一种纳米流体管路设计方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米流体管路设计方法，将纳米流体管路中一个元件看成一个流动阻力，将一条纳米流体通道看成是由若干个流动阻力串联而成，将几条纳米流体通道的串联看成是几个流动阻力的串联，将几条纳米流体通道的并联看成是几个流动阻力的并联，将串联的几个流动阻力等效成一个流动阻力，将并联的几个流动阻力等效成一个流动阻力，还将纳米泵、纳米阀、纳米通道开关、纳米流体二极管、纳米流体三极管这些纳米流体管路中的元件分别看成是流动阻力。本发明专利技术为纳米流体管路工程设计提供了便捷设计方法。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米流体管路设计方法
本专利技术涉及纳米流体管路设计，具体地说是一种纳米流体管路设计方法。
技术介绍
纳米流体通道指横截面尺寸在纳米量级的供流体通过的通道，其横截面或者是圆形(即圆柱形通道)，或者是长方形(即狭缝通道)。实验和理论分析已表明，流体在纳米通道中的流动并不是连续介质流动，并不遵循传统的适用于连续介质流动的Navier-Stokes方程。纳米通道中流体的流动有其独特的规律，受流体-通道壁面相互作用影响，受控于流体在通道壁面产生的滑移效应、受限流体的动力学效应和流体在通道中的非连续介质效应。纳米流体通道在生活和生产中具有重要应用。它已用于流体输运、流体净化、药物输运、化学分析、DNA分析和电池中等。纳米流体通道的直径或高度为纳米量级，而它的长度(对于圆柱形纳米通道)或宽度、长度(对于狭缝通道)为微米或毫米量级。纳米流体通道的实验研究相对已开展的较多，提出了不同横截面形状的纳米通道即圆柱形纳米通道和狭缝纳米通道，专利技术了纳米泵、纳米阀、纳米通道开关、纳米流体二极管和纳米流体三极管等。纳米泵用于驱动纳米通道中流体的流动，即为纳米通道中流体的流动提供动力，纳米阀用于调控纳米通道中流体的流动，纳米通道开关用于启闭纳米通道，纳米流体二极管和纳米流体三极管用于控制纳米通道中流体的流动。纳米泵、纳米阀、纳米通道开关、纳米流体二极管、纳米流体三极管、纳米通道等放在一起，就组成了纳米流体管路。有人提出，可仿照集成电路，制成纳米流体集成管路。纳米流体集成管路中，纳米通道或串联，或并联，纳米流体管路元器件布满各处。纳米流体集成管路无疑大大地推进纳米流体通道的应用，具有巨大的实际应用价值。迄今为止，纳米通道中流体流动的研究主要以实验为主，还没有提出纳米流体通道的设计方法，更没有提出纳米流体管路的设计方法，这给评估纳米流体通道性能、纳米流体通道的设计和纳米流体管路的设计都带来困难。当前，评估纳米流体通道性能和纳米流体通道的设计依赖于纳米流体通道中流体流动的理论分析计算，这种计算主要用分子动力学模拟手段、粒子耗散动力学模型、玻尔兹曼模型、修正的连续介质模型和连续介质-非连续介质混合模型等。这些理论分析方法或者仅适用于分析极短(通道长度为纳米量级)通道中的流体流动(如分子动力学模拟、粒子耗散动力学模型、玻尔兹曼模型、连续介质-非连续介质混合模型等)，不能胜任实际的较长纳米通道中的流体流动分析，且计算时间长，计算机内存消耗巨大，对于实际的纳米流体管路设计显得无能为力，或者分析误差大，不能正确反映纳米通道中流体的流动规律，实际上对纳米流体管路设计也失去作用(如修正的连续介质模型)。当前，还没有人提出纳米流体通道和纳米流体管路的系统设计思路和设计方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种纳米流体管路设计方法，解决现有工程中纳米流体通道和纳米流体管路设计的困难问题，为工程中纳米流体通道和纳米流体管路设计和分析提供有效便捷的方法。本专利技术的技术解决方案是：一种纳米流体管路设计方法，将纳米流体管路中一个元件的流动阻力if定义成：其中，Δp是这个元件上的压力降，qm是通过这个元件的质量流量。纳米流体管路中一个元件包括一段纳米流体通道、纳米泵、纳米阀、纳米通道开关、纳米流体二极管、纳米流体三极管。进一步地，将一段纳米流体通道看成是一个流动阻力，一段纳米流体通道的流动阻力如图1(a)和图1(b)。图1(a)中的这段纳米流体通道就等效于图1(b)中的流动阻力if，图1(b)中的流动阻力if由式(1)定义，在纳米流体管路图中就用图1(b)中的流动阻力if表示图1(a)中的这段纳米流体通道。进一步地，将一条纳米流体通道看成是由若干个流动阻力串联而成，如图2(a)和图2(b)。