MEMS中气体运动的若干微尺度效应

宏观流动到微流动不单是"量"的变化,而且有"质"的不同[1].在微流动中,由于微尺度效应,主导流动的作用力发生变化,惯性力不再占主导地位;在宏观尺度流动中可以忽略的表面效应和壁面滑移等现象,开始凸现出来,这就导致了微流动中出现了与宏观流动不同的现象和规律.本文研究微流动问题中的若干微尺度效应:包括微喷管中气体流动的特性、微槽道中的稀薄气体效应和分子泵内的流动问题.这些研究对于设计和开发新的微机械机电设备是非常重要的.     

微纳米压痕测试技术:发展与应用

近年来,具有高精度、高通量的微纳米压痕测试技术,已被广泛应用于研究微/纳米尺度下材料力学性能演化规律和变形行为中。然而,在航空航天材料试验测试领域,令研究人员更感兴趣的往往是如何更好地揭示材料工程性能,更好地理解材料在服役环境下变形损伤机制。因此,接近材料真实服役环境（如高/低温、电/磁场）下的微纳米压痕测试系统更具应用潜力。首先对传统的微纳米压痕测试技术进行回顾总结,涉及测试系统的组成、经典分析理论方法及其面临的尺度/尺寸效应。然后,简要描述典型磁电弹性材料在力-电-热-磁多场耦合环境下接触力学行为的解析模型,并着重阐述面向材料实际服役环境下的压痕测试技术的典型应用,包括高/低温纳米压痕测试和电/磁场耦合条件下的纳米压痕测试应用。最后,讨论了目前发展所面临的主要问题和挑战,这对微纳米压痕测试技术的进一步发展和先进应用具有重要意义。     

有限长水翼在湍流中激振力响应函数研究

无论船舵还是机翼,激振力的产生都会严重地影响其噪声性能和使用寿命,因此深入研究湍流中激振力是很有必要的。针对有限长水翼在湍流中的非定常激振力问题,分别建立流动系数不同的两向波谱函数描述三维湍流场,并推导了有限长水翼的响应函数。将计算结果分别与实验值进行对比,发现与实验结果吻合较好。在此基础上分别在不同情况下对薄片理论的适用性进行了研究,发现水翼展长比较大时,可忽略展向波数的影响;而湍流尺度只在无因次频率κ较小时对薄片假设产生的误差有影响。对水翼升力系数和下洗速度的自相关性进行了研究,深入探究薄片假设产生误差的原因。结果表明:当无因次频率较小(1时),湍流尺度越大,薄片理论的误差越小;当无因次频率较大时(5时),湍流尺度的大小不能影响薄片理论的误差。随着水翼展长b增大,薄片理论的误差减小,该参数对薄片理论的影响不受其他条件影响。升力系数的相关性比下洗速度更强,而薄片假设忽略了升力和下洗速度分量w展向方向相关性的差异,这是薄片假设在大多数情况下不适用的原因。     

微纳制造技术的发展现状与发展趋势

微纳技术一般指微米、纳米级(0. 1-100nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的研究、加工、制造以及应用技术.在基础科研以及制造行业中,微纳制造技术的研究从其诞生之初就一直牢据行业的尖端位置. 那么,我国的微纳制造技术研究现状怎样?面临着哪些急需解决的问题?微纳制造技术属于高、精、尖技术研究,与普通百姓的生活有没有关联?微纳制造技术研究对于我国的国防科技工业有什么重大意义?     

