圆环微通道流动特性的理论分析和数值模拟研究

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随着微机电系统的飞速发展,微尺度相关的应用变得越来越广泛。换热器和化学反应器逐渐向着微型化和高度集成化发展,这也意味着入口效应不能被忽略。对于短通道来说,入口段的长度占总体长度比例较大,因此必须考虑入口效应带来的影响。然而目前对于入口段的研究还不够充分,存在着一些基础性的问题。深入研究入口效应将为现代高新技术的应用和发展奠定基础,具有重要的工程价值和学术意义。本文基于套管式换热器和微化学反应器为工程背景,将模型进行简化,利用CFD软件ANSYS Fluent对圆环通道内层流流动的压降和摩擦进行了数值模拟,主要研究了入口段和充分发展段的速度以及压力的分布。重点分析了微通道内外径比(0.05<r*<1)和雷诺数(25<Re<2000)对摩擦因子和入口段长度的影响。本文得到的数值模拟结果和理论精确解的一致性较高。研究发现圆环微通道内的fappRe在入口区域数值较大,随着轴向无量纲距离的增加而逐渐减小,之后趋于不变,流动达到充分发展段。圆环通道的表观摩擦因子和入口段长度随着内外径比和雷诺数的增大而减少。此外,无量纲入口长度是雷诺数与内外径比的函数。本文应用渐近分析法,提出预测圆环通道fappRe和计算入口段长度的关联式。这些关系式可以预测圆环通道摩擦和压降的分布,为以后的进一步研究提供依据,也方便于工程实践和应用,对于套管式换热器和微反应器的研究有重要的意义。
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