图2(a)中，一条纳米流体通道被分成3段，截出的第一段、第二段和第三段纳米流体通道的流动阻力分别是if1、if2和if3，将图2(a)中的这一整条纳米流体通道看成是由流动阻力if1、if2和if3串联而成(如图2(b))，在纳米流体管路图中，图2(b)等效于图2(a)表示的这条纳米流体通道。进一步地，将几条纳米流体通道的串联看成是几个流动阻力的串联，如图3(a)和图3(b)。图3(a)中，3条直的不同直径的圆柱形纳米流体通道串联成了一整条纳米流体通道，从左到右这3条纳米流体通道的流动阻力分别是if4、if5和if6，在纳米流体管路图中，将图3(a)中的这一整条纳米流体通道看成是由流动阻力if4、if5和if6串联而成，如图3(b)。将几条纳米流体通道的并联看成是几个流动阻力的并联，将串联的几个流动阻力等效成一个流动阻力，将并联的几个流动阻力等效成一个流动阻力，如图4(a)和图4(b)和图5(a)和图5(b)。图4(a)中，两个流动阻力if1和if2串联在一起；图4(a)中的两个串联的流动阻力if1和if2等效于图4(b)中的一个流动阻力if，s，此处if，s＝if1+if2。图5(a)中，两个流动阻力if7和if8并联在一起；图5(a)中的两个并联的流动阻力if7和if8等效于图5(b)中的一个流动阻力if，p，此处按照图4(a)和图4(b)，图6(a)、图6(b)和图6(c)中的3条纳米流体通道在纳米流体管路中是等效的，具有相同的流动阻力。进一步地，将纳米泵、纳米阀、纳米通道开关、纳米流体二极管、纳米流体三极管这些纳米流体管路中的元件分别看成是流动阻力，这些元件的流动阻力的定义式为式(1)。进一步地，在流动阻力基础上，提供了纳米流体管路中流体流量、元器件上压力降和功率损耗的计算方法；纳米流体管路中一个元件上的功率损耗pow为：pow＝Δp·qv(2)其中，Δp是这个元件上的压力降，qv是通过这个元件的流体的体积流量；或：其中，Δp是这个元件上的压力降，if是这个元件的流动阻力，是流体在这个元件中的平均密度，qv是通过这个元件的流体的体积流量。本专利技术的有益效果是：纳米流体管路中流体的流动比传统宏观尺寸管路中流体流动复杂得多，目前纳米流体管路中流体的流动研究主要依赖实验，由于尺度处于纳米量级，这种实验属于超精密实验，其自身也处于较大难度，而纳米流体管路中流体流动的理论分析研究目前仅限于极短(管路长度为纳米量级)的管路，且计算时间长，计算机内存消耗大，不能适用于纳米流体管路的性能分析和设计，当前缺乏纳米流体管路性能分析和设计的思路和方法，本专利技术则提供了一种纳米流体管路性能分析和设计的合理思路，提供了纳米流体管路的一种简单、快捷、方便和有效的性能分析和设计方法。本专利技术适用于纳米流体管路的工程设计，为工程中纳米流体管路的性能分析和设计提供了有效手段。附图说明图1(a)一段圆柱形纳米流体通道图，这段通道内径和长度分别为R和l。图1(b)用流动阻力if表示图1(a)中的这段纳米流体通道的纳米流体管路图。图2(a)一条纳米流体通道被分成3段的图，这3段对应的流动阻力分别是if1、if2和if3。图2(b)将图2(a)中的这一整条纳米流体通道看成是由流动阻力if1、if2和if3串联而成的纳米流体管路图。图3(a)3条直的不同直径的圆柱形纳米流体通道串联成一整条纳米流体通道图，从左到右这3条纳米流体通道的流动阻力分别是if4、if5和if6。图3(b)将图3(a)中的这一整条纳米流体本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米流体管路设计方法，其特征在于：将纳米流体管路中一个元件的流动阻力if定义成：

【技术特征摘要】
1.一种纳米流体管路设计方法，其特征在于：将纳米流体管路中一个元件的流动阻力if定义成：其中，Δp是这个元件上的压力降，qm是通过这个元件的质量流量；将串联的几个流动阻力等效成一个流动阻力，将并联的几个流动阻力等效成一个流动阻力；这里，纳米流体管路指管道横截面尺寸为纳米量级的流体管路。2.如权利要求1所述的一种纳米流体管路设计方法，其特征在于：纳米流体管路中一个元件包括一段纳米流体通道、纳米泵、纳米阀、纳米通道开关、纳米流体二极管、纳米流体三极管；...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永斌，袁虹娣，
申请(专利权)人：袁虹娣，
类型：发明
国别省市：湖北,42