热流体工程和微系统设计..ppt

1、u微流体器件概述微流体器件概述 u流体力学基本知识流体力学基本知识u流体对固体的作用力流体对固体的作用力u流体动力学的流体动力学的N-S方程方程u表面张力及毛细效应表面张力及毛细效应u流体模型流体模型u固体中的热传导固体中的热传导u微纳米尺度的流体流动微纳米尺度的流体流动微流体器件概述微流体器件概述(1)微流体传感器微流体传感器 流体入口 悬臂梁 压敏电阻 硅流体连接管硅机械支撑压焊快 流体流向流体通道热流式微流量传感器结构原理T1 H T2热流式微型流量传感器实例热流式微型流量传感器实例(2)微流体执行器微流体执行器香港科技大学研制的微器件含压力传感器阵列的微加热通道芯片Pyrex7740玻

2、璃 SU-8 PNMD薄板微通道感应薄膜温度传感器微加热通道结构剖面图加热器感压凹槽金属导线多晶硅压力环氧树脂层永磁体金线圈多晶硅氮化绝缘层入口出口德国的电磁致动微型阀美国MIT的静电致动阀进口进口出口硅硅玻璃绝缘层min550mL/流体力学基本知识流体力学基本知识流体一个很重要的特性tdtdtt 0lim比例常数就是流体的动力动力粘度或粘度。流体的分类dyydu)(LVRe)()(Adstdssmmtmm质量流速t 流体流过两控制面的时间ds 两控制面这间距离，为无穷小A流管的平均截面面积 流体的质量密度当t0，可得 则一维流动的连续性方程为：tt/0smtA对于稳态流动， 可得出在稳态流动

3、情况下质量流速为常数 ： 0/t222111AVAVmA1、A2为截面面积；通过A1、A2的流体流速分别为V1、V2 2211AVAVQ式中 Q的单位为m3/s 微流量系统的液体供给26261m10785. 04/)101000(A212262m103144/)1020(As/m0213. 010785. 01067. 161411AQVm/s2 .53103141067. 1121422AQV流体对固体的作用流体对固体的作用控制体内动量变化的动量的动量的动量的动量DCBAABCDDCCDBAAB1122)d()d(VtmVtm其中， 和 分别是上图中流过控制面1-1和2-2的质量流速。 1m

4、 2m mmm21mvFt)(12VVmFV1和V2分别是控制面1-1和2-2的速度矢量。 ssmaF切线方向：nnmaF法线方向：stsVtsVttsVas),(),(),(RtsVttsVann/),(),(2sin)(gsPsVVtVcos)(2gnPRVtVnXxPzuwyuvxuutu)(YyPzvwyvvxvutv)(ZzPzwwywvxwutw)(2222112122ygPgVygPgV流体在锥形管中的流动s/m104 . 232112AAVV)(2)(12212221yygVVgPPPgVdLfhf2228Vfw)(2gyPdxdawRefl64074. 01087.1199)

5、1075()105 . 1 (6 .789Re663Vd86.864074. 064Re64fm1322. 081. 92)105 . 1 (107510)86.864(2361fh圆管中的流体流动)(84gyPdxdaQ48aLQP4,128f lLQhgdpAdh4hwwhhwwhpAdh2)(2)(44流体动力学的流体动力学的N-S方程方程tzyxuzyxuzyxxPg),(),()(222222tzyxvzyxvzyxxPg),(),()(222222tzyxwzyxwzyxxPg),(),()(222222xzyxuxx),(2yzyxvyy),(2zzyxwzz),(2),(),(

6、xzyxvyzyxuyxxy),(),(zzyxuxzyxwzxxz),(),(yzyxwzzyxvzyyzzzyzxzzyyyxyzxyxxxijPPP表面张力及毛细效应表面张力及毛细效应表面张力Fs湿周S表面张力系数TT410692. 107615. 0)(aPaP2aP3 小管中的流体体积26N/m87610250073. 033aPwahcos2其中， w=g是液体的比重 是自由流体表面与管壁之间的夹角 a是毛细管的半径 m02976. 0)10500(9810)0cos()073. 0(2cos26wah流体模型流体模型LKn2pvc RTc定压下气体的比热容；pcvc定容下气体的比

7、热容。努森数努森数RTLPdmfm2343kg/s10116. 32932862)1050(3)5 . 0()1030(418939mm 热传导热传导dtTTAQba)(dtTTAkQba)(dTTkAtQqba)(),(),(trTktrq222),(zyxqqqtzyxqxtzyxTkqxx),(ytzyxTkqyy),(ztzyxTkqzz),(ttrTktrQtrT),(1),(),(22222222zyx2222222211zrrrr功率P（W）电流I（A）电阻R（）2ck)(baTThqrPrReNu)()()(Pr)(Re)GrNurkcPRpLVRe)(223tgLGr),()

8、,(fsrTtrThntrTk)(),(),(tFtrftrTsrrssrrinntrTkq),(srroutntrTkq),(kqxyxTax1),(kqxyxTbx2),(kqyyxTcy3),(kqyyxTdy4),(（a）（b）（c）（d）frrrrTkhtrTkhntrTss),(),(0),(srrrtrTttxTxtxT),(1),(2220),(0ttxTkqxtxTx0),(3201057. 1),(RixtxTx(a)(b)0),(m10406xxtxT2015710),(15710),(4m10404m104066xxtxTxtxT(c)(d)3321ddd33)()()(14142312ttttttttcVk31Hkkeff31Hkkeff321 kkkHkeeff833. 0)102 . 0(3101 ()31 (67222),(),(1),(ttrTttrTkQtrTV