微流體力學和宏觀流體力學的不同是什麼？

01-03

微流體力學和宏觀流體力學在數值模擬上的差別有哪些？微液體和微氣體又有哪些不同？

我也博士剛進入這個領域，所以了解也不是很多。

氣體不同點可能更加明顯一些，由於流體特徵尺度小，努森數（流體分子自由程與流體特徵尺度的比值）將變大，使得微尺度下氣體存在與稀薄氣體相同的特性，此時傳統的NS方程已經失效，需要使用統一氣體理論的方程。

對於液體來說，NS方程應該大體滿足的，但是由於雷諾數非常小（尺度小），所以粘性作用會非常強，因此，一般做微流體的不會關注湍流的問題，但是尺度問題會導致一些比較獨特現象，比如我目前的研究顯示一些粘性比較低的液體在極小尺度下體現出來大尺度高粘度流體的特徵（當然目前也不能確定對不對）。另外表面張力也很難假設成常數了，會存在梯度。同時對大尺度來說的光滑固體壁面在微流體中也未必成立（疏水親水等等），所以微流體的接觸線問題現在還是熱門之一吧，同時，流體邊界層規律也有所不同，有努森層。加上蒸發，浸潤，多孔介質等等複雜問題，微流體還有許多的問題亟待解決。

計算方法上也有很多不同，現在統一氣體理論模型的計算方法就很火（每年有好多JCP），此外基於分子碰撞的方法也是研究微流體的有效手段，比如MD, DSMC等等。

微流體作為流體力學相對比較新的方向，未來應該是學術圈的一個重要方向，目前每年各種文章就很多，包括有時候也會出現一些nature，science這樣的文章，當然作者可能是物理學出生的。但是未來是否能真正為工業帶來新的革命（很多研究人員的暢想），尚不太清楚（工科生角度）

第一幅圖的來源寫錯了，向原作者Nam-Trung Nguyen和Steven T. Wereley表示歉意

-----------------------------------------以下為原回答-------------------------------------------------

推薦自己最近看的兩篇文章，是兩位學者在這個問題上的看法：

[1] H. Herwig, O. Hausner. Critical view on "new results in micro-fluid mechanics". International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003,46:935-937.

[2] Mohamed Gad-el-Hak. Comments on 「critical view on new results in micro-fluid mechanics」, International Journal of Heat and Mass Transfer, 2003,46:3941-3945.

就我從這兩篇文章中所學到的來說，微觀尺度下最為直接的應該是各種物理量如速度，長度，面積體積比等量值的差異，進而引起各種物理作用的差異（如樓上幾位所說的流體粘性主導、層流為主、表面張力作用顯著等），這些物理作用的差異在模型上表現為宏觀和微觀上各種無量綱數的差異以及控制方程的不同等方面。文獻[1]中採用量綱分析的手段把物理量以及無量綱數的差異描繪的較為清晰，文獻[2]則從更為一般的角度來分析宏觀中所採用的NS模型的有效性：牛頓力學框架下，連續體假設，熱動平衡假設或准熱動平衡假設。只要這三個條件同時成立，無論宏觀還是微觀，傳統的NS方程都是可以使用的，可能需要根據實際工況對邊界上的速度、溫度等條件進行修改。

宏觀和微觀尺度下應採用的模型有兩個關鍵要素，一是熱動平衡假設或者准熱動平衡假設是否成立（Kn與0.1的相對大小），這決定了應力與剪切率間的關係是否為線性，二是能否超過極限體積，或者說是流體質點假設能否成立，或者說是連續模型是否成立（特徵尺度和分子間距的關係，或者說是否包含足夠多的分子），這決定了是否能用連續體理論進行分析。題主大部分的問題可以用文獻[2]中的這幅圖來表示：

（Nam-Trung Nguyen, et al, 2006）

文獻[2]的最後也簡述了傳統NS方程失效後，對氣體和流體分別應該採用何種數值模擬方法，由於具體方法的理解不深，以下只附上圖，感興趣的請參考文獻[2]及其他相關文獻。

（M. Gad-el-Hak, 1999）

以上是我將文獻[1][2]的內容進行整理得到的，並非原創，詳請參閱原文獻。至於微氣體和微液體的差異，我個人的理解是它們分子間相互作用的方式（或者說動量交換的方式）不同，氣體間的主要作用形式是分子碰撞，其分子間距的變化範圍很大，且稀薄氣體存在完備的統計理論進行描述（氣體動理論），克努森數和分子平均自由程等均有定義，而液體中分子間主要靠電磁力（分子間作用力），分子間距的變化範圍較小，缺乏完備的統計理論描述，克努森數等未有合適定義，這些差異在部分情況下決定了各自的適用模型。由於學識有限，更為具體的內容恕我難以提供。

