热敏式壁面剪应力微传感器技术研究进展

基于MEMS技术的热敏式微传感器为壁面剪应力的测量提供了重要手段。本文介绍了国内外热敏式壁面剪应力微传感器技术的研究发展现状，重点从硅基和柔性聚合物基2种结构角度，对其工作原理以及不同热敏式微传感器的结构、关键工艺和性能测试进行了分析。     

高速流中壁面剪应力某些测量方法

本文综述了高速流中壁面剪应力的三种测量方法——普雷斯顿管法,底层隔板法和表面热膜法。着重讨论压缩性影响。作者还用 White-christoph 壁面律,导出计及压缩性,压力梯度和壁面热传导影响的普雷斯顿管理论校准公式,又从二维可压缩边界层的能量积分关系导出了表面热膜测量所需的壁面剪应力和压力梯度、压缩性及壁面热传导率的关系式。     

底层隔板法流体壁面剪切力的测量研究

针对流体壁面剪切力测量难度较大的问题,研制了一种流体壁面剪切力测量元件的底层隔板法,并采用理论推导、数值计算和实验相结合的方法对其性能进行研究.通过公式推导,分析了元件用于流体壁面剪切力测量的原理,找出壁面剪切力和隔板前后压力差的函数关系.实验结果表明:元件隔板前后差压与测得的流体剪切力的幂次方成正比.数值计算结果表明:测量元件的敏感尺寸是迎风薄片高度,高度越大,校准曲线斜率越小,幂次系数越小,而正比例系数越大.对底层隔板法壁面剪切力系数特性的研究,为探索其免标定应用方法奠定了基础.     

MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测

MEMS热膜式壁面剪应力传感器的输出信号是带有基础电压的微弱电压信号，无法通过放大器直接放大的方法实现高精度测量。文章提出在输出信号放大前增加信号平衡环节，在保留有效信号的前提下减小基础电压，再通过放大的方法实现其高精度测量，有效解决了MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测的难题。文章介绍了MEMS热膜式壁面剪应力传感器微弱信号检测的技术方案、关键技术、测试检验及试验应用实例。     

水下平板壁面剪应力MEMS测量研究进展

围绕水下平板壁面剪应力测量进行了一系列的试验测试研究工作，包括MEMS壁面剪应力传感器标定、平板模型设计、微弱信号测量系统开发、平板边界层参数估计与CFD仿真分析以及近壁面速度剖面LDV测量等。对于速度为0.2~0.7m/s的来流，基于MEMS传感器阵列对水下壁面剪应力进行了测量，同时使用LDV进行速度剖面测量，并通过对速度剖面的拟合求解出平均壁面剪应力值。通过比较可知，MEMS测量结果、LDV速度剖面法拟合结果和经验公式计算结果三者一致性较好，相互之间差别在5%以内。     

壁面剪应力标定方法研究综述

流体壁面剪应力的标定是实现该类传感器测量的前提。本文介绍了目前主要的3种壁面剪应力静态标定方法和2种动态标定方法，研究了剪应力基准发生原理、标定装置组成及适用范围。归纳总结了各类标定方法的优势与缺点，为壁面剪应力传感器标定方法的合理选择提供参考。     

水下MEMS壁面剪应力传感器标定不确定度分析研究

针对MEMS壁面剪应力传感器进行了标定及其不确定度分析工作。标定基于压力梯度法，使用扁平校验水槽作为主要的试验装置。测量不同壁面剪应力下的MEMS输出电压信号，通过最小二乘拟合可获得标定系数。反复进行壁面剪应力及电压测量，同时查找相关产品说明书获得壁面剪应力及标定系数的不确定度。试验结果表明，剪应力测量的相对扩展不确定度小于7%，且外流速度越大，剪应力测量的不确定度越小，因此扁平校验水槽能够提供较高精度的剪应力输入；电压测量的相对扩展不确定度小于7%，且外流速度越大，电压测量的不确定度越小，因此传感器能够可靠地用于流体壁面剪应力的测量；标定曲线具有合理的形态且拟合相关性较高，因此标定公式具有较好的可靠性。     

