微管道流体的流动特性

讨论微流体特性及其测量方法，并进行了微直圆管道内微流体运动特性的初步试验研究。开发一种适于微流体测量的施加和保持压力的方法。以去离子水和直径为１０－５０μｍ直圆管为对象进行一系列试验，并与用Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程式描述的微圆管道流体流动规律进行了比较。     

基于三维速度场构建的微流量测量方法研究

采用微流体粒子图像测速仪(microscale particle image velocimetry,micro-PIV)对200μm宽、60μm深的长直通道三维速度场进行了非接触定量可视化测量,并在此基础上计算了通道内的微流量。实验采用二维分层速度场测量方法,将通道沿物镜景深方向划分为11个流体层,通过高精度的位移平台实现流体跨层粒子图像采集。分别针对64×64像素和32×32像素2种判读域,采用micro-PIV系综相关算法对流体层二维速度场进行分析,获得三维全场速度分布,在此基础上利用截面速度离散积分原理计算出截面微流量。实验结果表明,基于微流体粒子图像测速仪的三维速度场分析能够实现对微通道流量的精确测量。对于64×64像素判读域,输入流量在2.481～5.788μL/min范围的测量结果精度较高,最大相对误差为3.87%;对于32×32像素判读域,输入流量在3.307～8.269μL/min范围内均有较高测量精度,最大相对误差为3.69%,表明采用32×32像素判读域的流量测量精度总体上优于64×64像素判读域。     

电驱动微流体粒子图像测试系统

为了研究微米量级管道机械特性对小雷诺数流体运动传质机理的影响,建立了电驱动微流体粒子图像测试系统,系统包括倒置荧光显微镜、致冷图像传感器、微流体驱动高压电源及微流场位移矢量识别算法.通过实验测试及理论分析给出了系统的关键技术参数;通过测量示踪粒子表面电荷特性,以消除粒子电泳运动对电驱动流体PIV方法产生的测量偏差;测量了水力直径为30μm微管道中电渗流场,测量结果与理论分析的塞状流型一致;分析了布朗运动、粒子电泳运动以及相关算法误差,对粒子图像测速方法不确定度的影响.     

驱动电压波形修圆对微流体脉冲惯性力和驱动效果的影响

介绍了微流体脉冲驱动-控制技术,分析了微流体脉冲驱动-控制过程,指出在这一过程中影响微流体流动的主要因素是微流道固壁加速度和流体内部的黏性力。采用"椭圆修圆法"对方波驱动电压进行修圆,针对修圆点的位置决定微流体的驱动方向,获得了不同修圆位置和修圆系数的驱动电压修圆波形。通过实验探索了波形修圆对微流道固壁运动加速度、微流体脉冲惯性力和流体驱动效果的影响规律并进行了机理分析。所得流体体积流量可在0～15.4pl/min连续变化,远小于现有的微流体驱动技术。本文的研究成果可为微流体脉冲驱动-控制技术在微流体系统中的进一步应用提供参考。     

流体微/纳流量测量方法的研究

微纳流量的测量是微纳液相色谱仪研发工作中的关键环节之一,本文利用热分布原理,建立了一种可以实时测量流量的微流量计法。由分流模式获得微纳流量流体,再采用传统测量方法得到实际输出流量,用以校正微流量计测量法的准确性。结果表明:微流量计法测得的数据准确且稳定性好,能够真实反映瞬时流量的变化,可测量μL/min~nL/min范围。该方法的建立,为微纳输液泵研制提供了有效的测试手段。     

Lamb波压差式微流量传感器

为提高微流体系统中的流量检测灵敏度,增大动态检测范围,实现温度补偿,提出了一种基于Lamb波的压差式微流量传感系统.该传感系统主要由两个Lamb波压力传感器和微通道组成,它利用Lamb波薄膜内应力的敏感特性,以频率计量的方式间接测量微通道两端的压力差;并采用双Lamb波压力传感器构成差动式测量结构进行温度补偿.对长20 mm,宽1 mm,高50 μm的微通道进行了流量测试实验,结果表明:在流量测试范围内,微通道两端的频率差与流量基本呈线性变化,其线性相关系数为0.999 9;在微流量传感器未进行优化的前提下,最小检测量为0.627 μL/s.     

计算机微视觉在微运动测量中的应用

计算机微视觉方法在微运动测量中得到了广泛的应用.本文对计算机微视觉测量的基本原理、特点及采用计算机微视觉测量微运动的精度影响因素进行了分析.此外,以精密微动平台为测量对象,将计算机微视觉与运动估计算法相结合,测量了微动平台的微运动.测量结果表明,这种将计算机微视觉与运动估计算法相结合的方法能够实现高精度的微运动测量.     