基于非线性耦合本构关系的改进边界条件

非线性耦合本构关系（NCCR）模型是在Eu的广义流体动力学方程（GHE）基础上,通过绝热假设、Eu封闭和Myong简化推导出的关于非守恒量（黏性应力与热流）的非线性代数方程,有效拓展了线性的纳维-斯托克斯-傅里叶（NSF）本构模型在非平衡流动中的模拟能力,为快速准确模拟连续与稀薄耦合流动问题提供了强有力的理论工具。针对该模型开展滑移边界条件研究,结合努森层内物理量非线性分布的特点,提出一套在物面处与模型精度相一致的非线性修正滑移边界条件。在有限体积框架下,采用AUSMPW⁺格式和LU-SGS方法以及NCCR的完整耦合求解算法,对不同稀薄程度的高超声速单原子氩气圆柱绕流和平板绕流问题进行数值模拟。研究结果表明,基于NCCR模型的修正边界条件准确刻画出物面努森层内流动的非线性特点,有效提高了固壁滑移边界的精度。采用非线性修正边界的NCCR模型准确预测了连续流、滑移流和过渡流域的物面压力、摩阻与热流系数。     

疏水微槽道内层流减阻的实验研究

研究了光滑和带有横向凹槽结构的疏水微槽道内层流的流动特性和表面滑移效应。在硅片上加工了矩形截面微槽道,利用十八烷基三氯硅烷（octadecyltrichlomsilane OTS）在槽道内壁形成疏水薄膜。实验结果表明在光滑疏水微槽道内的水流压降比无滑移条件下的理论值减少8％。对于侧壁带有凹槽结构的疏水微槽道,流动阻力可以降低10％～30％。笔者采用micro—PIV测量得到的壁面表观滑移速度约为槽道中心速度的8％,滑移长度约为2μm。实验结果与滑移壁面条件下三维槽道内层流的解析解吻合,同时得到了带有凹槽结构的疏水微槽道内的流速分布。     

微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型

通过理论分析结合数值模拟,开展了针对微尺度离心叶轮间隙泄漏流动堵塞模型的研究.结合微尺度旋转机械低雷诺数和高马赫数的工作条件,建立了考虑可压缩性和黏性损失的间隙泄漏流动堵塞模型.通过数值模拟分析了微尺度间隙泄漏流动特征及黏性在其中的作用,判定黏性作用对间隙泄漏流动的驱动作用不可忽略,黏性作用与压差作用对间隙泄漏流动的驱动作用效果相当.同时,黏性作用还会导致间隙泄漏流动的初始堵塞增大.采用某微尺度离心叶轮对间隙泄漏流动堵塞模型进行了验证,从数值计算结果中提取气动堵塞结果并与模型预测结果进行对比,表明改进的间隙泄漏流动堵塞模型能更准确地对间隙泄漏流动堵塞进行评估,在微尺度条件下具备更好的适用性.      

燃气自由射流的正格式数值模拟

采用二阶正格式方法对复杂燃气自由射流进行了数值模拟。将二维守恒方程的正格式方法发展到轴对称Euler方程组的求解,并对不同欠膨胀压力比下的燃气射流进行了数值计算。计算结果表明,该方法能够较好捕捉到波胞、滑移线、射流边界以及三波点等复杂射流流场波系结构,与实验照片反映的流动特征及高精度、高分辨率的三阶间断有限元方法的计算结果吻合较好,马赫盘位置与理论预估值和实验测量结果误差较小。证明该方法对激波具有较强的捕捉能力,为此类流动的数值研究提供了一种新手段。     

航空、航天类中文核心期刊《实验流体力学》征稿简则

1．《实验流体力学》（双月刊），是中国空气动力学会主办的综合性学术兼技术刊物。主要传递实验流体力学及其相关领域的新信息、新成果和新动态。主要的读者对象是：从事实验流体力学及相关学科的研究、设计、制造与应用的广大科技人员和院校师生。内容包括：进展述评；流体力学实验理论、实验研究及实验技术（包括气动力、热等参数测量，流动显示，测控技术，数据采集及处理技术）；计算流体力学的实验验证；工程估算等。     

航空、航天类中文核心期刊《实验流体力学》征稿简则

1．《实验流体力学》（双月刊），是中国空气动力学会主办的综合性学术兼技术刊物。主要传递实验流体力学及其相关领域的新信息、新成果和新动态。主要的读者对象是：从事实验流体力学及相关学科的研究、设计、制造与应用的广大科技人员和院校师生。内容包括：进展述评；流体力学实验理论、实验研究及实验技术（包括气动力、热等参数测量。流动显示。测控技术。数据采集及处理技术）；计算流体力学的实验验证；工程估算等。     

