【摘要】：隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展,機(jī)械設(shè)備逐漸向著小型化、智能化的方向發(fā)展,微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)應(yīng)運(yùn)而生,近年來(lái)在航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車工程、光電等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用,具有美好的應(yīng)用前景。在家用空調(diào)領(lǐng)域,小管徑換熱器由于其相對(duì)較低的制造成本和較高的緊湊性,引起大量的關(guān)注。但是當(dāng)管徑逐漸減小時(shí),一些在宏觀尺度下可忽略的微尺度效應(yīng)需要被考慮。格子Boltzmann方法作為一種介觀數(shù)值模擬方法,具有邊界條件處理簡(jiǎn)單,程序易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)勢(shì),在氣體微流動(dòng)與換熱領(lǐng)域逐漸得到廣泛應(yīng)用。本文首先基于小管徑換熱器,采用雙分布函數(shù)熱模型,研究外掠單管和管束的流動(dòng)與換熱現(xiàn)象。對(duì)于單管的模擬,隨著Re數(shù)的增加,流體繞流圓管從穩(wěn)態(tài)流動(dòng)到逐漸發(fā)生脫體到最后出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的流動(dòng),產(chǎn)生卡門渦街,并且隨著Re數(shù)的增加,換熱逐漸增強(qiáng)。對(duì)于順排管束與叉排管束,研究了管間距為1.5D,2D和2.5D的情況,在Re=40時(shí),隨著管間距的增加,平均Nu數(shù)呈現(xiàn)上升的趨勢(shì),并且管間距為2D和2.5D時(shí)換熱趨勢(shì)大致相同,Nu數(shù)相差較小,叉排管束由于沒有前排管束的直接遮擋,使得換熱情況優(yōu)于順排管束。當(dāng)管徑小于65μm時(shí),會(huì)出現(xiàn)微尺度效應(yīng),流動(dòng)和傳熱規(guī)律與常規(guī)尺度不同,此時(shí)必須考慮速度滑移和溫度跳躍現(xiàn)象。本文隨后對(duì)微通道滑移區(qū)氣體的流動(dòng)與換熱問題展開分析,采用了新的邊界處理格式,即平衡態(tài)與鏡面反射相結(jié)合的邊界,以捕捉固體邊界處的速度滑移與溫度跳躍,并采用該邊界格式模擬分析了二維Poiseuille流和Couette流,研究結(jié)果表明光滑微通道內(nèi)Poiseuille流和Couette流,在壁面處氣體的速度與溫度均與壁面的速度與溫度存在偏差,即產(chǎn)生了速度滑移與溫度跳躍現(xiàn)象,并且隨著Knudsen數(shù)的增加,氣體的稀薄效應(yīng)更加顯著,氣固界面處的速度滑移與溫度跳躍逐漸增加,相對(duì)滑移長(zhǎng)度與溫度跳躍長(zhǎng)度也相應(yīng)增加,同時(shí)摩擦阻力逐漸減小。在微尺度下,即使粗糙度很小,在邊界處引起的擾動(dòng)也會(huì)影響整個(gè)通道的流動(dòng)與換熱情況。本文最后模擬粗糙壁面Poiseuille流并與光滑情況進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果表明粗糙度的存在增加了氣體與壁面的作用強(qiáng)度,使得能量交換增強(qiáng),減弱了壁面處的速度滑移與溫度跳躍,并且隨著粗糙元高度的增加,相對(duì)速度滑移與溫度跳躍長(zhǎng)度均減小。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TK124

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本文編號(hào)：2774891