基于MEMS技术的硅微机械流体传感器的原理及应用

传统的流体传感器由于存在着灵敏度低、体积大、成本高等缺点,而且微流体与宏观流体流动特性不同,所以其在微流体的流体特性测量中存在很大的局限性。随着MEMS技术的发展,硅微机械流体传感器的出现克服了传统流体传感器的缺点。硅微机械流体传感器已成为MEMS的研究热点之一。按其用途进行了分类,着重介绍了流体压力传感器、流量传感器和表层摩擦力传感器。分别从各种传感器的基本原理、性能、应用范围、优缺点及其所能达到的技术指标方面进行了描述。基于MEMS的硅微机械流体传感器具有广阔的前景。     

Lamb波压差式微流量传感器的研究

为提高微小流量检测的灵敏度,增大其动态范围,实现温度补偿,提出了一种基于Lamb波的压差式微流量传感器。此传感器主要由两个Lamb波传感器,中间以微通道相连接构成。流体流动时,利用Lamb波薄膜内应力的敏感特性,采用频率计量的方式间接测量微通道两端的压力差,并结合微通道的几何尺寸以及流动特性,利用流体仿真软件Fluent进行仿真获得流量。本文对长20mm,宽1mm,高50μm的微通道进行了微流量测试的相关实验。实验结果表明：在流量测试范围内,微通道两端的频率差与流量基本呈线性变化,其线性相关系数为0.9999;在微流量传感器没进行优化的前提下,其最小检测量为0.627μL/s。     

基于计算机微视觉的鲁棒多尺度平面微运动测量

提出一种将计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的测量微运动的方法.设计一种用于微运动测量的鲁棒多尺度运动估计算法.在该算法中,根据滤波器的不同特性,在多尺度金字塔的不同尺度层采用不同的滤波器估计运动.这种分层估计的方法不但可以提高测量精度,而且可以加快测量速度.分析计算机微视觉测量系统的组成,并对设计的微视觉测量系统进行标定.以精密定位平台为测量对象,采用计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的方法测量了精密定位平台的平面微运动.该方法用于测量2 000 nm左右的微运动时,最大测量偏差达到了12.5 nm.试验结果表明,这种将计算机微视觉与鲁棒多尺度运动估计算法相结合的方法能够实现高精度的平面微运动测量.     

毛细管电渗流微泵的流型及驱动

采用二维纳维一斯托克方程、拉普拉斯方程、泊松-玻尔兹曼方程表述电渗流微泵的计算模型,讨论了电渗流在各种工况下的流型,分析了双电层(EDL)厚度、外加垂直电势、Zeta电势、背压以及管径对电渗流(EOF)驱动时间的影响。仿真结果表明:影响驱动时间的主要是管径,其他因素可以忽略;无载驱动与反向驱动时间是毫秒级,有载驱动时间是在微秒级。通过改变外加垂直电势或Zeta电势的极性,可以实现双向驱动。     

超声微流混合器内流场试验

制作超声微流混合器,该混合器混合腔直径6 mm,深60 μm,振动膜厚和压电层厚210 μm,测量辅助立管高度2 cm。计算该混合器不同的振动模态,利用粒子图像技术测量实际振动模态图和流场图,分析模态计算结果与试验的误差原因。试验结果表明,混合器在超声激励下腔体内存在平面旋状结构;环流边界处有明显地微粒汇聚现象;一阶模态振动会产生净压差。最后得到压差的高度与压电驱动电压的近似关系。     

斜流压缩机转子与蜗壳匹配的内流分析

用时均N—S方程对包含斜流叶轮、无叶扩压器与蜗壳一体的斜流压气机进行了整机计算。通过特定截面的不同流动谱图，初步比较了3种不同结构的蜗壳和扩压器的配置方式，讨论了这种型式的斜流压缩机转子子午面流动状况，为叶轮流道及其匹配设计提供了依据。并将转子出口的计算结果和实验值进行了比较。计算得到的子午面流线分布、转子上下游的子午面速度分布与设计值较吻合。     

基于微喷技术的微胶囊制造实验研究

利用压电驱动器产生的低频振动，使微流道中的流体产生脉冲流动，通过微喷头实现微流体的数字化离散和喷射。通过控制振动的频率和微喷头的直径，可以实现微胶囊尺寸的数字化控制。利用悬浮交联微胶囊制备方法，以海藻酸钠包覆胰岛细胞进行了微胶囊制作实验，制造出了尺寸均匀的微米级尺度微胶囊。展望了基于微流体数字化的微胶囊制造技术的发展前景。     

