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摘 要

近年来高密度电子器件的冷却和微电子机械系统的传热问题越来越受到人们的关注。为深刻了解微通道内的固液两相流动特性，本文展开了一系列研究。本文主要通过Fluent 软件进行不同工况下的固液两相流在微通道内的流动过程，建立流动数值模型进行计算，对流体流动的摩擦系数、压降、微通道内流速等参数的变化进行分析。本文主要工作与结论如下：

(1)通过Icem建立模型和划分网格观察了微通道中的流场分布情况，并分析了雷诺数、浓度、微通道结构等因素对流动性能的影响，分析得出：雷诺数增加，流动压降也增加；雷诺数增加，而摩擦阻力系数减小，减小的趋势越来越平缓；随着浓度的增加，流体的压降增大。

(2)通过数值模拟发现贴近通道壁面处的速度最小，越靠近通道纵向中心位置流速越大，速度分布呈现出中心高、边界低的形式。

(3)流体流动时会产生摩擦力，其主要发生在管壁，入口速度和流体浓度对流体摩擦阻力均有影响，入口速度或流体浓度的增大都会导致摩擦系数增大，造成更多的摩擦阻力损失。

关键词：固液两相流动 微通道 流动特性 流体压降

Numerical simulation of solid-liquid two-phase flow in a microchannel

Abstract

In recent years, the cooling of high density electronic devices and the heat transfer of microelectromechanical systems have been paid more and more attention. In order to understand the characteristics of solid-liquid two phase flow in microchannels, a series of studies were carried out in this paper. In this paper, Fluent software was used to conduct the flow of solid-liquid two phase flow in the microchannel with different working conditions, and analyze the effects of the parameters such as friction coefficient, pressure drop and flow velocity in the microchannel of fluid flow. The main work and conclusions of this paper are as follows:

(1) The flow field distribution in the microchannel was observed by establishing the model and generating the grid with Icem, and the influence of factors such as Reynolds number, particle concentration and microchannel structure on the flow performance were analyzed. As the Reynolds number increased, the frictional resistance coefficient decreased, and the decreasing trend became more and more gentle. As the concentration increased, the pressure drop of the fluid increased.

(2) Through numerical simulation, we can found that the velocity of fluid closed to the channel wall was the smallest, and the closer to the longitudinal center of the channel, the faster the velocity was, the velocity at the center of the microchannel is high, while at the boundary of the microchannel is low.

(3) Friction force was generated with the fluid flowing, which mainly occured on the channel wall. Inlet velocity and fluid concentration affected on the frictional resistance of the fluid. The increase of inlet velocity or fluid concentration would lead to the increase of friction coefficient, resulting in more frictional resistance loss.

Key Words：Liquid flow; Microchannel; Flow characteristics; pressure drop

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 研究现状 1

1.2.1 不同的流体的摩擦压降 1

1.2.2 影响固液两相流动的因素 2

1.3 微通道内压强和流场的变化 2

1.4 微通道内固液两相流动理论模型 3

1.3 本文主要研究内容 4

1.4 本文主要研究方法 4

第二章 流动模拟相关模型与理论 5

2.1 固液两相流动计算模型 5

2.1.1 基于欧拉-拉格朗日方法 5

2.2 基于等效比热模型的相关控制方程 5

2.3 ANSYS Fluent简介 6

2.4.1 ANSYS Fluent基本使用流程 7

第三章 微通道内固液两相流动模拟方法 8

3.1 建立模型并划分网格 8

3.1.1 ICEM CFD网格概述 8

3.1.2 划分网格的基本步骤 8

3.1.3 计算模型的建立 8

3.3.1 Icem划分网格 9

3.3.2 材料工况变量控制 10

第四章 Fluent数值模拟 11

4.1 Fluent数值模拟过程 11

4.1.1 材料和边界条件设置 11

4.1.2 初始化求解 12

4.1.3 定义两相流材料 13

第五章 模拟结果及分析讨论 15

5.1 速度云图 15

5. 2 压力降 18

5. 3 摩擦系数 21

第六章 经济性分析 26

第七章 总结与展望 28

7.1 本文总结 28

7.2 研究展望 28

参考文献 30

致谢 33

第一章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

凌智勇，丁建宁(2002)等^[1]针对微通道内的流动特性总结了微通道内的流体流动规律。微通道内可进行许多工程应用^[2,3]，要想对微通道进行研究，简单常规实验的条件无法达到，此时可以利用计算机的数值模拟可以对结果进行预估，降低试验难度，提高效率^[4,5]。

关于微通道内流体流动特性的研究上个世纪就已经产生了，但现今仍存在着许多矛盾^[6,7]，因为各个实验条件的不同，即使是相同的实验也会导致不同的实验结果，产生较大的实验误差。目前人们对于微通道内的流体流动特性的认识还处于初始阶段，得到的结论和经验并不完善，因此在研究的时候需要建立合适的流动模型来进行深入研究^[8,9]。流动中的摩擦阻力损失是科学工作者们关注的热点问题之一，他们发现有时微通道内会产生紊流流动，过早的紊流会导致微通道的流动阻力增大。引起这种过早转化的原因有众多推测，有研究表明可能是在微流动过程中，由于流通道德表面粗糙度引起的扰动干扰了流体主流区从而影响了整个流动，致使流体的流动性质发生变化，也有推测表明可能是由于微通道内部的截面发生突变，截面突变会导致扰动能量增加，即使是雷诺数较低时，也会使得流体变成紊流流动^[10]。

1.2 研究现状

1.2.1 不同的流体的摩擦压降

Pfund等^[11,12]通过一些实验研究并测量了水在矩形微通道中的流体流动特性。实验微通的直径范围处于两百米和九百米之间，Re数的范围处于四十至四千。通过实验得知，层流时理论计算值的压降与所测得的压降相近，影响摩擦压降的因素还有微通道壁面粗糙度，粗糙度与流动摩擦压降成正比关系，其原因主要是壁面凹坑粗糙，也可能是因为凸出部分对流体流动造成的其他影响所导致的^[13,14]。

1.2.2 影响固液两相流动的因素

郭志勇（2003）等^[15]研究了微通道的孔隙率、液相粘度、流体流动速度以及颗粒直径等因素对微通道的固液两相流动的影响。当液相粘度增大时颗粒的停留时间以及颗粒的法向接触力会增大，总体温度也会逐渐下降^[16]。

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