数值计算和调查的特点微尺度合成喷流

文摘

膜的合成射流周期振荡的结果在一个空腔。射流形成时流体交替吸入,从一个小腔腔膜边界的运动。一种新型移动网格算法来模拟射流的形成。控制方程的曲线坐标系统转换为网格速度评估然后送入流动腔的计算域从而使质量守恒方程和动量要解决在固定计算域。数值解生成使用这个移动网格方法相比,实验结果测量获得的瞬时速度场μPIV测量合成射流孔附近的241人μ米直径发行限制几何。对比实验和数值结果的流向速度分量资料孔出口,沿中心线的脉动喷射在微通道涡的位置核心表明有很好的协议,因此,示范移动网格算法的开发是有效的。

1。介绍

合成射流,类似于脉冲喷射,形成从摄入和驱逐的流体通过一个孔到一个充满液体的空间(1]。一个独特的特性是喷气产生完全的工作流体流系统。它可以因此线性动量转移到流系统不净质量注入整个流边界。这样一个机制有时被称为“zero-net-mass-flux”射流(2]。合成射流,驱动流是由一个振动膜片腔位于孔的对面。隔膜震荡,流动展览一个周期的行为。在特定的操作条件下,流体分离,形成离散的旋涡的结构。这种所谓的涡旋脱落现象对热管理应用程序很重要,因为冷却性能高度依赖这些列车的离散的交互旋转的结构和冷却的墙。

很多有用的研究已经进行了合成射流脉动喷射的上下文中执行机构侵犯淹没在静止流体表面的媒体为了更好地理解局部冷却的热特性。坎贝尔et al。3]说明合成空气微型飞机的使用笔记本电脑处理器的有效冷却而Mahalingam et al。4,5)建立了可行的合成射流的应用大功率电子散热器冷却通过一个集成的活跃。史密斯和迅速6]以及奶油蛋白甜饼和Amitay [7)表明,传热增强急剧增加通过使用合成飞机连续喷射从而提供更好的冷却性能。Gillespie et al。8]研究了矩形合成射流冲击的有效性在无侧限加热板暴露在环境中,而Travniček和Tesař[9,10]提出的替代使用环形合成射流显示提供更具吸引力的特性在一个简单的圆形喷嘴撞击飞机(11,12),尤其是增加墙运输应用脉动现象。

占的瞬态运动执行机构,膜的一个显式跟踪伴随着移动网格实现通过求解控制方程的形式表示为一个三维body-fitted曲线坐标系统在固定计算域。移动网格点的方法,这方面的边界运动(s),不需要再啮合,并满足几何守恒定律(GCL),采用。发表的文献报道很少的互动结合数值分析非常有利的合成射流特性和证明微通道流动的有效性。同时,非常有限的实验数据可供比较。本文的目的是评估网格运动方法的有效性和性能对微尺度合成射流实验进行了新南威尔士大学的。

2。数学模型

在本节中,控制方程和数值方法用于移动边界流动的模拟。集中的、结构化和body-fitted网格采用。物理坐标(,,,计算坐标(相关),,,通过通用转换): 最初在休息(),物理域内的网格可以通过超限插值方法构造根据戈登和泰尔(13)由生成内部网格的边界网格数据使用适当的插值函数或“混合”功能。在三维空间中,插值操作 在哪里, 在上面的方程中,会从单调变化来为。涉及功能类似的表达式和申请的插值和方向和,分别。为简单起见,混合功能,,可能是线性的。他们也可能添加了复杂性集中制定更多的物理边界附近的网格点或包括导数边界条件的规范来迫使网格线相交的物理边界的活动。

2.1。控制方程

控制方程的一般形式(连续性、动量、焓和固体温度)变成了body-fitted曲线坐标系统给出相应的如下。连续性: 动力: 在哪里和分别是密度和动态粘度。

各种系数(6)和(7) 与,,和,,循环:

流体速度的组件ε,γ,ω方向给出 而网格中的速度组件ε,γ,ω方向,分别给出

在(13),网格是瞬时速度,,方向在一个固定的点(,,)在计算域。这些都是作为

网格运动方法,采用本研究确定的瞬时速度网格(14在下一节中描述的)。

2.2。网格运动方法

使用body-fitted坐标系统随时间变换的方法消除了需要显式地跟踪膜在物理域。此外,移动膜附近的discretisation精度更好的解决网格线符合体型。网格运动的一个关键特性本文方法是避免耗时的物理域内的网格重啮合步骤。body-fitted移动网格算法的基础上提出的方法出全新et al。14)应用。这是一个便宜、准确选择适度复杂的几何形状,而且,更重要的是,它会自动满足的GCL未能执行GCL导致计算不准确。