我所理解的至少有以下幾個方面的不同。

第一,由於流體分子與固體邊界的相互作用變得越來越重要,在小尺度空間內流體的物性與在大空間內可以有很大不同,比如zcx-cfd提到流體粘性增大就應該是由於小尺度下固體邊界對流體分子的吸附起了主導作用,其它影響包括流體的相平衡,表面張力以及密度隨距邊界距離變化等等。

第二,不管是氣體還是液體,納米尺度下NS方程都已經失效了,只能用分子動力學來模擬,但是在大尺度下成立的無滑移邊界沒有理由因為通道尺度變小而失效(見下面第三點),另外由於分子間距小液體運移應該還是以對流為主。

第三,氣體尤其是稀薄氣體在小尺度下的怒森數變大(不是zcx-cfd所說的變小),極端情形下緊靠邊界的怒森層( 該層內流體分子間碰撞可以忽略)厚度相對變大,中間的對流層相對變薄甚至完全消失,導致氣體運移以分子擴散方式為主,也就是通常說的怒森擴散。zcx-cfd對無滑移邊界與怒森層之間關係的理解是錯的,其實也不能怪他因為很多文獻中就是這麼說的,事實上怒森層的存在並不意味著流體分子與固體邊界之間有相對滑移,與此正相反,怒森一百年前就是假定無滑移邊界(TMAC值為1)進而導出怒森擴散的,而且這一點其實Maxwell比怒森還早幾十年就已經解釋得很清楚了。

可以看看這篇綜述，nanofluidics, from bulk to interface, 寫的很清楚，我自己見過Elisabeth Charlaix，還有點水平，據說是從最早de Gennes傳承下來的課題組。

微流體的規模（scale）一般小於1mm.在這個尺度下，微流體表現出了兩個極為顯著且極其重要的特徵，而且尺度越小，此兩特徵越明顯。

1、粘滯力（viscous force）佔主導

與宏觀流體的慣性力佔主導不同，在微尺度下，粘滯力超越慣性力佔主導地位。最明顯的特徵就是層流（laminar flow）。下圖是我實驗過程中拍攝的圖片。主流道寬度為500 μm（箭頭表示流體的流動方向）。可以看到，兩種流體從支流道流入主流道後並沒有混合，而是以層流的方式繼續前進，這就是粘滯力佔主導的直接體現。而在宏觀流體中，兩種溶液會很快混合。

從理論上來講：

雷諾數：Reynolds number (Re)=慣性力(inertial forces)/粘滯力(viscous forces)=ρdv/μ.

所以對於微流體，雷諾數變得很小。

2、超高的表體比（ratio of surface area to volume）

舉個例子，對於一個球體，其表體比為：

可見球的尺度越小（R越小），其表體比越大。所以微流體具有很高的表體比，納流體就更高了。

這兩個特徵帶來的直接影響就是對傳質（mass transfer）和傳熱（heat transfer）的影響。一方面粘滯力佔主導使得傳質變得困難（所以在微流體領域混合一直是一個熱點話題）；另一方面超高的表體比則使得傳熱變得容易。

參考資料：

[1] Whitesides G M. The origins and the future of microfluidics[J]. Nature, 2006, 442(7101): 368-373.

機理上來說，微流體的雷諾數很小，所以慣性項忽略不計，非線性的N-S 方程簡化為線性的Stokes方程。純流體而言，相比於大尺度，微尺度的模擬要相對簡化一些。但為了實現微流體的控制，一般又需要施加外場，如電場，磁場，聲場等等，所以又會涉及到多物理場的問題，其實也挺複雜的。至於微氣體的話不太了解了，相對於微液體，主要的區別應該是連續性，滑移邊界問題吧。當然，在納米尺度下，液體會有不連續性問題和滑移邊界問題。

微尺度下雷諾數降低流體的黏性力相對慣性力更加顯著流體之間傾向於層流物質交換以擴散為主會有一些與宏觀不太一樣的現象和應用基本的流體力學方程應該是滿足的但是涉及到具體的問題可能有具體的邊界條件

液體和氣體的話界面張力什麼的應該相差很大吧

拋磚引玉有錯誤的地方求大牛指正~

微流動表面張力的影響比較顯著

這個問題超出我的能力啊，我不是學力學專業出身的，抱歉了