基于micro-piv技術(shù)的微尺度通道內(nèi)流流場(chǎng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

基于micro-piv技術(shù)的微尺度通道內(nèi)流流場(chǎng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

隨著微機(jī)械的發(fā)展，微通道流場(chǎng)流動(dòng)的研究越來越受到重視。1998年，sun3095等人首先使用了30m120m的熒光顯著性顆粒，用sd相機(jī)測(cè)量了120m120m的hele-shwam矩形微通道的流動(dòng)。1999年，meinhart等人使用nd：yag脈沖掃描儀測(cè)量了30m300m的流動(dòng)。21世紀(jì)以來，王浩利、王元等人以微量微流量研究為工具，分析了微通道壁的厚厚變化對(duì)層流流動(dòng)的影響。金元等人以微通道微觀角礫巖的可視化流場(chǎng)為工具，分析了微通道中多個(gè)微通道的流動(dòng)特征。郝鵬飛等人對(duì)厚流微管的流場(chǎng)特征進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了微管內(nèi)流的修正后多諾數(shù)。a.s.蘆葦、張大林、陳建華等在數(shù)值模擬中指出，微通道流場(chǎng)和傳統(tǒng)流場(chǎng)主要是由于壁面粗糙度，對(duì)粗糙元素和系數(shù)的影響。然而，在公開出版的文獻(xiàn)中，很少有關(guān)于微通道壁面粗糙度模型參數(shù)的數(shù)據(jù)。在這項(xiàng)工作中，我們使用多孔介質(zhì)模擬微通道壁的厚面，計(jì)算不同規(guī)模和雷諾數(shù)上方向感的微通道流場(chǎng)的數(shù)值，并使用piv技術(shù)對(duì)模擬微通道流場(chǎng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，并將計(jì)算結(jié)果與相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，多孔介質(zhì)是設(shè)計(jì)微通道外的厚元參數(shù)的可靠依據(jù)，為復(fù)雜微通道值的模擬研究提供了可靠依據(jù)。1cpd的建模和計(jì)算1.1流體速度ujxj及有效粘度系數(shù)在方形斷面直管微通道內(nèi)部流體流動(dòng)可以視為不可壓縮流體的運(yùn)動(dòng),基本控制方程由連續(xù)性方程和動(dòng)量方程構(gòu)成,在笛卡兒坐標(biāo)系中為連續(xù)性方程?ui?xi=0(1)?ui?xi=0(1)動(dòng)量方程uj?ui?xj=1ρ?σji?xj+Si(2)uj?ui?xj=1ρ?σji?xj+Si(2)式中,u為流體速度;ρ為流體密度;σji為Stokes應(yīng)力,σji=?pδji+μe(?ui?xj+?uj?xi)σji=-pδji+μe(?ui?xj+?uj?xi);δji為克羅內(nèi)克爾符號(hào);p為流體壓力;μe為有效粘性系數(shù);Si為附加動(dòng)量源項(xiàng).1.2幾何模型及網(wǎng)格劃分微通道為方形斷面直形微通道,斷面邊長(zhǎng)分別設(shè)為600μm和800μm,為了模擬微尺度流動(dòng)特征,對(duì)通道壁面設(shè)多孔介質(zhì)作為粗糙元,指定計(jì)算區(qū)域分為主流區(qū)域和多孔介質(zhì)區(qū)域2個(gè)部分(見圖1).微通道幾何模型采用Gambit軟件建立并劃分網(wǎng)格,由于微通道是方形斷面,網(wǎng)格使用3D模型.為有效利用計(jì)算機(jī)資源,微通道網(wǎng)格采用非均勻網(wǎng)格,在預(yù)期求解變量變化比較關(guān)注的區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)格劃分比較密,因此在模型中對(duì)壁面網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理,如圖1所示.兩種邊長(zhǎng)的微通道模型建立的網(wǎng)格數(shù)分別約為80萬和90萬.1.3多孔介質(zhì)模型隨著研究尺度的減小,流動(dòng)逐漸顯示出其異于常規(guī)尺度下的特性,其中最為典型的就是流動(dòng)的阻力特性,而且不同的研究者得出了不同的甚至是相互矛盾的結(jié)論.隨著實(shí)驗(yàn)水平的提高,對(duì)微尺度流動(dòng)阻力異常的機(jī)理有了初步的認(rèn)識(shí),其中表面粗糙度對(duì)流動(dòng)的影響受到了廣泛的關(guān)注.