图1显示了一个典型的合成射流发生器领域,移动膜通常是位于空腔的底部。顶部的表面网格点的空腔可以是固定的,而周围的表面网格点移动膜允许移动根据瞬时位移函数。

底部表面,瞬时速度网格可以通过差异化分析获得的瞬时位移函数。为了确定网格内部瞬时速度,对区域内的网格点的速度可以从相应的刚性值逐渐放松的顶部表面通过加权函数,d是网格点的距离正在考虑框架的从原点移动的表面膜。考虑一个网格点如图1。表示的距离从动态的起源作为网速度点给药 在哪里为和为。加权函数可能采取任何适当的形式。为简单起见,采用线性加权函数:。正如上面提到的,膜速度在(15)可以从一个解析函数决定的,后来被描述。一旦网速度获得通过(15在新的时间),网格点的位置被发现

2.3。数值方案

discretised控制方程的有限体积法(有限)结构化网格配置安排。内部的流动领域,采用混合差分的交换机之间的一阶逆风差分和二阶中心差分基于当地沛克莱数采用平流项。压力梯度和扩散项discretised使用二阶中心差分方案。压力校正算法等简单应用于链接字段的配置速度和压力。测定速度的控制体积的脸是通过应用程序的(和食物15插值过程。full-implicit迭代过程是用来捕捉流的物理不稳定。代数形式的控制方程是解决采用强隐式程序(SIP)石(16]。在每个时间步内,收敛时确定质量残留低于10⁵。

3所示。问题定义

三维几何的原理图如图2。矩形的宽度和深度测试区设计为5000μ米和500μm,分别。提高数值计算,矩形的长度测试部分减半,15毫米长,使用对称的假设相对于飞机的中心线。模型的注射器作为活塞/气缸装置合成喷气执行机构和连接的中间深度测试区,一个额外的管道直径为700μm是附加到计算域能够生成脉动流穿过孔。为了模拟活塞效应随着柱塞移动的注射器的筒,这管的长度是不同的。

图中描述的几何2网格的生成95×36×41导致140220控制卷。密集的网还集中在孔解决合成射流的流体流动特征。敏感性分析是由比较数值结果对细孔网(网格点数量的两倍);流体流场的变化被发现可以忽略不计。1/200的时间步的振荡周期膜采用。进口/出口的边界位于孔有些距离,静态压力强加允许流体进入或离开的可能性域。

合成射流的运动执行机构是完全模拟计算。结构模拟表明,柱塞可以模拟正弦的方式不同,因此,而不是解决的复杂问题,流-固耦合的瞬时位移膜被假定为 在哪里位移振幅和吗是振荡的频率。膜振荡频率和振幅被激活基于频率赫兹和振幅μm。

4所示。实验装置

网格运动方法的有效性和性能评估实验的微型合成射流在静止流体媒体由辛克莱et al。17新南威尔士大学。在他们的实验中,一个25岁μL注射器作为活塞的合成喷驱动器/缸设备由一个700人μ米直径柱塞在730年μ使用米直径筒。注射器的筒连接到一个50毫米长,25不锈钢针(ID / OD = 241/500μ米)连接到测试区,作为合成射流孔。柱塞是连接到一个1.1公斤力音圈振动器由一个钢连杆和木螺丝连接。的ICP加速度计是固定连接,柱塞之间的附着力。我们可以看到在图3瓶、注射器配置在线在一起举行一个钻井平台由铝。

函数发生器产生的正弦波形和放大25 W放大器提供给瓶,摆动的柱塞。瓶运动被factory-calibrated灵敏度的加速度计是10.87 mV / m / s²。当前实验装置的灵敏度确认校准它对一个加速度计校准器。加速度计是提供一个恒定的电流信号从一个电荷放大器与ICP模式从加速度计输出信号数据采集系统。

注射器针连接到一个矩形测试区5毫米宽,30毫米长,500年μ米深图所示4。针垂直于通道在于孔符合一个测试区墙壁。工作流体进入渠道进口/出口位于矩形通道的两端。测试区几何制造于聚二甲硅氧烷(PDMS)模具25和500针头组成μ米厚的铝垫片。PDMS部分是连着一个载玻片用电晕(18]。25针插入到测试区,在显微镜下排列的通道墙壁。环氧树脂是用于安全针的位置,和使用硅酮密封剂的外边缘测试区及周边地区的进口/出口连接额外的耐用性。

瞬时速度领域得到使用μPIV技术与高速μPIV系统在喷气飞机平分。形象对获得的高速CMOS相机连接到一个倒置显微镜。视野是体积被双重Nd:林业与波长527纳米的激光系统,最高10000 Hz /激光头的重复率。激光系统的时机和相机控制了PIV同步器通过PIVsync软件。纯净水的流动被播种红荧光2μ米直径。过滤数据集允许激光的激发光通过客观、到测试区只有允许发出的光粒子成像的照相机。正号图像对之间的时间延迟是25μ年代为了捕捉快速移动粒子沿中心线。

系统的空间分辨率是由审讯过程。最后审讯窗口大小为32×32像素(28×28μ米),16岁的深度相关μm定义了审讯体积。实现这一决议被用来确保播种的浓度0.09% 2 - 3粒子体积每审讯。与相邻的审讯窗户被50%重叠最终系统的空间分辨率是14μm。高速PIV系统的同步是基于时间的高速摄像机。完整的相机分辨率图像对可获得的最大速率是500 Hz,这将允许对来自25个不同的时间内振荡周期(工作频率,赫兹)。

