跳到主要內容

臺灣博碩士論文加值系統

(44.200.122.214) 您好!臺灣時間:2024/10/07 22:24
字體大小: 字級放大   字級縮小   預設字形  
回查詢結果 :::

詳目顯示

: 
twitterline
研究生:何祥瑜
研究生(外文):Hsiang-Yu He
論文名稱:模擬三維矩形微型流道之滑移流動
論文名稱(外文):Numeric investigation of the slip flow in a 3-D rectangular microchannel
指導教授:蘇裕軒
指導教授(外文):Yu-Hsuan Su
口試委員:蘇裕軒
口試日期:2011-07-25
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:105
中文關鍵詞:數值模擬滑移流動微型流道三維矩形
外文關鍵詞:numeric investigationslip flowmicrochannel3-D rectangular
相關次數:
  • 被引用被引用:0
  • 點閱點閱:268
  • 評分評分:
  • 下載下載:29
  • 收藏至我的研究室書目清單書目收藏:0
傳統的管狀流動, 皆是探討邊界為無滑移條件的理想情況, 因此在流體力學當中才
能得到Hagen-Poiseuille 流動的經典例子。由於微機電系統製程的發展, 利用製程設
備在矽晶圓可製作出微小尺寸的流道, 而當流道的尺寸縮小且在相同的大氣環境下時,
Knudsen number 將相對增加, 使得傳統的無滑移條件及理論分析不再適用, 造成流動
進入滑移流動, 進而需討論流場中滑移流動行為, 並藉由巨觀的現象及微觀的行為來描
述流場的流動變化。
而滑移流動的邊界條件, 藉由Maxwell 所提出的一階滑移速度, 說明滑移速度是
利用機率的方式所推算出來的公式, 並需利用實驗的方式得到流場中的切線動量係數
(σm), 藉由文獻上所得到的滑移流動的質量流率公式反推切線動量係數, 以描述流道的
表面粗糙度關係; 並從質量流率公式中, 可得控制滑移流動的流場之重要的兩個參數, 其
為流場的壓縮性及稀薄程度, 此兩項主要決定流場中的流動現象。
本文利用數值模擬的方式, 模擬三維長矩形微型流道之滑移流動的行為,且設定切線
動量係數(σm) 皆為0.85, 探討出口絕對壓力操作皆低於一大氣壓時的流場, 並分別考
慮氬氣、氮氣及氦氣在不同的絕對壓力比下, 流場的流動行為及質量流率的比較。
就結果而言, 流場稀薄程度伴隨滑移流動的產生,而當流場處於較稀薄並且絕對壓力
比較小時, 流場中的滑移現象也具有重要性; 並且在低壓的操作模擬, 流場的Poiseuille
number 將隨著Knusden number 的增加而遞減。
Conventionally, no-slip boundary conditions are ideally imposed when analzing
fluid flowing through a duct. With the prominent development in the microfabrication
of microelectromechanical system (MEMS) devices, channels with micron
feature sizes can be fabricated on the silicon wafer. As the characteristic size of
the microchannels shrink down to a few microns, the Knudsen number becomes
non-negligible even under atmospheric pressure. This, in turn, invalidates the no
slip boundary conditions and results in the occruence of slip flow. The macroscopic
slip flow phenomena can be explained from the microscopic interaction between
the fluid and its confining walls.
Maxwell proposed a microscopic model to relate the slip velocity on the wall
with the gradient of the velocity profile on the wall. One of the critical parameters,
the tangential momentum accommodation coefficient (TMAC), can only be
obtained experimentally. Arkilic derived the mass flow rate of a slip flow driven by
pressure differential across the inlet and outlet ports and flowing through a long
2-D microchannel. Compressibility and rarefaction are the two most important
parameters affecting the mass flow rate.
In this work, the behaviors of the slip flow through a long 3-D rectangular
microchannel are simulated numerically. The TMACs of all simulations are set to
0.85. The slip flows of helium, nitrogen, and argon under various pressure ratios
are investigated. It is found that the slip flow phenomenon is most significant
when the pressure ratio is small and the gas is rarefied. It is also found that the
Poiseuille number increases with the increase of Knudsen number.