對(duì)微尺度表面粗糙度的模擬,筆者曾嘗試多種方法,得出采用多孔介質(zhì)作為壁面粗糙元具有良好的模擬效果.多孔介質(zhì)是指由固體物質(zhì)組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小空隙所構(gòu)成的物質(zhì).多孔介質(zhì)模型的機(jī)理是在所謂的多孔介質(zhì)區(qū)域中加上由經(jīng)驗(yàn)公式確定的流動(dòng)阻力.從根本上來說,多孔介質(zhì)模型的實(shí)質(zhì)即是在流體流動(dòng)控制方程里的動(dòng)量方程中加上額外的動(dòng)量源(匯)項(xiàng).具有多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程的附加動(dòng)量源項(xiàng)Si由兩部分組成:一部分是粘性阻力項(xiàng)(Darcy),另一部分是慣性阻力項(xiàng)Si=∑j=13Dij?μ?uj+∑j=13Cij?12ρ|uj|uj(3)Si=∑j=13Dij?μ?uj+∑j=13Cij?12ρ|uj|uj(3)式中,Dij是粘性阻力系數(shù)矩陣;Cij是慣性阻力系數(shù)矩陣.微通道中的壁面粗糙度是影響層流流動(dòng)阻力的一個(gè)重要因素,同時(shí)還會(huì)對(duì)微通道內(nèi)的流動(dòng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響,導(dǎo)致轉(zhuǎn)捩提前.文獻(xiàn)實(shí)驗(yàn)研究表明,矩形微通道壁面相對(duì)粗糙度為7%時(shí),轉(zhuǎn)捩發(fā)生在Re=1200(特征長(zhǎng)度為斷面邊長(zhǎng)),而當(dāng)壁面相對(duì)粗糙度增加時(shí),由粗糙單元引起的擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致微管道內(nèi)的流動(dòng)轉(zhuǎn)捩大幅提前.本文實(shí)驗(yàn)研究的微通道試件相對(duì)粗糙度約15%,測(cè)量條件Re=100—300,特征長(zhǎng)度取水力直徑,以此推算,該微尺度流動(dòng)為湍流.由于在湍流中流體的慣性阻力遠(yuǎn)大于粘性阻力,因此,對(duì)于簡(jiǎn)單均勻的多孔介質(zhì)其附加動(dòng)量源項(xiàng)可簡(jiǎn)化為Si=C2?12ρ|uj|uj(4)Si=C2?12ρ|uj|uj(4)式中,C2是慣性阻力系數(shù).使用多孔介質(zhì)模型存在兩個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)問題,一是多孔介質(zhì)層厚度的確定;二是多孔介質(zhì)慣性阻力系數(shù)的確定.(1)多孔介質(zhì)層厚度.多孔介質(zhì)是用來模擬粗糙元的,因此多孔介質(zhì)的厚度與管壁粗糙度直接相關(guān),筆者通過大量計(jì)算證明多孔介質(zhì)厚度近似等于粗糙元平均高度.本課題實(shí)驗(yàn)研究加工的微通道試件壁面相對(duì)粗糙度約為0.15,在數(shù)值模擬中設(shè)定多孔介質(zhì)厚度為0.15D(D為微通道斷面邊長(zhǎng)).對(duì)加工技術(shù)相同的微通道其相對(duì)粗糙度基本一致,該設(shè)定在本課題邊長(zhǎng)為600μm和800μm的兩種直通道模擬計(jì)算中均得到良好的模擬結(jié)果.(2)慣性阻力系數(shù)C2.慣性阻力系數(shù)由多孔介質(zhì)的動(dòng)量方程中附加的動(dòng)量源項(xiàng)確定,從公式(4)中可解出直通道慣性阻力系數(shù)為C2=?Δp12ρu2C2=-Δp12ρu2式中,Δp微通道單位長(zhǎng)度上的阻力,文獻(xiàn)證明粗糙微通道阻力與光滑微通道阻力之比為1.0—1.65,本文利用此結(jié)論,對(duì)同結(jié)構(gòu)光滑微通道阻力進(jìn)行折算,得出模擬微通道的阻力.1.4湍流粘土公式微通道流場(chǎng)采用Fluent數(shù)值軟件進(jìn)行模擬計(jì)算.流體介質(zhì)為水,湍流模型采用realizablek-ε兩方程模型,它比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型有兩個(gè)主要的不同點(diǎn):一是為湍流粘性增加了一個(gè)公式;二是為耗散率增加了新的傳輸方程,這些特點(diǎn)使它對(duì)狹窄通道流動(dòng)有良好的模擬效果,筆者在微尺度流動(dòng)模擬計(jì)算中也嘗試使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型,其結(jié)果偏離實(shí)驗(yàn)值.