利用Micro-PIV进行微管道内流量测量

　　0　引言

　　随着微技术的迅速发展,流量测量的一个重要趋势是向微升和纳升级流量的高精度测量方向发展,从而适应生物医学和化学分析中提出的芯片实验室(Lab-on-Chips)以及微电子机械系统(MEMS)发展对高精度流量计量的要求;同时也是满足能源科学、热科学、电子技术、计算机技术、机械制造与加工技术以及农业科学与工程等发展的需要。传统流量测量手段无法实现对几十微米至几百微米范围内的微细管道内流量测量,需要探索开发新型测量方法和手段。

　　Micro-PIV技术(Particle ImageVelocimetry:粒子成像测速技术)是微流动研究方面最有效的实验手段,可以得到微尺度流场的精细结构,得到全场瞬时速度场信息。该技术具有众多其他测试技术无法比拟的优点,如高精度、全场测量、非接触测量和瞬时测量等。可以通过Micro-PIV获得微管道内速度场分布,进而通过速度积分计算微管道内体积流量。本研究对Micro-PIV微流量测量技术在微流量测量方面进行了探索性工作。

　　1　微管道内速度场测量

　　1·1　实验装置

　　图1为微管道流场测量实验装置布置示意图。压力容器内为去离子水和荧光示踪粒子的混合溶液,溶液密度已知。溶液在压缩气体推动下产生流动,实验中改变减压阀开度,调节微管道内液体流量;经过微管道内的液体被收集到容器中,通过测量Δt时间内流过微管道溶液质量m,计算得到溶液质量流量和体积流量。

　　Micro-PIV系统主要包括反射式荧光显微镜(O-lympusBX51)、RedlakeMegaPlus IIES 2001 CCD相机、双Yag激光器等。实验中选用1μm的聚苯乙烯荧光示踪粒子,其密度为1·05g/cm3。

　　1·2　测量结果

　　选用微管道内径为230μm的毛细玻璃管,通过Micro-PIV系统测量微管道轴截面内速度场分布。实验中对Re=2195和Re=2960两个工况流场进行了测量,所对应的流量分别为0·4069ml/s和0·5347ml/s。每个工况下均采集图像100对,图像处理过程中进行时间上的平均计算。实验中利用Micro-PIV获得了Re=2250和Re=2960两工况下的轴截面内速度矢量图,见图2和图3。

　　2　微管道内流量计算

　　2·1　流量计算方法和结果

　　对于圆形截面管道,在忽略重力影响情况下,直管道内速度场关于管道中轴线对称。

　　体积流量定义为单位时间内流过某一控制面的流体体积,即

　　式中:Qv为体积流量; u为控制面内某点法向流速。

　　对于圆形截面管道,内流量可以表示为

　　式中:r为管道半径。

　　在利用微管道内轴截面速度场进行积分运算之前,对全场速度分布沿流向进行空间平均,从而消除随机误差的影响。计算公式见式(3)。