旋转状态下方形通道内部流场特性热线实验

为了解决旋转条件下热线技术应用问题并且在此基础上精确测量旋转方形通道内部流场特性,搭建了用于旋转通道流场测试实验平台,采用了两种连线方式对热线进行了标定实验,获得了热线测量旋转通道内部平均速度的相对误差为±6%,对雷诺数和旋转数范围分别是5000~10000和0~0.222的旋转通道流场进行了测量,结果表明:旋转导致速度型整体向后缘面（Y/D=-0.5）偏转,X/D和旋转数越大,速度型偏转越明显;旋转数为0.222时,后缘面附近边界层速度型出现了一个拐点,可能与由哥氏力不稳定性引起的二次流有关.      

微通道内亲疏水壁面特性对入口段长度的影响

针对水力直径为200 μm的微尺度通道,采用数值模拟的方法研究了壁面亲疏水特性产生的速度滑移对微尺度通道入口段长度的影响,建立了包含滑移长度影响的入口段长度修正计算公式。研究表明:相同流量下,速度滑移的存在使得微尺度通道充分发展段的最大速度减小,从而缩短了入口段长度,且在低雷诺数区域,入口段的缩短效应更为显著。针对不同的雷诺数区域分别进行无量纲入口段长度计算公式的拟合,得到拟合系数随滑移长度的变化规律与对应关系,从而建立了滑移长度对入口段长度的修正计算方法和准则关系式,利用修正公式计算的结果与数值模拟结果相比,最大误差为3.7%。     

涡轮动叶吸力面气膜冷却径向差异对比

数值仿真研究了不同吹风比和旋转雷诺数条件下涡轮叶片吸力面不同叶高位置处气膜冷却效率分布的差异。研究涉及5个直径为0.8 mm的圆柱孔,气膜孔处于涡轮叶片吸力面17.8%流向位置处,并分别处于10%、30%、50%、70%和90%叶高位置处。研究在400、600 r/min和800 r/min转速下进行,分别对应旋转雷诺数357 000、536 000和715 000。研究涉及5个吹风比：0.50、0.75、1.00、1.25和1.50。研究结果表明：靠近叶根处的气膜受叶根通道涡影响明显向叶顶方向偏转。不同叶高位置处的气膜冷却效率分布存在明显差异。旋转给冷却射流带来附加离心力和哥氏力的作用,使得吹风比和旋转雷诺数的增加对不同叶高位置的气膜尾迹偏转产生不同影响。旋转雷诺数对不同叶高位置的气膜冷却影响存在差异。     

毫米级空气轴承的结构与MEMS制造工艺研究

为了研究应用于微型推进系统的微型空气轴承(Micro Air Bearing,MAB)的结构形式及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)制造工艺,在保证性能需求的前提下,充分考虑轴承结构与MEMS工艺尤其是多层硅直接键合技术(Silicon Direct Bonding,SDB)的兼容性,提出了总厚度为1.5mm的新型结构形式并制定了完整的制造工艺流程;针对微型空气轴承制造的3B(Bearing,Blade,Bonding)挑战,采用变量实验的方法,研究了刻蚀参数对于轴承结构精度的影响规律,轴承侧壁垂直度达到89°,侧壁粗糙度小于10nm,消除了腐蚀扩散等常见的MEMS工艺缺陷,提高了叶片结构的完整性和均匀性,获得了多层硅直接键合的最优工艺参数,通过MATLAB图像处理程序定量分析三层直接键合率达到85%,优于之前报道的结果。研究结果说明,MEMS制造工艺能够用于微型空气轴承的制造,但在结构设计中必须考虑工艺兼容性,刻蚀的偏压功率和腔体压力对于径向轴承的侧壁垂直度和粗糙度具有重要影响,在刻蚀叶片时必须调整刻蚀保护循环比来保证其结构的完整性和均匀性,减少键合层数和应力累积水平对于多层硅直接键合率的提升具有重要作用。     

宽高比对微小通道空气流动换热特性影响实验

针对不同宽高比微小矩形通道内流动和换热特性进行了实验研究.微小矩形通道宽0.4mm,宽高比分别为2/5、1/2、2/3和1.实验以空气作为工质.流动雷诺数Re范围是200~1600.实验结果表明:宽高比对微小矩形通道流动换热特性的影响不可忽略.微小矩形通道摩擦因子随着Re增大而减小,泊肃叶数Po随着Re增大而增大,二者随着宽高比增大同时减小;努塞尔数Nu随着Re增大而增大,随着宽高比增大而减小.针对宽高比对微小矩形通道流动换热特性的影响拟合了相应经验关系式.      