采用Simple算法,對(duì)于壓力、動(dòng)量方程均選用二階迎風(fēng)格式以提高計(jì)算精度.微通道主流和多孔介質(zhì)的入口條件均設(shè)為速度入口,出口條件均設(shè)為壓力出口,壁面邊界使用無滑移條件,在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法計(jì)算.2試驗(yàn)平臺(tái)與測(cè)量技術(shù)2.1微尺度流場(chǎng)測(cè)量d在微尺度流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究中,實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)條件對(duì)研究結(jié)果有很大影響,如試件加工精度、壁面粗糙度、測(cè)量?jī)x器精度等,而且它們?cè)斐傻倪@些結(jié)果上的差異沒有明顯的規(guī)律可循.因此,要想準(zhǔn)確評(píng)價(jià)CFD的計(jì)算質(zhì)量,需要首先提高測(cè)試手段的精度水平.目前微尺度流場(chǎng)有效檢測(cè)手段是Micro-PIV(MicroParticleImageVelocimetry)測(cè)量技術(shù),其工作原理是在待測(cè)微尺度流體中播撒流動(dòng)跟隨性很好的熒光示蹤粒子,示蹤粒子由激光照亮并激發(fā)出熒光,其散射光通過光學(xué)顯微鏡頭由CCD相機(jī)捕獲成為粒子圖像,此圖像是由在已知時(shí)間間隔內(nèi)的兩個(gè)激光脈沖、通過同步器控制與CCD同步曝光而獲得的示蹤粒子在不同時(shí)刻的兩幅粒子圖像,粒子圖像被劃分為網(wǎng)格狀的查問域,通過計(jì)算機(jī)互相關(guān)圖像分析技術(shù)處理,獲得待測(cè)流場(chǎng)的速度分布情況.2.2雙脈沖激光器實(shí)驗(yàn)裝置由Micro-PIV測(cè)量系統(tǒng)、微流動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及微通道試件測(cè)量段3部分組成.Micro-PIV測(cè)量系統(tǒng)包括激光器、CCD相機(jī)、同步器、顯微鏡頭及相應(yīng)光學(xué)元件(見圖2).為了滿足Micro-PIV測(cè)量技術(shù)要求,其中激光光源采用美國NewWave公司的Mini:YAG雙脈沖激光器,工作頻率15Hz,最大脈沖能量150mJ;CCD相機(jī)使用德國Cooke公司的PCO.1600型,具有1600×1200像素和14位灰階動(dòng)態(tài)范圍,這是獲取微尺度流場(chǎng)細(xì)節(jié)的關(guān)鍵;示蹤粒子選擇美國Duke公司的熒光微球,經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)確定選用的熒光微球粒徑為3μm,其吸收波長(zhǎng)峰值在532nm附近,激發(fā)波長(zhǎng)為610nm;鏡頭選用日本Mitutoyo公司的Apo×10顯微物鏡,并加裝只允許波長(zhǎng)610nm紅光透過的濾光裝置和中繼鏡.微流動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由壓縮空氣源、壓力調(diào)節(jié)閥、壓力表、貯液容器以及壓縮空氣管路和溶液管路組成,實(shí)驗(yàn)通過調(diào)節(jié)壓縮空氣的進(jìn)氣壓力來控制微通道的流量.微通道試件采用微機(jī)械雕刻工藝在透光度高的耐高溫有機(jī)玻璃上制作,過流斷面為方形,有邊長(zhǎng)為600μm和800μm兩種.實(shí)驗(yàn)中將微通道試件固定在一臺(tái)二維微型坐標(biāo)架上,成像系統(tǒng)固定于由特殊型材制作的實(shí)驗(yàn)臺(tái)面上,以保證光路系統(tǒng)精度.2.3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)上的流場(chǎng)測(cè)量在Re=100和Re=300實(shí)驗(yàn)條件下,利用Micro-PIV分別測(cè)量直微管內(nèi)流流場(chǎng)流動(dòng)狀況.首先使用顯微物鏡和中繼鏡,調(diào)節(jié)CCD相機(jī)聚焦成像在微通道流向中心面處獲取微通道測(cè)量面流場(chǎng)的粒子圖(以斷面邊長(zhǎng)為600μm的微通道為例,測(cè)量面為z=300μm處,該處流場(chǎng)粒子圖見圖3),從圖3中可以看到在拍攝的微通道粒子圖像上,中間區(qū)域粒子圖像十分清晰,尤其在局部放大圖像上顯示出粒子像輪廓清晰,背景顏色與粒子像顏色反差鮮明,粒子圖像的信噪比高,說明Micro-PIV測(cè)量系統(tǒng)對(duì)微通道流場(chǎng)中熒光粒子拍攝的效果很好.