1、本文檔下載自文庫下載網(wǎng)，內(nèi)容可能不完整，您可以點(diǎn)擊以下網(wǎng)址繼續(xù)閱讀或下載：/doc/b9fbfa4469eae009581becfe.html微流體動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展與現(xiàn)狀年月第卷第期航空精密制造技術(shù)微流體動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展與現(xiàn)狀錢曉蓉，沈宏繼（西安電力工業(yè)學(xué)校，西安北京特種車輛研究所，北京）摘要在分析微流體流動(dòng)特性基礎(chǔ)上，介紹了微流體動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展與現(xiàn)狀，包括臨界雷諾數(shù)、固液界面速度滑移、微流體熱傳導(dǎo)特性等基本問題的研究結(jié)果。熱傳導(dǎo)關(guān)鍵詞微流體；臨界雷諾數(shù)；速度滑移、中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文章編號(hào)（），（，），；引言隨著微機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展，微米乃至納米

2、尺度管流體中可能不再適用；其二，微米尺度范圍內(nèi)微管道具有極大的面積體積比，例如對于米尺度的常規(guī)流體，該比值為米，然/doc/b9fbfa4469eae009581becfe.html而對于微米尺度來說，該比值變成米，這種現(xiàn)象被稱為表面現(xiàn)象。該表面現(xiàn)象使得微流體呈現(xiàn)出與常規(guī)流體不同的性質(zhì)，如牛頓流體在微管道中表現(xiàn)出的非牛頓流體性質(zhì)，極大的表面積體積比值還導(dǎo)致了電粘性效應(yīng)、電雙層效應(yīng)、表面張力效應(yīng)等。隨著構(gòu)件的特征尺度減小到微米數(shù)量級時(shí)，基于連續(xù)介質(zhì)假設(shè)的納維斯托克斯方程不能處理微流體中壁面與流體間的速度滑移，固液界面的邊界條件本身成為需要求解的變

3、量。而且，微流體運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)了微流動(dòng)表觀粘度與體積粘度不一致等一些經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)模型無法解釋的現(xiàn)象。這說明在微米數(shù)量級流體條件下，由于固體表面分子力對液體分子的作用，使得微流體內(nèi)部分子之間的作用力成為不可忽略的因素。文獻(xiàn)將分子間力道中的流體技術(shù)越來越引起人們的注意。隨著流體運(yùn)輸管道的減小，微流體力學(xué)面臨許多與宏觀流體力學(xué)不同的新問題，如基本方程和邊界條件的修正，基本流動(dòng)現(xiàn)象的研究與探索等。由于微流體流動(dòng)的影響因素眾多，與宏觀流體相比，其研究的內(nèi)容更多，研究的問題更復(fù)雜。微流體與宏觀流體的主要差別表現(xiàn)在微尺度效應(yīng)和介質(zhì)連續(xù)性假設(shè)條件。尺度變小引起的微尺度效應(yīng)表現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，流體運(yùn)動(dòng)的特征尺度減

4、小到微米數(shù)量級時(shí)，支配流體運(yùn)動(dòng)的各種作用力發(fā)生了變化，在宏觀流動(dòng)中居于次要地位而被忽略的表面作用力超過了體力，而成為微流體的支配力，這意味著傳統(tǒng)的宏觀流體驅(qū)動(dòng)技術(shù)以及研究方程在微微流體動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展與現(xiàn)狀分為取向作用、誘導(dǎo)作用和色散作用，并推導(dǎo)出兩種分子間吸引力。對于微觀流體這些基本問題的研究，有助于對宏觀流體規(guī)律進(jìn)行補(bǔ)充和修正，建立新的理論模型，以及改進(jìn)工程實(shí)驗(yàn)技術(shù)。由于微觀尺度下流體理論尚不完善，現(xiàn)有微流體研究主要依賴經(jīng)驗(yàn)和反復(fù)試探，本文后續(xù)部分主要介紹了近年微流體動(dòng)力學(xué)研究中關(guān)于臨界雷諾數(shù)、邊界層的滑移條件、以及熱傳導(dǎo)流體特性幾個(gè)方面的發(fā)展現(xiàn)狀，希望能起到拋磚引玉的作用。實(shí)驗(yàn)研究。通過壓