前体涡诱导双极限环摇滚流动特性的实验研究

通过摇滚/PIV/压力同步测量实验,对翼身组合体前体涡诱导的双极限环摇滚过程中流动特性及演化规律进行了系统的研究,并分析了前体涡诱导翼-身组合体双极限环摇滚的流动机理。实验结果表明,前体涡与机翼翼面流动的相互作用使模型在正负滚转相位处分别出现极限环摇滚运动;正负滚转相位过渡是模型运动惯性与气动力共同作用的结果。     

火箭燃气喷流的数值和实验研究

通过数值计算和实验,研究了２１和９火箭发动机燃气喷流流场。数值计算采用激波高分辨率、二阶精度ＴＶＤ格式,得到包括射流边界、桶形激波、反射激波、Ｍａｃｈ盘和滑移线的清晰的流谱。实验测试应用Ｆ－Ｐ激光干涉仪和自动测压系统,得到流场Ｆ－Ｐ干涉照片和压强分布。计算结果与实验结果符合较好     

A boundary surrogate model for micro/nano grooved surface structure applied in turbulence flow control over airfoil

The application of grooved surface structure is an emerging and effective means in turbulence flow control. However, for a realistic configuration, the global flow field described directly by simple application of massive grids makes it unfeasible to simulate. In this paper, a boundary surrogate model reproducing the effect of microscopic near-wall region is proposed to improve computational efficiency. The surrogate model trained with Lattice Boltzmann Method(LBM) considering the rarefied effec...     

高超声速复杂气动问题数值方法研究进展

高超声速流场具有复杂流动特征,其中真实气体效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等对气动力分析产生了重要影响。将流体力学研究扩展到分子动力学、电磁流体力学以及流固耦合等交叉学科领域,这给数值模拟方法带来了巨大挑战。针对高超声速气动力/热分析的热点问题,重点关注高温效应与低密度流动效应、磁流体干扰效应和力热结构耦合效应等,结合算例分析了相应的数值求解技术;在气动热方面主要比较了3类求解方法(纯工程方法、纯数值方法和基于Prandtl边界层理论的方法),并给出了相应算例;对于气动力/热/结构耦合问题,从耦合模型及耦合计算方法两方面开展了分析。最后指出了高超声速复杂气动问题数值求解技术未来需重点关注的几个方面。     

基于DVD光学读取头的测微力计

为满足微纳米三维接触扫描探头测力的需要,提出了一种基于DVD光学读取头的测微力计。该测微力计由固定及微调支座、L形铜条、平面反射镜、DVD光学读取头和阻尼装置五部分组成。当力作用在L形铜条上时,贴在铜条上的平面反射镜会产生微小位移,该微小位移由DVD光学读取头来感测;通过建立被测力与平面反射镜微位移之间的关系,从而实现微小力的测量。用该测微力计对一个微纳米三维接触扫描探头的测力过程进行了测量,测量结果与对该微纳米三维接触扫描探头的有限元分析结果一致。     

电磁力作用下微型管道中流体流动与混合的实验研究

设计了一种使微管道中导电液体得到混合的方案,利用电场和磁场耦合作用下产生的电磁力作用,使流体产生往复运动及流体界面的弯曲延伸,不同流体的接触面积大大增加,从而提高混合效率。在此基础上搭建了实验平台,利用Micro—PIV系统进行了详细的实验研究,得到了微管道中流体流动的速度场,并对不同电极排列方式下的流场进行分析比较。在实验基础上进行数值验证,并对不同工况下的混合效率进行了分析。结果表明：通过电磁力的扰动作用,确实能有效地提高微管道中流体的混合效率。     