烟气粉尘脱硫治理喷射系统的计算

阐述烟气粉尘脱硫治理和喷射系统的结构。计算治理塔内液膜的层流底层和湍流层的速度、液膜的总流量及雾化旋动流体的附加流量。分析了治理塔内旋动气--固微粒流的分离性能,通过实验求得塔内旋流的准自由涡区的速度分布,计算分离的最小粒子直径。文中研究脱硫剂的动态喷雾与烟气含硫化合物的化学反应过程,讨论影响脱硫除尘治理效果的主要因素和喷射器的作用。最后介绍在工业炉窑烟气脱硫(SO     

内嵌流体柔性板自适应减振性态的数值模拟及试验研究

基于自适应减振和内嵌流体柔性板(PIFS)的定频稳态试验,提出板结构的内嵌粘性流体单元(IVFU)的自适应减振理论和相应的力学方法(IVFUM)。在定频简谐激励下,通过构建流体活动边界条件(FDBC),将PIFS的流固耦合模型简化为充液腔内的纯流体动力学问题,应用CFD软件FLUENT对不同工况下柔性板内嵌流体的流动进行数值模拟,结合试验结果可以得到板内嵌流体的运动性态和力学行为的定性和半定量的规律,从而揭示内嵌流体板IVFU减振的内在机理,并从振动控制的角度探讨了IVFU减振的影响因素。     

Two-phase non-linear model for the flow through stenosed blood vessels

Pulsatile flow of a two-phase model for blood flow through arterial stenosis is analyzed through a mathematical analysis. The effects of pulsatility, stenosis, peripheral layer and non-Newtonian behavior of blood, assuming the blood in the core region as a Herschel-Bulkley fluid and the plasma in the peripheral layer as a Newtonian fluid, are discussed. A perturbation method is used to solve the resulting system of non-linear quasi-steady differential equations. The expressions for velocity, wall shear stress, plug core radius, flow rate and resistance to flow are obtained. It is noticed that the plug core radius and resistance to flow increase as the stenosis size increases while all other parameters held constant The wall shear stress increases with the increase of yield stress while keeping other parameters as invariables. It is observed that the velocity increases with the axial distance in the stenosed region of the tube upto the maximum projection of the stenosis. Currently on leave from Department of Mathematics, Crescent Engineering College Vandalur, Chennai-600 048, Tamil Nadu, India.     

Non-disruptive and null-deflection mass flow measurement by a pressure compensation technique

Accurate mass flow measurement is very important in various monitoring and control applications. This paper proposes a novel method of fluid flow measurement by compensating the pressure drop across the ends of measuring unit using a compensating pump. The pressure drop due to the flow is balanced by a feedback control loop. This is a null-deflection type of measurement. As the insertion of such a measuring unit does not affect the functioning of the systems, this is also a non-disruptive flow measurement method. The implementation and design of such a unit are discussed. The system is modeled and simulated using the bond graph technique and it is experimentally validated.     

气动先导式电磁阀的自激振动

电磁阀自激振动将造成气动系统工作不稳定,同时也是系统的主要噪声源之一。为了获得电磁阀在不同工作条件下自激振动特性,对气动先导式电磁阀自激振动进行数值与试验研究。建立电磁阀阀芯振动与流体流动相耦合的动力学模型,模型得到试验验证。获得不同工作压力、工作流量时电磁阀工作状态,讨论电磁阀结构参数对自激振动的影响。结果表明,当工作压力、工作流量较小时,系统平衡点不稳定,电磁阀在经受任意微小扰动时就将产生软自激振动。随着工作压力、工作流量的增加,电磁阀将依次出现软自激振动、硬自激振动、稳定工作三种状态。增加电磁阀阀口直径db、降低阀口直径da、弹簧预压缩量z0和阀芯半锥角α将提高电磁阀的抗扰动能力,扩大电磁阀的稳定工作范围。     

多模态流动成像技术研究进展

流动成像技术采用空间敏感阵列,以非接触或非侵入方式对被测对象进行检测,可实时提供封闭管道、容器等过程设备内物场的二维/三维分布和运动状态信息,是实现流动过程可视化测量的核心技术。多模态流动成像通过融合不同敏感模态的检测信息实现多相、多组分流动过程的可视化监测以及过程参数的准确提取。分别介绍了电学、超声与射线单模态流动成像基本原理;总结了已有的多模态流动成像系统及其构成,以及适用于多模态流动图像重建的融合算法;讨论了在不同流动对象与工况条件下的多模态选择与系统设计原则。在此基础上,对多模态流动成像发展中的关键技术与科学问题进行了展望。