5、力差和流量測量分析流體運(yùn)動(dòng)特性，在小直徑微管道中流體特性與預(yù)測結(jié)論與較大的差異：對于小雷諾數(shù)流體，壓力差與流理論近似符合，但/doc/b9fbfa4469eae009581becfe.html隨著雷諾數(shù)升高，流理論預(yù)測值明顯小于實(shí)驗(yàn)值，其實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)高于理論預(yù)測值。等測量摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)之間的關(guān)系，研究水力直徑在之間的矩形管道，得到臨界雷諾數(shù)為，其他實(shí)驗(yàn)也得到不同的臨界雷諾數(shù)。隨著時(shí)間的推移和實(shí)驗(yàn)條件的改進(jìn)，越來越多的實(shí)驗(yàn)證實(shí)，至少在微米數(shù)量級微管道中以上現(xiàn)象并不明顯。其中比較有代表性的是和微流體臨界雷諾數(shù)實(shí)驗(yàn)研究流體從層流向紊流的轉(zhuǎn)換存在臨界

6、雷諾數(shù)點(diǎn)，的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在對眾多研究結(jié)論進(jìn)行比較基礎(chǔ)上，開展了比較徹底的實(shí)驗(yàn)，采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖所示。圖中當(dāng)壓力升到一定值時(shí)，氣缸的閥門關(guān)閉，毛細(xì)管的閥門打開，同時(shí)測量壓力和流量。液體被壓力驅(qū)動(dòng)到一根直徑接近常數(shù)的毛細(xì)管中，輸出到電子稱上的收集液容器中，壓力和流量同時(shí)被測量。毛細(xì)管為熔融硅管，表面涂復(fù)聚酰亞胺。在宏觀流體中，該臨界雷諾數(shù)在之間。確定臨界雷諾數(shù)的方法是通過測量流體流量和壓力數(shù)值，采用雷諾數(shù)和摩擦系數(shù)、速度的關(guān)系判斷臨界雷諾數(shù)值是否與宏觀流體臨界轉(zhuǎn)換雷諾數(shù)一致，具體的關(guān)系曲線有：!摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)曲線；觀察流體偏離層流狀態(tài)；$#測量軸向平均速度和雷諾數(shù)的關(guān)系曲線；%測量壓力差和流量之

7、間的關(guān)系，非線性關(guān)系或者不規(guī)則的壓力差，預(yù)示著紊流狀態(tài)的發(fā)生。管道的摩擦系數(shù)定義為：式中：水力直徑；圖微管道中單相流體阻力實(shí)驗(yàn)裝置示意圖管道周長；為管道面積；管道內(nèi)的平均流速。對于牛頓流體，穩(wěn)定層流的摩擦系數(shù)為：://doc/b9fbfa4469eae009581becfe.htmlar在水力直徑為的圓形玻璃中，針對不同極性液體進(jìn)行了多組實(shí)驗(yàn)，通過壓力差、流量、以及方法測量速度波動(dòng)計(jì)算流體阻力。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示，在時(shí)，測量壓力差和流量之間是線性關(guān)系，測量摩擦系數(shù)反比例于雷諾數(shù)，流量估計(jì)符合公式，測量結(jié)果符合宏觀層流特性。在雷諾數(shù)范圍內(nèi)，雷諾數(shù)和摩擦系數(shù)之間