水下壁面剪应力传感器温控标定装置研究

新型壁面剪应力传感器的出现为河口海岸工程中水下壁面剪应力的准确测量提供了新的方式。热式壁面剪应力传感器受环境温度影响显著，相关传感器的研究与应用需要准确的标定。本文基于宽扁管道内壁面切应力与沿程压力梯度的关系，研发了一种具有温控功能的水下壁面剪应力传感器静态标定装置，可实现不同水温条件下的壁面剪应力输出。该标定装置可提供的最大水温在35℃。最后通过对MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在不同水温条件下的静态标定实验，确定了不同水温条件下传感器的标定系数，结果表明标定系数B与水温呈线性相关。     

热膜式剪应力传感器在破碎波作用下的应用初探

破波区床面剪应力的正确认知对于揭示海岸泥沙输运以及地貌演变的机理具有重要意义。波浪破碎以后带来的紊动和涡旋会对床面剪应力产生显著的影响。采用MEMS柔性热膜式壁面剪应力传感器在波浪水槽中开展了破碎波作用下的床面剪应力测量应用测试。实验结果表明该壁面剪应力传感器可以应用于破碎波作用下的床面剪应力测量。在破波点之前可以根据近底流速辅助该传感器判断床面剪应力的方向。床面剪应力在波浪破碎之前变化较为平缓，在波浪破碎之后床面剪应力的波动和极值都会增大。斜坡上沿程最大床面剪应力均值的极值出现于卷破水舌入射点之后。     

MEMS 壁面剪应力传感器阵列水下标定实验研究

壁面剪应力的精确测量对于研究水下物体边界层流动、寻求有效的减阻增效措施至关重要。MEMS 壁面剪应力传感器的标定首先是最基本的静态标定,其决定了其测量的精度和数据的可信度。本文在分析已有标定方法的基础上研发1种新型水下壁面剪应力给定装置,并采用数值方法计算分析不同流速下的壁面剪应力给定条件,进而设计壁面剪应力传感器静态标定方案,开展了一种 MEMS 热膜式壁面剪应力传感器阵列的水下静态标定实验,获得了各传感单元的标定系数。     

用热线测量近壁区的流速分布

对近壁流动或称粘性次层流动的研究有着十分重要的意义［１］，因为许多重大难题如：湍流边界层的结构、固体表面与流体之间的传质传热、人工减阻的机理等问题均与其密切相关。本文着重叙述用热线风速仪测量极近因壁区的流速分布及存在的问题，并进行讨论。     

沟槽面对湍流边界层流动特征影响的实验研究

利用二维激光多普勒测速仪对零压力梯度下光滑面和小尺度沟槽面的沟槽及峰上部区域中湍流边界层流场进行了对比测量。笔者着重考察了在相同流动条件下两位置的平均速度、流向速度脉动强度、高阶矩以及雷诺剪应力的分布特性。实验中发现:沟槽能够增加粘性底层的厚度,减小壁面剪切力,有减阻效应。而此处的流向速度脉动的强度、高阶矩以及雷诺剪应力在距离壁面的不同区域中均有减小或降低,说明沟槽具有削弱湍流湍动的功能;而峰上部的湍流统计平均量则表现出与槽相反的结果或趋势。还讨论了该沟槽面减阻的原因。     

“大涡破碎”的紊流减阻实验研究

本文对当今国外曾提出的紊流表面摩擦减阻新概念——“大涡破碎”(LEBU)进行了初步的风洞实验探索。将具有对称流线型剖面的二元小肋,沿垂直于气流的方向安置在平板表面的紊流附面层内某一高度处,收到了不同程度的减阻效果。实验中分别考察了小肋的安置位置L,安置高度H,迎角θ及相对厚度b等参数对减阻效果的不同影响。从紊流附面层涡结构的观点出发,提出紊流的“细化”作用是小肋对平扳减阻的根本原因,并认为改善紊流附面层的速度型是研究紊流减阻的一种手段。实验使用自制的高灵敏度摩擦天平,测得的减阻效果与Ludwieg—Tillman公式的计算结果基本一致。     

平板边界层参数水槽测量与仿真分析研究

利用LDV测试技术，在小型水槽中对零压力梯度的光滑平板边界层进行了平均速度剖面测量。利用测得的速度数据进行从壁面到对数律层尾区全壁面律的拟合求解获得壁面摩擦速度和其他边界层流动参数。在实验测量之外还开展了平板绕流CFD仿真分析，并将实验结果、仿真计算结果和平板经验公式计算结果进行比较。结果表明，基于LDV的全壁面律拟合求解平板表面边界层流动参数具有较高精度，结合仿真分析，可为利用平板开展水中MEMS壁面剪应力传感器标定提供理想的输入。     