旋转对弯扭涡轮叶片前缘气膜冷却的影响

基于热色液晶(TLC)测温技术,开展了转速(攻角)和吹风比对弯扭涡轮叶片前缘区域气膜冷却效率分布影响的实验研究。实验中涡轮转速分别为400 r/min(正攻角)、550 r/min(零攻角)和700 r/min(负攻角),平均吹风比为0.5~1.25。冷却工质采用氮气,对应的射流-主流密度比为1.04。基于涡轮动叶弦长的涡轮出口主流雷诺数为60 800。实验结果表明:转速是决定涡轮叶片前缘气膜冷却效率分布最重要的参数之一。随着转速的增大,滞止线的位置会从压力侧(PS)移动到吸力侧(SS)。当吹风比相同时,面平均气膜冷却效率随转速的增大而逐渐增大；当转速相同时,面平均气膜冷却效率随吹风比的增大而增大。      

压力对超临界碳氢燃料换热恶化影响的数值研究

为了研究竖直管道内压力对超临界碳氢燃料换热恶化的影响,采用数值模拟的方法,选择RP-3的四组分替代模型和LS低雷诺数湍流模型,分别从浮升力和物性的角度深入分析压力作用机理,并对比了直径2mm与10mm管道内压力的作用效果。各工况下计算结果与实验数据基本吻合,证实了计算方法的准确性。数值模拟结果表明:不考虑裂解结焦的情况下,系统压力超过5MPa后,碳氢燃料物性随温度变化趋于平缓,密度及比热容在管内不均匀性得到改善,同时壁面附近比热容平均值增大,使得管内换热恶化得到有效缓解;而在直径10mm管道内,热流从壁面到主流区传播减慢,管壁与管道轴心处流体温差最大可达300K,物性不均匀现象加剧,增大压力对换热恶化的缓解效果被削弱。     

从双层到多层带有微结构的硅硅直接键合技术研究

通过理论分析和实验验证对多层带有微结构的硅硅直接键合技术进行了研究.采用的硅片表面活化处理方法是亲水湿法,采用的键合工艺流程是先将硅片在键合机中进行预键合,再使用退火炉进行高温退火.其中预键合参数对多层键合成功与否起到决定性的作用,为节约实验时间,针对3个主要预键合参数（温度、压力、时间）的选取进行了详细的正交实验分析.使用项目组自制的硅硅键合分析软件对键合片的红外图像进行处理分析,计算键合率.采用实验得到的最佳预键合工艺参数,多层键合的键合率达到了86.6527%.      

竖直圆管内超临界碳氢燃料换热恶化的直径效应

利用Fluent对超临界压力下直径对碳氢燃料换热恶化的影响进行数值研究,湍流模化采用Launder-Sharma（LS）低雷诺数模型,物性采用广义对应态法则对RP-3替代燃料计算。计算条件：系统压力为3 MPa,进口温度为573 K,热流密度为500 kW/m²,质量流量为0.001 5和0.003 0 kg/s,直径范围为1~10 mm。正常换热条件下的计算壁温和实验结果基本吻合,证明了计算方法的准确度。结果表明：强制对流下小质量流量时直径越大,换热恶化程度更高且更提前发生,换热恶化是由定压比热容处于极大值后的急剧下降区导致的,大质量流量时直径与壁温成正比,无换热恶化发生;浮升力效应仅在小质量流量下起作用,随着直径增大而加强,给出RP-3流动换热时浮升力起作用的判据和不同直径下换热恶化的边界。     

倾斜圆管内超临界RP-3流动换热特性数值研究

采用数值模拟方法对倾斜圆管内超临界RP-3的流动换热特性进行研究,以获得倾斜角度对流动换热的影响规律及作用机理。物性参数由RP-3的四组分替代模型获得,湍流模型选择LS低雷诺数k-ε模型,通过计算结果与实验数据的对比保证计算方法的准确性。分析倾角为45°的圆管内壁温轴向及周向分布变化规律,发现浮升力引起的截面内二次流与热加速效应分别导致两次壁温峰值的出现,而质量流量由0.3g/s增加至0.9g/s过程中,浮升力作用效果减弱,湍流强度增大,两次峰值先后消失;在垂直流向与沿流向浮升力综合作用下,-90°~90°不同倾角管内表现出不同换热规律。