8、的關(guān)系曲線沒有明顯的層流到紊流臨界雷諾數(shù)點(diǎn)。考慮到的實(shí)驗(yàn)誤差，至少在是動(dòng)力粘度，是和管道橫截面有關(guān)的常數(shù)，圓形截面，所以上式有。數(shù)定義流體阻力為，通過微流體臨界雷諾數(shù)的測量，或者測量微管道壓力差與流量關(guān)系，基此判斷微流體是否滿足宏觀流體理論，國內(nèi)外學(xué)者在這方面做了大量理論和尺度以上，微流體和宏觀流體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和流體理論符合。航空精密制造技術(shù)年第卷第期明，與宏觀流體固液界面的非滑移狀況不同，微管道固液界面的水流具有一定的流體速度。平板層流在石墨表面的滑移長度在之間：在和外界條件下，得到的滑移長度，壓力水力直徑為圖水力直徑為提高到，滑移長度減少到；固體界面由憎水性改變?yōu)閺?qiáng)烈的親水性表面時(shí)，滑移長度減

9、少到。同時(shí)，他進(jìn)一步模擬研究水流通過摩擦系數(shù)和雷諾數(shù)的實(shí)驗(yàn)微流體邊界層滑移條件有效性研究建立在宏觀流體基礎(chǔ)上的動(dòng)量方程，不考慮液的碳納米管陣列，得到幾何尺寸對滑移長度://doc/b9fbfa4469eae009581becfe.html的影響，納米管直徑為和時(shí)，分析結(jié)果中存在的滑移長度，表明滑移速度與固液表面之間的性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)條件有關(guān)。體內(nèi)部以及固液界面分子之間的相互作用力，無滑移的壁面邊界條件被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，即使固液界面存在滑移，其數(shù)值也是可以忽略的。即建立流體動(dòng)力學(xué)方程的邊界條件為，沿法線方向的分速度稱為無穿透條件、沿切線方向的分速度稱為無滑移條件

10、、在無窮遠(yuǎn)處流場與未擾動(dòng)流體的狀態(tài)銜接。而在微流體中，固體壁面與流體間是否存在速度滑移？如果存在，它對流體運(yùn)動(dòng)特性的影響程度如何，是微流體研究的基本理論之一。在微流體條件下，固體邊界對流體將產(chǎn)生顯著影響，不同微管道直徑下，固液界面的相互作用表現(xiàn)應(yīng)該是不同的。測量直徑從到圖水在憎水性和親水性玻璃表面速度測量結(jié)果圖分子模擬方法計(jì)算微管道內(nèi)流體速度輪廓使用傳統(tǒng)方程并加以適當(dāng)修正的方法是解決微尺度下流動(dòng)問題的行之有效的處理方法，但其最大的缺點(diǎn)是每一次修正都需要大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。而分子模擬研究方法是從微觀分子學(xué)理論出發(fā)，直接在分子尺度的層面上（納米尺度）研究微流體的界面特性。采用連續(xù)流體理論和分子動(dòng)力學(xué)理

11、論研究微通道電滲流過程。分子動(dòng)力學(xué)模擬方法計(jì)算不同無量綱加速度下微流體沿通道方向的速度輪廓分布如圖所示，由圖可知，在固液界面存在著明顯的速度滑移，且這種固液界面的速度滑移隨著無量綱重力加速度的增加而增加。采用分子動(dòng)力學(xué)模擬研究方法，計(jì)算微通道內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)與界面剪切率的關(guān)系如圖所示，界面滑移長度和無量綱粘度在低界面剪切率下為常數(shù)，表現(xiàn)出牛頓流體的性質(zhì)；在高界面剪切率下，隨著界面剪切率的增加而增加，表現(xiàn)出非牛頓流體的性質(zhì)。的微管道流體流動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示不同直徑下微流體與固體邊界有不同的摩擦系數(shù)，他從理論上分析認(rèn)為這是由于固液界面分子間作用力不同而導(dǎo)致摩擦系數(shù)不同。雖然分子間作用力本質(zhì)上是短程力（ht