一个多通道的审讯计划使用64×64像素的第一遍和第二通过32×32像素经过50%重叠使用。生成的64对速度场在每个阶段从768中提取周期和用于生产25相平均速度场。所有信号生成使用4-channel 16位数据采集卡捕获,用来获取信号的加速度计20 kHz的采样率。取样后,加速度数据过滤与一系列的高通滤波器消除直流偏置信号中没有显著变化的波形。数据集成的数值来确定速度剖面和集成了位移概要文件。更详细的实验可以称为辛克莱et al。17]。

5。结果和讨论

集成的加速度计数据得出了柱塞位移概要文件出现定性正弦。柱塞之间的余隙容积和注射器墙存在,也可以允许流体流动。因此准确的体积的流体通过孔板在循环不能从柱塞位移测量计算。

高速的使用μPIV系统,能够测量到每秒10000图像对,不允许锁相测量,这意味着是需要特别注意,以确保准确的测量。设计了驱动周期的划分成阶段要求所有信号都在期望的频率和在测量期间保持不变。加速度计的数据被用来检查驱动频率测量段3.2秒或768周期。实测频率驱动周期的实验是240.01赫兹这意味着转变为0.032的测量周期的最后阶段。保持每个阶段的漂移位置低于0.01的循环,只有第一个16形象对平均在每个阶段被用来生成阶段。平均从64年只有16对预期相比大大降低了结果的准确性。

不同步的图像采集驱动周期的位置测量每个25分周期内是未知的。因此,测量阶段的位置测定与计算结果相比在一个单一的阶段,和所有其他阶段转移根据他们的分离。峰值速度的测量μ此外数据作为参考速度和相位。这个最大速度是用来确定的最大速度出现在仿真,和这个点的位置相仿真结果被分配到μ此外情况。

无量纲时间从物理之间的比例计算时间和振荡周期,而距离中心的飞机也从孔nondimensionalised对孔的直径。设置在柱塞行程的下死点,最大速度只是在模拟发生在孔外。因此,最大限度μ此外将相应地,所有图像对位于转移。

速度矢量图对实验和数值结果不同阶段上半年驱逐阶段并排绘制在图5。在图5(一个),漩涡形成的早期阶段相邻孔可以看到出口。在,漩涡变得更为明显,随着流从孔板流向方向。最终驱逐前半阶段,也就是说,,两个明显的漩涡出现在大约一半孔直径孔出口。所提出的矢量图显示很好协议的漩涡核心位置和流场的数值和实验结果。轻微的不对称在实验结果中可以看到所有三个向量的阴谋。阴谋的漩涡核心右边出现下游比漩涡核心左侧在每个阶段。可能的原因可以归因于在测试区孔或轻微缺陷所需的测试剖面之间的错位和显微镜透镜的焦平面。

至于定量数据比较,速度向量的行位于接近的飞机孔,0.1 d前面,已经被用于提取孔出口的流向速度分量。在图6,概要文件从上半年驱逐循环的一部分。速度分布在驱逐的早期阶段,显示,发展中成为抛物线的概要文件的时间达到最大,。在这个时候,数值解记录最大速度为0.979米/秒附近的孔,而实验数据记录值为0.985 m / s。总的来说,这两个数值和实验结果显示良好的协议的瞬间的时间。再次,实验结果显示不对称速度剖面的峰值速度不驻留在中心线。

在图7沿中心线的流向速度分量比较同样的驱逐阶段的一部分。速度大小的小差异可能是由于测试设备的偏差中发现不对称速度剖面,如图6然后导致更高的中心线速度高于孔。总的来说,图7显示良好的协议的数值结果在预测的一般趋势在孔出口速度概要和沿中心线的脉动喷射。这使我们的结论相位置确定实验结果的数值数据基于峰值速度是合理的。

6。结论

发现了移动网格算法,提出高效、准确,因为它根除的必要性摘要或ssolving新的演化方程的雅可比矩阵。这种方法也执行GCL网格点感动使用网速度,而不是相反。展示了良好的协议提供的比较,从而证实了移动网格算法开发是有效的,能够解决microsynthetic射流的流场。移动网格算法的有效性评估与测量孔板出口流向速度分量资料,沿中心线的脉动喷射微通道以及涡的位置的核心在不同时间瞬间驱逐阶段。良好之间的协议是实现测量和数值预测。从而给出的比较证实了移动网格算法是有效的,能够解决微型合成射流的流场。

命名法

:	孔直径
:	致动器频率
:	权重函数
:	液体焓
:	深度
:	body-fitted坐标系统的雅可比矩阵
:	长度
:	向外画正常
:	流体压力
,:	插值或“混合”功能
:	在物理坐标
:	时间,
:	驱动周期的时间
:	流体速度
:	网格速度
:	宽度
:	微通道的宽度
:	膜的位移
,,:	物理坐标在笛卡尔坐标系。

希腊符号

,:	网格的转换系数
:	流体密度
:	流体的粘滞性
:	在计算坐标
:	振荡周期
ε,γ,ω:	Body-fitted坐标系统。

引用

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