一种基于动态补偿技术的微小稳态推力还原方法

新型微推力器是未来微纳卫星的生力军,其设计、研制和应用都离不开推力性能测量的工程支撑。在设计和研究阶段,新型微推力器稳态力输出时间与机械式直接测量系统稳态调整时间之间存在匹配问题,无法利用测量系统的稳态响应直接还原推力大小。提出一种基于动态补偿技术的稳态推力还原方法,通过分析稳态力工作时间、稳态力大小与测量系统稳态响应之间的关系,提出了动态补偿器的设计原则和推力还原步骤,并进行了实验验证。研究结果表明：当稳态推力实际工作时间大于测量系统周期的0.25倍,且小于测量系统稳态调整时间时,可利用动态补偿器设计原则建立新的等效测量系统,使最终的输出达到稳态,并利用最终的稳态响应均值还原推力大小。     

Radiation efects on MHD stagnation point flow of nano fluid towards a stretching surface with convective boundary condition

The aim of the present paper is to study the numerical solutions of the steady MHD two dimensional stagnation point flow of an incompressible nano fluid towards a stretching cylinder.The effects of radiation and convective boundary condition are also taken into account.The model used for the nanofluid incorporates the effects of Brownian motion and thermophoresis.The resulting nonlinear momentum,energy and nano particle equations are simplifed using similarity transformations.Numerical solutions have been obtained for the velocity,temperature and nanoparticle fraction profles.The influence of physical parameters on the velocity,temperature,nanoparticle fraction,rates of heat transfer and nanoparticle fraction are shown graphically.     

An experimental method for squealer tip flow field considering relative casing motion

Squealer tip is widely used in turbines to reduce tip leakage loss. In typical turbine environment, the squealer tip leakage flow is affected by multiple factors such as the relative casing motion and the wide range of variable incidence angles. The development of experimental methods which can accurately model the real turbine environment and influencing factors is of great significance to study the squealer tip leakage flow mechanism. In the present paper, a low-speed turbine cascade test facility which can model the relative casing motion and wide range of variable incidence angles (−25° to 55°) is built. Based on the similarity criteria, a high-low speed similarity transformation method of the turbine cascade is established by considering the thickness of the turbine blade. A combined testing method of Particle Image Velocimetry (PIV) and local pressure measurement is proposed to obtain the complex flow structures within the tip cavity. The results show that the experimental method can successfully model the relative casing motion and the wide range of variable incidence angles. The low-speed cascade obtained by the similarity transformation can model the high-speed flow accurately. The measurement technique developed can obtain the complex flow field and successfully capture the scraping vortex within the squealer tip.     

Method for utilizing PIV to investigate high curvature and acceleration boundary layer flows around the compressor blade leading edge

Particle Image Velocimetry (PIV) is a well-developed and contactless technique in experimental fluid mechanics, but the strong velocity gradient and streamline curvature near the wall substantially limits its accuracy improvement. This paper presents a data processing procedure combining conventional PIV and newly developed Mirror Interchange (MI) based Interface-PIV for the measurement of the boundary layer parameter development in the blade leading edge region. The synthetic particle images are used to analyze the measurement errors in the entire procedure. Overall, three types of errors, namely the errors caused by the Window Deformation Iterative Multigrid (WIDIM) algorithm, the discrete data interpolation and integration, and the wall offset uncertainty, comprise the main measurement error. Specifically, the errors due to the discrete data interpolation and integration and the WIDIM algorithm comprise the mean bias, which can be corrected through the error analysis method proposed in the present work. Meanwhile, the errors due to the WIDIM algorithm and the wall offset uncertainty contribute to the measurement uncertainty. Computational fluid dynamics-based synthetic particle flows were generated to verify the newly developed PIV data processing procedure and the corresponding error analysis method. Results showed that the data processing method could improve the accuracy of PIV measurements for boundary layer flows with high curvature and acceleration and even with significant flow separation bubbles. Finally, the data processing method is also applied in a PIV experiment to investigate the boundary layer flows around a compressor blade leading edge, and several credible boundary flow parameters were obtained.