12、tp://doc/b9fbfa4469eae009581becfe.html），但其累積效應(yīng)可導(dǎo)致大于的長程作用。因此，在微觀條件下，固體邊界無滑移條件應(yīng)區(qū)別對待，在的范圍，分子作用力雖然存在，但不是影響微流體流動(dòng)特性的主要因素；在的范圍內(nèi)，此時(shí)邊界層由于微觀尺度條件下相互重作用，從而造成流體的沿程損失系數(shù)顯著，是影響微流體特性的主要因素；在管道尺寸范圍內(nèi)，分子作用力起主要作用，并主要表現(xiàn)為靜電力的影響。布朗大學(xué)采用顯微粒子圖像測速技術(shù)研究水在憎水性和親水性玻璃表面的運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示，在憎水性玻璃表面液體速度與在親水性表面有微小的差別。采用非平衡分子

13、動(dòng)力學(xué)（）模擬方法研究結(jié)果表圖表面剪切率對滑移長度和表觀粘度的影響微流體動(dòng)力學(xué)研究發(fā)展與現(xiàn)狀熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)與流體特性的變化微通道中的液流和熱交換特性是微機(jī)電系統(tǒng)設(shè)指示劑，監(jiān)測微流體系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)和物理變化過程中的溫度場變化，進(jìn)而進(jìn)行溫度控制。，采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)模擬的方法分析型微通道中溫度場和流場的變化，比較鍵合，玻璃鍵合的熱傳導(dǎo)規(guī)律。圖中可以清楚看到，不同電場強(qiáng)度作用下，流場溫度隨電場增強(qiáng)而升高，圖顯示不同基體材料微管道中電流隨時(shí)間的變化，電流變化的原因是流體電導(dǎo)率隨溫度的升高而降低。由于溫度與粘度的反比關(guān)系，可以預(yù)測隨著電壓增大流速會(huì)增大，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示。由于計(jì)和控制的關(guān)鍵之一。由于物體尺度的微小

14、化，各種熱傳導(dǎo)的相對重要性發(fā)生了變化，導(dǎo)致微細(xì)管道中熱傳導(dǎo)規(guī)律發(fā)生變化。在微流體實(shí)驗(yàn)中，壓力和溫度變化導(dǎo)致流體內(nèi)部最明顯的變化是梯度參數(shù)效應(yīng)：尺度減小使得流場中某些梯度量變大，與梯度量有關(guān)的參數(shù)的作用將增強(qiáng)。例如層流的對流換熱系數(shù)與雷諾數(shù)、數(shù)、材料的導(dǎo)熱系數(shù)及尺度://doc/b9fbfa4469eae009581becfe.html有關(guān)，（）玻璃微管道散熱效率高，流體內(nèi)部溫升小，其流速變化比小，在外加電場范圍內(nèi)近似為直線，而溝道內(nèi)流體在電壓大于基于電驅(qū)動(dòng)的電滲、電泳微后流速迅速升高。流體技術(shù)將會(huì)在生物化學(xué)分析領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對電驅(qū)動(dòng)微流體的熱傳導(dǎo)特性的

15、研究將會(huì)更加深入。當(dāng)特征尺寸從減小到數(shù)量級，將比常規(guī)條件時(shí)高個(gè)量級。同樣溫差下平均溫度梯度增大使換熱強(qiáng)度提高，這是小尺度下對流熱交換能力比常規(guī)條件時(shí)提高的根本原因。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微通道熱交換器件的熱交換系數(shù)可以達(dá)到傳統(tǒng)熱交換系數(shù)的倍。普渡大學(xué)熱傳輸研究實(shí)驗(yàn)室開展微通道熱傳輸和流體機(jī)械研究，為壓力驅(qū)動(dòng)單相流和兩相流微流體熱交換提出了可靠的設(shè)計(jì)方法。加拿大多倫多大學(xué)開展了微流體熱交換試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)出基于流體冷卻介質(zhì)的微通道，其冷卻能力從到結(jié)束語圖電壓和流速的關(guān)系曲線在微米量級特征尺度的微管道中，流體的流動(dòng)特性具有很大的變化。在宏觀尺度適用的經(jīng)典連續(xù)介質(zhì)理論判斷準(zhǔn)則和條件，如可壓縮性、流動(dòng)狀態(tài)、以及有

