Измерение давления внутри прямолинейного и криволинейного микроканалов Текст научной статьи по специальности «Физика»

Фундаментальные проблемы теоретической и прикладной механики Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2011, № 4 (5), с. 1961-1962

1961

УДК 532.5

ИЗМЕРЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ ВНУТРИ ПРЯМОЛИНЕЙНОГО И КРИВОЛИНЕЙНОГО МИКРОКАНАЛОВ

© 2011 г. В.М. Анискин1, К.В. Адаменко1

1Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН, Новосибирск

^Новосибирский госуниверситет

aniskin@itam.nsc.ru

Поступила в редакцию 24.08.2011

Представлены результаты экспериментов по определению распределения давления внутри микроканалов круглого сечения, но различной формы - прямолинейной и криволинейной. Диаметр каналов в обоих случаях составлял 68.9 мкм. В экспериментах использовались как вода, так и газ (гелий и азот). На основе измерений распределения давления внутри микроканалов вычислены коэффициенты гидравлического сопротивления микроканалов. Экспериментальные результаты сравниваются с расчетами, выполненными с помощью программного пакета Fluent.

Ключевые слова: микротечения, микроканалы, коэффициент гидравлического сопротивления.

Введение

Получающие все большее распространение микро- и нанотехнологии диктуют необходимость миниатюризации жидкостных систем. В силу эффективности микрожидкостных систем применение их для охлаждения микроэлектронных компонентов является перспективным. Наряду с системами охлаждения они находят применение в медико-биологических приложениях. Но для оптимизации дизайна микрожидкостных систем необходимо ясное понимание механизмов переноса жидкости как при ламинарном, так и при турбулентном ее течении.

При определении гидравлического сопротивления микроканалов обычно измеряют давление в коллекторах на входе и выходе микроканала. Однако в нескольких работах приведены данные по измерению распределения давления непосредственно внутри микроканала. В работе [1] исследовалось течение жидкости в микроканалах прямоугольного сечения гидравлическим диаметром от 25 до 100 мкм. В качестве рабочей жидкости использовались вода и воздух, для которых числа Рейнольдса составляли 4.9 < Re < 2068 и 6.8 < Re < 18814 соответственно.

Был изготовлен прямоугольный микроканал гидравлическим диаметром 169 мкм [2]. Канал по длине имел 8 отверстий диаметром 27 мкм. В начальной области микроканала было сосредоточено 5 дренажных отверстий для подробного изучения области развивающегося течения. Рабочей жидкостью являлась вода, а диапазон чисел Рей-

нольдса составлял от 230 до 4740.

Что касается течения жидкости в искривленных микроканалах, то потребность в такого рода исследованиях очень высока с точки зрения разработки пассивных микромиксеров. Однако экспериментальных работ по определению коэффициента сопротивления искривленных участков микроканалов нет, за исключением работы [3].

Цель исследования - разработка технологии изготовления микроканалов прямолинейной и искривленной формы с возможностью внутреннего измерения давления по длине канала, а также вычисление на основе полученного распределения давления коэффициентов гидравлического сопротивления прямолинейного и криволинейного микроканалов.

Микроканалы

Была разработана технология изготовления микроканалов круглого сечения, которая позволяла создавать отверстия в стенке микроканала. На основе этой технологии были изготовлены два стенда: один с прямолинейным (показан на рис. 1), другой с криволинейным микроканалами.

Рис. 1

Длина прямолинейного канала составляла 11.33 мм, криволинейного 12.2 мм. Диаметр обо-

их микроканалов составлял 68.9 мкм. По длине каналов было сделано по 16 отверстий для измерения статического давления. Криволинейный микроканал представлял собой канал ^образной формы с диаметром закругления около 2.5 мм.

Эксперимент

Найдено распределение давления жидкости вдоль прямолинейного (показано на рис. 2) и криволинейного каналов. В качестве рабочей жидкости использовалась деионизованная, дегазованная вода. Диапазон чисел Рейнольдса составлял от 160 до 3200. По данным измерения давления определены коэффициенты гидравлического сопротивления микроканалов.

P, атм 13

11

9

7

5

3

1

Re і і i OOOi

4

9

x.

X •

1 • „

4. + *

*• *_ •

“ *«

1 1 *■ *:

0 0.2 0.4 0.6 0.8 X/L

Рис. 2

Показано, что для прямолинейного микроканала распределение давления в области развитого течения для всех экспериментальных чисел Рейнольдса имеет линейный характер и коэффициент гидравлического сопротивления находится в соответствии с теоретическим значением для круглых каналов. Для криволинейного микроканала распределение давления вдоль канала нелинейно, вследствие образования вихрей Дина в криволинейном участке, а общий перепад давления при одинаковом расходе жидкости превышает перепад давления для прямолинейного микроканала. Также показано, что коэффициент сопротивления криволинейного участка меньше справочного значения для плавно изогнутых труб на 17%. Определено число Рейнольдса перехода от ламинарного течения к турбулентному.

Определены область развивающегося течения, а также коэффициенты потери давления на входе и выходе микроканала.

Работа выполнена при поддержке СО РАН (интеграционный проект СО РАН № 110).

Список литературы

Kohl M.J. et al. // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2005. Vol. 48, No 8. P. 1518-1533.

2. Costaschuk D. // Experiments in Fluids. 2007. Vol. 43, No 6. P. 907-916.

3. Wei-hua Yang, Jing-zhou Zhang, Hui-er Cheng // Applied Thermal Engineering. 2005. Vol. 25, No 13. P. 1894-1907.

MEASURING THE INTERNAL PRESSURE IN A STRAIGHT AND CURVED MICROCHANNEL

V.M. Aniskin, K.V. Adamenko

The paper presents the results on determining the pressure distribution inside micro-channels of a round cross-section but of different (rectilinear and curvilinear) forms. The channel diameter in both the cases was 68.9 |im. Both water and gas (helium and nitrogen) were used in the experiments. Based on the measurements of the pressure distribution inside the microchannels, hydraulic resistance factors of the micro-channels were computed. The experimental results are compared with the computations made using the Fluent software package.

Keywords: microflows, microchannels, friction factor.