具突張或收縮截面之長微流道流場之數值模擬

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Title:	具突張或收縮截面之長微流道流場之數值模擬
Other Titles:	Numerical Simulation of Long Microchannel Flows with Expansion or Contraction
Authors:	陳慶祥
Contributors:	淡江大學航空太空工程學系
Date:	2006
Issue Date:	2009-03-16 16:14:37 (UTC+8)
Abstract:	具有收縮或擴張截面的流道出現在許多流體元件或系統上，此類裝置在工程上具有廣泛的應用，這類問題在傳統尺寸的流道上前人都用實驗或數值的方法詳盡研究過。微流體元件或系統上不可避免也有此類裝置，但在已發表的文獻上很難找到有關具有收縮或擴張截面的微流道的研究(不論是實驗或數值方面)。絕大部分數值方法在研究具有收縮或擴張截面的傳統流道使用full Navier-Stokes方程式，因為受限於計算機時間及記憶體，模擬的區域通常限制在收縮或擴張截面附近的區域。我們尚無法在已發表的文獻上找到有關具有收縮或擴張截面的長微流道的數值研究，這是因為微流道的長度與水利直徑的比通常都很大，模擬起來很耗費電腦資源。本計畫主持人在幾篇最近發表的論文裏已證明用boundary-layer equations和reduced Navier-Stokes equations可以很精確而快速的計算長微流道的流場。過去有幾位研究者發表的論文也證實boundary-layer method加上inverse method可成功的用來模擬具有小分離回流區(small separation bubbles)的外流場或內流場，同時模擬結果與用full Navier-Stokes eqautions模擬所得的結果非常接近。本計畫將把主持人之前發展的程式與inverse method結合起來，使其能用來計算不可壓縮流體在具有收縮或擴張截面的二維及三維長微流道的層流與紊流流場。本數值計算的優點在於它的速度比解full Navier-Stokes equations 快上數百倍。這是因為full Navier-Stokes equations 是一組 hyperbolic-parabolic equations，它們必須被沿著時間軸積分直到得到穩態解，故非常花時間。本計畫所用的方程式是一組parabolic equations，若流場沒有分離，它們只要被沿著管軸由入口一站一站計算到出口即可得到穩態解，故速度快很多。本文所提方法計算結果在流道入口及分離區較不精確，但其精確程度仍然足以使用在許多工程應用上。微流道的雷諾數通常都很小，這樣小的雷諾數對管道裏流場分離的影響是一有趣的課題也很少被探討過，本研究可增加吾人對微流道的傳輸及分離現象的瞭解，對未來設計微流道元件及系統時也有很大幫助。
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