1 導論1
1.1 前言與研究目的. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 文獻回顧. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 論文架構. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 理論分析6
2.1 無滑移流動與滑移流動的差別. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.2 無滑移流動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2.1 圓管流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 二維平板流動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3 矩形之穩態不可壓縮流. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.4 Fanno 流動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 滑移流動. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.1 滑移速度之邊界條件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3.2 滑移邊界之質量流率公式推導. . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 流量與壓力關係. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3 模擬求解分析22
3.1 物理模型. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 求解流程. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.3 求解參數選定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.4 軟體之滑移速度. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.5 流體性質. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.1 氣體性質與溫度及壓力關係. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.5.2 切線動量係數(σm) 之選定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.6 邊界條件設定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.7 殘餘值收斂條件. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.8 求解之殘餘值選定. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4 網格獨立性35
4.1 圓管流動模擬分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.2 矩形之微型流道模擬分析. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
5 流場模擬分析47
5.1 選用氣體的重要性. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.2 可壓縮流之無滑移. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.3 滑移流動之流量公式討論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4 流量與絕對壓力比. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.5 氣體分子與滑移現象. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
5.6 近大氣壓時之變化. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5.7 壁面剪應力與Poiseuille number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6 結論及未來發展84
6.1 結論. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6.2 未來發展. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
參考文獻. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
[1] Errol B. Arkilic, Martin A. Schmidt, and Kenneth S. Breuer, “Gaseous Slip
Flow in Long Microchannel,” Journal of Microelectromechanical Systems,
1997, 6, pp. 167−178.
[2] Errol B. Arkilic, Martin A. Schmidt, and Kenneth S. Breuer, “Sub-nanomol
per second flow measurement near atmospheric pressure,” 1998.
[3] Errol B. Arkilic, Kenneth S. Breuer, and Martin A. Schmidt, “Mass flow and
tangential momentum accommodation in silicon micromachined channels,”
Journal of Fluid Mechanics, 2001, 437, pp. 29−43.
[4] Takuto Araki, Min Soo Kim, Hiroshi Iwai, and Kenjiro Suzuki, “An experimental
invertigation of gaseous flow characteristics in microchannels,” Mi-
croscale Thermophysical Engineering, 2002, 6, pp. 117−130.
[5] Yutaka Asako, Tianqi Pi, Stephen E. Turner, and Mohammad Faghri, “Effect
of compressibility on gaseous flows in micro-channels,” International Journal
of Heat and Mass Transfer, 2003, 46, pp. 3041−3050.
[6] Amit Agrawal and S. V. Prabhu, “Survey on measurement of tangential
momentum accommodation coefficient,” J. Vac. Sci. Technol, 2008, 26, pp.
634−645.
[7] R. Byron Bird, Charles F. Curtiss, and Joseph O. Hirschfelder(1954), Molec-
ular Theory of Gases and Liquids, Wiley, New York.
[8] R. J. Cornish, “Flow in a Pipe of Rectangular,” Proceedings of the Royal So-
ciety of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical
Character , Vol. 120, No. 786, pp. 691−700.
[9] Anthony A. Clifford, Peter Gray, and Norman Platts, “Lennard-Jones 12:6
Parameters for Ten Small Molecules,” J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1, 1977,
73, 381−382.
[10] Nishanth Dongari, Abhishek Agrawal, and Amit Agrawal, “Analytical solution
of gaseous slip flow in long microchannels,” International Journal of Heat
and Mass Transfer, 2007, 50, pp. 3411−3421.
[11] Zhipeng Duan and Y.S. Muzychka, “Slip flow in non-circular microchannels,”
Microfluid Nanofluid, 2007, 3, pp. 473−484.
[12] C. Evers, H.W. L‥osch, andW.Wagner, “An Absolute Viscometer-Densimeter
and Measurements of the Viscosity of Nitrogen, Methane, Helium, Neon, Argon,
and Krypton over a Wide Range of Density and Temperature,” Interna-
tional Journal of Thermophysics, Nov. 2002, vol. 23, No. 6, pp. 1411−1439.