湍流边界层外区超大尺度相干结构相位平均波形

用IFA300恒温式热线风速仪和X形二分量热线探针精细测量了风洞中平板湍流边界层不同法向位置的瞬时流向、法向速度分量的时间序列信号。通过对不同速度分量进行子波变换，得到了近壁区和外边界区流向和法向脉动速度分量的分尺度湍动能随尺度的分布，在外边界区发现流向脉动速度和法向脉动速度的能量最大尺度随法向坐标远离壁面增大，相干结构的平均猝发周期也相应增加，说明在外区存在超大尺度的相干结构。采用条件采样和相位平均技术，提取了近壁区和外边界区能量最大尺度相干结构流向及法向速度的喷射和扫掠的条件相位平均波形，发现流向和法向脉动速度及雷诺应力喷射和扫掠事件的条件相位波形较近壁区都发生了改变。雷诺应力负的幅值显著降低，雷诺应力表现为正负交替的波动现象。     

变湍流度时翼型边界层及近场尾流的法向湍流特性初步试验研究

简述了湍流度对边界层及近场尾流时均特性和边界层转捩位置的影响，讨论了流向和法向湍流特性分布规律，并着重分析了湍流度对法向湍流特性的影响。结果表明，法向湍流强度及雷诺正应力沿流向分段性更为明显，且法向与流向湍流参量之比的特征值有一定规律性。     

湍流边界层近壁区马蹄涡拟序结构的数值模拟与分析

采用大涡模拟对低雷诺数槽道湍流进行了数值模拟,进口边界条件采用了给定扰动波方法,经过短过渡段得到完全发展湍流.计算中采用了动态亚格子模型和预处理技术,进口采用的动量厚度雷诺数是670.大涡模拟对计算得到的平均速度剖面以及脉动分量与DNS解进行对比,验证了计算结果的可靠性.计算结果显示了湍流场中马蹄涡的形成及演化过程,其中包括形成单腿马蹄涡和形成对称涡腿的马蹄涡,同时发现流场中存在由亚谐波引起的拟序结构的交错现象,并在此基础上分析了湍流边界层近壁区马蹄涡结构的演化.     

逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响

本文对有逆压力梯度下的自由流湍流度对湍流边界层特性的影响做了较为仔细的测量,做了边界层内平均速度分布、壁面摩擦系数、压力梯度、边界层内三个方向脉动速度以及脉动总压的测量。试验结果指出:自由流湍流度的增加可大大削弱逆压力梯度对湍流边界层的不利影响,可使边界层速度分布饱满,尾迹强度减弱,从而延迟边界层分离。试验还首次得出自由流湍流度的增加可使边界层内的速度脉动和压力脉动分布均匀以及流动趋于稳定,因而可同时改善扩压器出口的静、动态特性。     

超声速流中激波/湍流附面层干扰数值模拟

采用修正的B／L湍流模型以及多块结构化网格求解了二维N-S方程。分别对超声速流和高超声速流中的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。本文首先研究了进口马赫数为2．96的超声速流。计算结果准确预测了入射斜激波在平直壁面引起湍流附面层分离的流动特征：分离点的反射激波、分离包引起的膨胀扇以及再附点的反射激波。计算的壁面压力分布与实验值吻合较好，计算的分离区长度与实验值比较有一定误差。本文还对进口马赫数为9．22的高超声速流中压缩角引起的激波／湍流附面层干扰进行了数值研究。计算结果与实验结果吻合较好。     

高超声速圆锥边界层转捩纹影显示

为发展高超声速边界层转捩的试验研究手段，在中国空气动力研究与发展中心（CARDC）超高速空气动力研究所的FD-14激波风洞上开展了基于纹影显示技术的边界层转捩特性研究。试验模型为半锥角为7°的钝锥，头部钝度R_n有2.0和0.5mm两种。试验的名义马赫数为8和10，单位雷诺数变化范围为1.6×107~4.4×107m-1，高速相机的拍摄帧频20kHz。纹影显示捕捉到了第二模态不稳定波和湍流斑的空间结构。对纹影图像的灰度分布进行了功率谱密度（PSD）分析，结果表明第二模态波长约为边界层厚度的2倍。对纹影图像序列的分析表明，湍流斑波前传播速度大于波尾，并且略大于边界层外缘速度。