基于熵的微流动传热特性的数值分析

发布时间：2017-08-24 16:22

  本文关键词：基于熵的微流动传热特性的数值分析

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【摘要】：微流控芯片广泛应用于样品传输、分析、检测以及微电子元器件的散热,具有尺寸小、成本低、响应快和精度高等特点。微流控芯片内流体驱动方式主要为电渗驱动、压力驱动及其混合驱动。本文对微通道内流体流动的传热过程进行了理论分析和数值模拟,系统地研究了各流动参数对传热特性的影响。主要研究内容和结论如下:考虑流体热物变性与焦耳热效应、黏性热耗散的影响,研究二维平板微通道内电渗流的传热特性,分析不同的流动参数对整个传热过程的影响。结果表明大部分情况下无需考虑流体的物变性,焦耳热系数进一步抑制物变性的影响。黏性热耗散是zeta电势和动电参数的减函数,焦耳热效应是zeta电势和动电参数的增函数。总体上,zeta电势越大,无量纲温度越高。使用熵增加原理来研究二维平板微通道内电渗—压力混合驱动流的传热传质过程,分析流体内能增大过程中各热效应所占比重。结果表明反向混合驱动流内无量纲温度和熵低于正向混合驱动流的。微通道中心区域内流体的熵是最小的,壁面处的最大。无量纲离子浓度是动电参数K的增函数。流动参数对各热效应的作用较大,影响熵增加过程中各热效应所作的贡献。考虑黏性热耗散以及流体电阻非均匀分布的影响,研究二维平板微通道内压力驱动流的传热过程,分析不同流动参数对传热过程及流动电势的影响。结果表明电流密度平衡条件可以更准确地描述电黏性效应。动电参数不影响黏性热耗散的强弱。动电参数K=10时电黏性效应最明显,流体总熵最小。流动速度、熵和流动电势均为电黏性系数的减函数。通过分析各流动参数对微流体传热过程的影响,使得焦耳热效应与黏性热耗散几乎不影响传热过程,使微流体达到最大的传热效率,对微流控芯片的开发及微电子元器件散热设计具有一定的指导意义。
【关键词】：微通道 熵 焦耳热 黏性热耗散 数值分析
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN492;TK124
【目录】：

• 摘要3-4
• abstract4-8
• 第1章 引言8-15
• 1.1 背景与意义8
• 1.2 国内外研究现状8-14
• 1.2.1 国外研究现状8-12
• 1.2.2 国内研究现状12-14
• 1.3 本文主要内容14-15
• 第2章 微通道内流体流动的控制方程15-23
• 2.1 微通道内溶液流动15-19
• 2.1.1 电势分布15-17
• 2.1.2 速度场17-18
• 2.1.3 电黏性效应与流动电势18-19
• 2.2 传热过程19-20
• 2.3 无量纲处理20-22
• 2.4 假设条件22
• 2.5 本章小结22-23
• 第3章 微通道内流体的电渗流及传热过程23-36
• 3.1 控制方程及其边界条件与建模过程23-25
• 3.2 流动参数范围25-26
• 3.3 Debye-Huckel近似适用范围分析26-28
• 3.4 zeta电势、动电参数对温度的影响28-30
• 3.5 zeta电势对黏度比、Po数、Nu数的影响30-32
• 3.6 黏性变化系数A对平均速度、Nu数和Po数的影响32-34
• 3.7 焦耳热系数对平均速度的影响34-35
• 3.8 本章小结35-36
• 第4章 微通道内电渗-压力混合驱动流的传热传质过程及熵分析36-52
• 4.1 模型假设与控制方程及其边界条件36-38
• 4.1.1 静电场、速度场和温度场控制方程及其边界条件36
• 4.1.2 浓度场36-37
• 4.1.3 熵的分析37-38
• 4.2 速度比 Γ、动电参数K对速度、温度的影响38-39
• 4.3 焦耳热、黏性热耗散系数对温度的影响39-40
• 4.4 传质系数ReSc、动电参数K和速度比 Γ 数对离子浓度的影响40-42
• 4.5 不同流动参数对局部熵的影响42-44
• 4.6 不同流动参数对总熵的影响44-46
• 4.7 传质系数ReSc、焦耳热和黏性热耗散系数对各热效应的影响46-48
• 4.8 zeta电势、动电参数K对总熵ST及各热效应的影响48-50
• 4.9 本章小结50-52
• 第5章 微通道内压力驱动流的传热过程及流动电势52-65
• 5.1 控制方程52-53
• 5.2 电流平衡的速度及其问题53-55
• 5.3 电流密度平衡条件及其流动速度55-56
• 5.4 动电参数K对速度的影响56
• 5.5 电黏性系数 γ~*、动电参数K对温度 θ、熵的影响56-59
• 5.6 电黏性系数 γ~*、动电参数K和Br数对Po数、Nu数的影响59-61
• 5.7 动电参数K、电黏性系数 γ~*对流动电势的影响61-64
• 5.8 本章小结64-65
• 第6章 总结与展望65-68
• 6.1 总结65-66
• 6.2 创新点66-67
• 6.3 展望67-68
• 致谢68-69
• 参考文献69-75
• 攻读学位期间的研究成果75

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本文编号：732315