平板微通道流动入口段粗糙度效应的数值模拟

高新学 云和明

1.山东省交通工程监理咨询公司，济南，250014 2.山东建筑大学，济南，250101

0 引言

微细尺度通道内的流动在超大规模集成电路的冷却、航天技术中的对热环境控制及生物医学中的细胞分离等方面有广泛的应用。目前，国内外微通道内流动特性的实验结果还存在许多定性和定量的矛盾，造成该问题的一个很重要的原因来自于壁面粗糙度对流动特性的影响。

Nikuradse[1]认为，层流条件下粗糙表面的影响在相对粗糙度小于5%时可以忽略。微尺度条件下，实验已经发现不同于常规尺度下的阻力特性，故需要深刻认识粗糙表面对微流动阻力的影响。Mala等[2－3]提出粗糙度黏度的概念来解释阻力的提高，而Sabry等[4]则通过附壁气层的假说解释了微尺度流动中阻力的特殊现象。一些学者通过规则的突起来模拟粗糙元，并用数值方法初步分析了微细通道的流动和传热特性[5－13]。范小苗等[14]采用多孔介质模拟粗糙元，对不同雷诺数及截面尺寸下方形直管微通道的流动进行了数值模拟研究。Liu等[15]基于Lattice－Boltzmann方法研究了分形粗糙度对微泊松流动的影响规律。张春平等[16－17]分别通过实验和求解粗糙度的摄动方程的方法，研究了粗糙度对微通道流动传热的影响规律。闻劭意等[18]则用规则微小横肋模拟固体表面粗糙度，模拟和分析了粗糙元间的局部流动和换热特性。

综上所述，采用CFD研究粗糙度对微通道流动的影响不但可以避免分子动力学的大量计算，还能比较切合实际地反映微通道流动的规律。……