的微通道中的一些流動特性。給出了微通道中相對粗糙度與表面結(jié)構(gòu)參數(shù)之問的關(guān)系式,然后推導(dǎo)了流體通過該微通道時的速度分布、流動阻力、摩擦因子以及泊肅葉數(shù)與壁面粗糙度的函數(shù)關(guān)系表達式。本文得到的表達式?jīng)]有任何經(jīng)驗常數(shù),且每個參數(shù)都有具體的物理含義。 因為多孔介質(zhì)的孔隙通常會相互連接,形成彎彎曲曲的毛細管或者出現(xiàn)互相連接或互相作用而形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu),對此,本文第三章建立了粗糙的毛細管束模型和粗糙的類分形樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)模型,研究了流體流過粗糙毛細管和樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)時的流動阻力和滲透率的變化規(guī)律,而且得到了相對粗糙度與壓降、滲透率的分形模型,探討了相對粗糙度對流體通過粗糙微通道時流動特性如阻力、滲透率等的影響。 流體流經(jīng)粗糙的固體壁面時,對其傳熱系數(shù)的研究均是基于數(shù)值模擬或者實驗,沒有解析解的報道。因此,本文第四章以第二章所提出的粗糙表面模型為基礎(chǔ),探討了當(dāng)流體在粗糙表面發(fā)生對流換熱時,對流換熱系數(shù)、對流換熱所傳遞的總熱量以及無量綱的等效熱導(dǎo)率與粗糙表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)和相對粗糙度之間的關(guān)系,并討論和分析了相對粗糙度對對流換熱系數(shù)、等效熱導(dǎo)率等的影響。 本文第五章介紹了論文的創(chuàng)新點,對粗糙多孔介質(zhì)中的流體流動特性的研究工作作了展望。
[Abstract]:With the development of modern science and technology, microelectronic devices and micromachining technology, the transport characteristics of fluid through microchannels have attracted more and more attention in the field of science and technology applications, such as materials science and engineering, oil and gas engineering, biomedical engineering, biological transmission, fuel cells, environment and engineering, etc. in nature, smooth The surface is almost nonexistent, or very rare. By microscopic observation, most surfaces, such as the surface of the engineering surface, are rough. In reality, the capillary, the surface of the hole or the microchannel are rough. Therefore, a suitable theory and method is used to describe and study the rough wall or rough microsurface of the capillary in the porous medium. The contour of the wall of the channel is a scientific and practical study. It has been investigated and confirmed that the porous media has a self similar fractal characteristic. Therefore, the fractal geometry theory is used to describe and study the microstructural characteristics of porous media and its solid wall and its influence on the flow characteristics. Science, complexity science, geophysics and engineering thermophysics.
At present, the flow characteristics of the fluid through the surface of the rough micro channel are discussed and studied, most of which use numerical methods or experimental methods. But these methods can not obtain the fluid flow characteristics, such as velocity distribution, pressure drop and so on, or the expression contains empirical constants. The method is used to describe the surface structure characteristics of rough microchannels, and the velocity distribution and pressure drop do not contain any analytical expressions of empirical constants.
In the first part of this paper, the fractal theory of rough surface is introduced, then the smooth fractal tree bifurcation network model and the smooth capillary bundle model are introduced. The permeability of the fluid through the porous media is briefly summarized. Finally, the continuous medium model of fluid flow and the derivation of the law of Hagen poissu are introduced.
In view of the current research status of the flow characteristics in the rough microchannel, combined with the existing results of the fluid through the numerical simulation and experimental study in the microchannel, and the relationship between the surface roughness element or the contact point to meet the fractal scale law, in the second chapter, we simplify the wall rough element to conic. The fractal geometry theory is used to characterize the distribution of the height (or the bottom diameter) of the rough element, and the flow characteristics in the rough micro channel of the surface are discussed. The relation between the relative roughness in the microchannel and the parameters of the surface structure is given. Then the velocity distribution of the fluid through the microchannel is derived and the flow is derived. The dynamic resistance, the friction factor and the function expression of the function of the Poisson's number and the wall roughness. The expressions obtained in this paper have no empirical constants, and each parameter has a specific physical meaning.
Because the pores in porous media are usually connected to each other, forming a curved capillary or connecting or interacting with each other to form a network structure. In this third chapter, a rough capillary bundle model and a rough fractal dendrimer network model are established in this paper, and the fluid flows through rough capillary and tree like bifurcation. The flow resistance and permeability change law of the network, and the fractal model of relative roughness and pressure drop and permeability is obtained, and the influence of relative roughness on the flow characteristics, such as resistance and permeability, when the fluid passes through the rough microchannel is discussed.
When the fluid flows through the rough surface of the solid wall, the study of the heat transfer coefficient is based on the numerical simulation or experiment, and there is no analytical solution. Therefore, the fourth chapter, based on the rough surface model proposed in the second chapter, discusses the convection heat transfer coefficient and the convection heat transfer when the fluid has convective heat transfer on the rough surface. The relationship between the total heat and the dimensionless equivalent thermal conductivity and the structural parameters of the rough surface and the relative roughness are discussed and the influence of the relative roughness on the convective heat transfer coefficient and the equivalent thermal conductivity is discussed and analyzed.
In the fifth chapter, the innovation of the paper is introduced, and the research work on the fluid flow characteristics in rough porous media is prospected.

【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK124

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本文編號：1794436