但在微通道兩邊粒子圖像清晰度下降,這是由于顯微鏡在聚焦范圍上的控制所致,因此在圖像處理時(shí)取微通道中粒子圖像清晰的中間段.從圖3(a)中還可以看到采用濾光技術(shù)后,干擾光大大減少,尤其在通道壁面附近的粒子圖像質(zhì)量理想,說明濾光拍攝方式能夠有效解決壁面反光影響,對(duì)于提高圖像質(zhì)量十分有效.其后對(duì)微通道粒子圖像在Insight6.0軟件平臺(tái)上進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)處理,可以得到不同尺度微通道在不同雷諾數(shù)下的內(nèi)流流場(chǎng)分布.3比較模型計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明的比較的分析3.1速度廓線分析在Re=100時(shí),對(duì)邊長(zhǎng)為600μm的微通道流場(chǎng)進(jìn)行模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量,得到微通道流向中心面(z=300μm處)流場(chǎng)(見圖4),比較分析發(fā)現(xiàn)兩者吻合度很高,速度矢量分布一致.為了精確量化比較數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果的差異,取數(shù)值模擬結(jié)果某一斷面上的速度廓線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果斷面上的平均速度廓線比較(見圖5),從圖5可以看到兩者極其吻合.比較結(jié)果證實(shí)本文采用以多孔介質(zhì)作為微尺度通道壁面粗糙元所建立的數(shù)值模擬方案以及相關(guān)參數(shù)設(shè)定方法是切實(shí)可行的,該方案可用于微尺度數(shù)值研究.本文在同樣的數(shù)值模擬方案下對(duì)邊長(zhǎng)為600μm的微通道不加多孔介質(zhì)進(jìn)行模擬(見圖6),該模擬流場(chǎng)沒有做微尺度處理,如同常規(guī)尺度下的管流.從圖6可以看出模擬值與實(shí)驗(yàn)值差別主要出現(xiàn)在Y=90μm和510μm附近,模擬速度廓線在此附近拱起又導(dǎo)致中心流速小于實(shí)驗(yàn)值.而使用多孔介質(zhì)模擬粗糙元進(jìn)行微尺度處理時(shí),針對(duì)實(shí)驗(yàn)試件相對(duì)粗糙度設(shè)定其厚度約為0.15D,使模擬速度廓線在Y=90μm和510μm附近出現(xiàn)下凹(這一特征在Re增大時(shí)更顯著),與實(shí)驗(yàn)速度廓線吻合.該結(jié)果進(jìn)一步證明采用多孔介質(zhì)對(duì)管道進(jìn)行微尺度化處理是一種有效手段.3.2共同影響因素p在微通道結(jié)構(gòu)不變的情況下增大Reynolds數(shù),采用同樣的微尺度化處理手段和數(shù)值模擬方案,在Re=300時(shí),對(duì)邊長(zhǎng)為600μm的微通道流場(chǎng)再次進(jìn)行模擬計(jì)算,得到的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與同工況下Micro-PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果比較(見圖7),發(fā)現(xiàn)兩者仍有良好的吻合性,在粗糙元區(qū)域的模擬效果尤為突出(見速度廓線比較圖),說明該方法在Reynolds數(shù)一定范圍內(nèi)對(duì)微尺度通道的模擬計(jì)算是適用的.3.3微通道相對(duì)粗糙度微通道邊長(zhǎng)改變時(shí),對(duì)微通道進(jìn)行微尺度模擬處理所采用的多孔介質(zhì)絕對(duì)厚度應(yīng)有所改變.由于采用相同材料、同樣技術(shù)加工實(shí)驗(yàn)中的微通道試件,因此它們的相對(duì)粗糙度基本一致.邊長(zhǎng)800μm的微通道流場(chǎng)模擬計(jì)算仍采用0.15D的多孔介質(zhì)厚度,但在幾何建模時(shí),多孔介質(zhì)絕對(duì)厚度已與600μm微通道的有所不同.圖8給出邊長(zhǎng)800μm的微通道分別在Re=100和Re=300下的模擬計(jì)算的速度廓線,并將模擬值與同工況下Micro-PIV實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行比較,圖8顯示模擬值與實(shí)驗(yàn)值十分吻合,證明了采用