[13] J. Harley, Y. Huang, H. Bau, and J. N. Zemel, “Gas flow in micro-channels,”
J. Fluid Mech., vol. 284, 1995, pp. 257−274.
[14] Chungpyo Hong, Yutaka Asako, Stephen E. Turner, and Mohammad Faghri,
“Friction Factor Correlations for Gas Flow in Slip Flow Regime,” Journal of
Fluids Engineering, 2007, Vol. 129, pp. 1268−1276.
[15] Herrick L. Johnston and Kenneth E. McCloskey, “Viscosities of several common
gases between 90 K. and room Temperature,” Journal of Chemical
Physics, 1940, 44, pp. 1038−1058.
[16] Herrick L. Johnston and Edward R. Grilly, “Viscosities of carbon monoxide,
helium, neon, and argon between 80 and 300 K. Coefficients of viscosity,”
Journal of Chemical Physics, 1942, 46, pp. 948−963.
[17] J. Kestin and W. Leidenfrost, “The viscosity of helium,” Journal of Physica,
1959, 25, pp. 537−555.
[18] Geoffrey C. Maitland and E. Brian Smith, “Critical Reassessment of Viscosities
of 11 Common Gases,” Journal of Chemical and Engineering Data, 1972,
vol. 17, No. 2, pp. 150−156.
[19] Eric F. May, Robert F. Berg, and Michael R. Moldover, “Reference Viscosities
of H2, CH4, Ar, and Xe at Low Densities,” International Journal of
Thermophysics, Aug. 2007, vol. 28, No. 4, pp. 1085−1110.
[20] R. K. Shah and A. L. London (1978), “Laminar Flow Forced Convection in
Ducts,” Advances in Heat Transfer, Academic Press, New York.
[21] Stephen E. Turner, Mohammad Faghri, and Otto J. Gregory, “Experimental
Invertigation of Gas Flow in Microchannels,” Journal of Heat Transfer, 2004,
126, pp. 753−763.
[22] Frank M. White(2006), Viscous Fluid Flow, McGraw-Hill, New York.
87
QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
第一頁 上一頁 下一頁 最後一頁 top
1. 朱建正(2000)。數學領域教學方法之革新與教學策略。翰林文教雜誌,9,37-43。
2. 吳宗立(2000)。情境學習理論在教學上的應用。人文及社會學科教學通訊,11(3),157-164。
3. 吳樎椒、張宇樑(2007)。提供豐富的學習環境讓孩子探試自我能力的極限。幼教資訊,195,11-16。
4. 房昔梅(2003)。動口也動手—「說」數學與「做」數學。國民教育,44(2),42-44。
5. 徐新逸(1998)。情境教學中異質小組合作學習之實證研究。教育資料與圖書館學,36(1),30-52。
6. 張靜嚳(1995a)。何謂建構主義?。建構與教學:中部地區科學教育簡訊,3。彰化:國立彰化師範大學科學教育研究所。
7. 張靜嚳(1995b)。問題中心教學在國中發展之經過、效果及可行性之探討。科學教育學刊,3(2),139-165。
8. 張靜嚳(1996)。建構教學:採用建構主義,如何教學?。建構與教學:中部地區科學教育簡訊,7(1),四版。彰化:國立彰化師範大學科學教育研究所。
9. 張靜嚳(1999)。國中低學習成就班的雙環數學教學。科學教育學刊,7(3),199-216。
10. 陳嘉皇(2003)。利用文本設計探討影響學生三角形及特殊四邊形面積公式理解之因素。屏師科學教育,18,36-46。
11. 陳嘉皇(2004)。國小學童對於三角形與特殊四邊形的面積測量與解題策略之分析研究。國民教育研究論文集,8,194-226。
12. 黃幸美(2001)。生活數學之教學理念與實務。教育研究月刊,91,63-73。
13. 黃幸美(2003)。討論與真實情境對兒童解決問題的影響。教育研究集刊,49(1),95-133。
14. 曾淑容(1991)。普通班和資優班學生性別、年級、數學歸因和數學態度的相關研究。特殊教育學報,6,373-430。
15. 譚寧君(1995b)。面積概念探討。國民教育,35(7,8),14-19。