当前课程知识点:MEMS与微系统 > 第二章 微系统基本理论—基础力学与基本物理 > 第5小节 流体的基本概念(续) > 流体的基本概念(续)
我们再来看还是用水它的粘度仍是这样
管道的直径都是一毫米
假设流速分别是一米每秒和一千米每秒
我们计算出来一米每秒的雷诺数是十
一千米每秒的雷诺数是一万
可见同样的管道
同样的液体流动速度不同的时候
它们也处于不同的流动状态
对于MEMS经常采用的
管道直径在几十微米
到一两毫米这样的尺度
它的流动通常是层流状态
也就是当两种流体
并行流动的时候二者没有对流产生
描述流体的运动状态有不同的方程
这需要首先判断
流体处于什么样的流动状态
我们一般把它分为
连续流体和非连续流体
区分连续流体和非连续流体
可以采用努森数这样的一个标志
所谓的努森数是
指分子平均自由程和盛流体的
这样的一个容器尺度的比值
我们来看它的定义
就是平均自由程除以长度
那么平均自由程是由一些
给定的参数来决定的
当努森数达到100的时候
我们一般认为这个流体
处于一个非常稀薄的状态
也就是每个分子几乎可以自由流动
换句话说分子的平均自由程
是容器的100倍的大小
当努森数小于十的负三次方的时候
我们一般认为流体的分子密度很高
因此它处于一个连续流体的状态
对于连续流体我们通常用到的是
连续流体力学方程
而对于稀薄的气体
我们需要利用概率的方式
来研究每一个气体的运动
也就是说比如说玻耳兹曼方程
那么在二者之间
它分别处于一个轻度稀薄
或者是中度稀薄这样的一个状态
那么描述不同的状态
需要用到不同的方程
在MEMS尺度下面
由于结构的尺寸大幅度的减小
惯性力迅速降低而与表面相关的力
起到了主导作用
因此在MEMS里边
我们也需要理解跟表面相关的一些行为
比如说表面张力
所有的表面张力
是指液体表面任意两个相邻部分之间
垂直于中线的方向上所产生的拉力的大小
它的产生是与液体和气体的界面处
液体表层分子受到的液体和
气体作用不平衡所造成的
我们来看
在液体表层的分子
它受到向下的液体分子的引力
同时受到向上的气体分子的引力
由于气体的分子密度很低
因此向上的力远没有向下的力大
所以在气体表层
这一层分子上它受到的力是不平衡的
这个不平衡状态
就让它产生了表面张力
表面张力也是液滴
形成的一个基本的原理
比如说在荷叶上的液滴
落在水面上的轻巧的昆虫
它们都是表面张力所形成的
与表面张力相关的
一个现象就是润湿现象
润湿现象
是指液体和固体表面接触的时候
液体来维持接触的这样的一个能力
比如说对于水和二氧化硅
这是一种亲水性的组合体
当水分布在二氧化硅表面的时候
它会很自然的铺开
这是由于表面能的作用所产生的结果
同样在纯的硅表面如果点上水滴
我们得到的不是铺开的液面
而是一个个分立的水滴
那么这也跟表面能有关
它的形成亲水性和疏水性这样的一个区别
最主要是由于液体之间的作用力
以及液体和固体之间的作用力
二者的差异造成的
对于液体内部的作用力
它起到的一个内聚的效果
趋向于使液滴变成一个液滴团
而液滴和固体之间的作用力
趋向于使液滴分散开
因此二者谁强
谁起到主导作用
就产生了不同的亲水性和疏水性
与流动相关的
一个很重要的参数就是流动阻力
所谓的流动阻力
是指在流动的过程中
管道施加给流体的阻力
那么这个类似于电子
在流动的过程中需要
增加一定的势能来克服阻力
使流动能够维持
对于圆形的管道 矩形的管道
和三角形的管道
它的流动阻力可以
分别用这三个式子来表示出来
那么下面我们来简单总结一下
微流体的特点
微流体是MEMS领域
最近几年发展非常火热的方向
所谓的微流体一般
是指管道的直径或者宽度
在几十微米到一两毫米
这样的一个尺度范围
它表现出来的特点是表面积和体积比巨大
这是由于材料不断缩小以后
体积随着尺度的三次方缩小
而表面积随着二次方缩小
因此表面积缩小的速率
更慢到了微米的尺度的时候
表面积的影响就变得非常主要了
也就是说体力我们基本可以忽略
那么表面的特性
包括表面张力
成为决定流动行为的主要因素
同时流体的阻力变得很大
我们前面的式子可以
看出来流动的阻力与管道的尺度有直接的关系
另外由于尺度的减小
微流体的热传导非常迅速
这也是因为物体的热容量与体积呈正比
而传导与表面积成正比
因此当尺度很小的时候
热容量减小比热传导减小的速率更快
另外由于流体的尺度比较小
它的雷诺数很低
因此微流体大多处于层流的状态
同时它的混合主要依靠扩散才能完成
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