16、無滑移邊界條件等，在微觀流體中需要重新定義或者修正。對微流體動(dòng)力學(xué)特性研究不僅具有科學(xué)意義，隨著微機(jī)電系統(tǒng)研究的進(jìn)展，更具有廣泛的工程應(yīng)用背景。如等用微極化理論，在建立的模型中考慮了流體的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)和表觀粘度的變化，對矩形截面微管道中的流體運(yùn)動(dòng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，該模型計(jì)算的流速比方程預(yù)測結(jié)果減小，在管壁附近的表觀粘度增加了倍，與宏觀理論預(yù)測結(jié)果相比，所提出的微極化理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)結(jié)果更一致。由于完整的微觀尺度下流體理論尚不完善，以及微機(jī)電系統(tǒng)發(fā)展的需要，進(jìn)一步開展微觀尺度下流體理論基礎(chǔ)性研究顯得尤為重要。在理論研究上，所建立的模型和開發(fā)的軟件包可以模擬和預(yù)測微流體參數(shù)和熱傳輸參數(shù)，較好地解釋傳

17、統(tǒng)理論不能解釋的現(xiàn)象。://doc/b9fbfa4469eae009581becfe.htmlpar電力驅(qū)動(dòng)微流體內(nèi)部產(chǎn)生的熱量是壓力驅(qū)動(dòng)流產(chǎn)生熱量的多倍，隨著、等高分子聚合物塑料在微機(jī)電系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，對電動(dòng)驅(qū)動(dòng)微流體的熱力學(xué)研究顯得非常重要。是對溫度敏感的熒光染色劑（溫度量程），和采用作為圖電場強(qiáng)度對應(yīng)圖電流負(fù)載理論預(yù)測與實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果參考文獻(xiàn)（略）（收稿日期）!的溫度場年月第卷第期航空精密制造技術(shù)精密測試基于自組織網(wǎng)絡(luò)算法規(guī)劃數(shù)控拋光路徑王飛，馮之敬，程灝波（清華大學(xué)精密儀器與機(jī)械學(xué)系，北京）摘要為避免在數(shù)控拋光中因采用規(guī)則運(yùn)動(dòng)路徑產(chǎn)生的規(guī)律性高頻誤

18、差，故借助于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，采用基于自組織網(wǎng)絡(luò)算法，對拋光頭的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃。關(guān)鍵詞神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；路徑規(guī)劃；計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形；非球面中圖分類號(hào)文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼文章編號(hào)（），（，/doc/b9fbfa4469eae009581becfe.html，）（），；計(jì)算機(jī)控制光學(xué)表面成形技術(shù)（傳統(tǒng)技術(shù)路徑規(guī)劃及誤差分析在技術(shù)中，通常使用經(jīng)驗(yàn)公式來，）是當(dāng)前高精度光學(xué)零件的主要加工方法：根據(jù)定量的面形檢測數(shù)據(jù)，建立加工過程的控制模型，使用計(jì)算機(jī)控制一個(gè)磨頭對光學(xué)零件進(jìn)行研磨或拋光，通過控制磨頭在工件表面的駐留時(shí)間及相對壓力等加工條件來控制材料的去除量。為了與被加工工件的面形緊密貼合，在中通常采用小工具形式，但是小工具頭加工后工件表面往往殘留有中高頻誤差，所以在加工中通常需要使用相對較大的磨頭來消除中高頻誤差，這樣在加工中需要大小工具交替使用，對操作者技術(shù)熟練度要求較高。本文嘗試使用人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，用以模擬加工者的實(shí)際加工經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行的路徑規(guī)劃，達(dá)到控制中高頻誤差的產(chǎn)生。描述研磨拋光的數(shù)學(xué)模型，即：（）（，）（，）（，）其中（，）為柔性磨頭與工件接觸區(qū)域中某點(diǎn)（，）單位時(shí)間內(nèi)的材料去除量，（，）為柔性磨頭與工件之間的相對壓力，（，http:/www.wen