动态共振剪应力传感器概念研究

提出一种新的基于共振表面元的动态共振墙剪应力传感器概念,并且通过建立理论模型、数值模拟和实验验证进行了系统的研究.研究结果表明动态共振墙剪应力传感器概念能够精确测量低速流场的墙剪应力,而且可能用于壁面湍流流场的控制研究.实验设计了开环和闭环测量控制系统,用于测量动态共振墙剪应力传感器位移随墙剪应力的变化.实验结果表明随着平均墙剪应力的变化,动态共振墙剪应力传感器的共振表面元能够获得可以测到的位移信号.此外,实验结果也充分证明动态共振墙剪应力传感器概念完全可以测量墙剪应力,实验结果与所建立理论模型的数值模拟结果符合较好.     

脉动流下血管支架耦合系统血流动力学实验研究

为了探究血流动力学性能对再狭窄的影响,本文介绍了一种基于圆柱形内壁模型的血管支架耦合系统血流动力学性能的测试方法,并根据此方法自行设计并搭建一套实验装置,通过此装置对本实验室自制的冠脉支架进行了血流动力学性能测试实验。实验在脉动流下进行,实验结果表明,一个脉动周期内,靠近壁面的粒子运动速度先增大后减小,且速度总体数值很小;在同一时刻随着离壁面距离的增大,速度一直呈递增的趋势;在距离壁面同一位置处,速度随时间先增大后趋于平缓,在周期末尾时急剧下降到零,并伴有回流现象。通过计算壁面剪应力发现,一个周期内,壁面剪应力随时间变化先增大后减小;低于0.4Pa的时间占整个周期的一半,且分布在周期的开端和末端,是容易发生再狭窄的时间区分布。本实验对后续血流动力学性能测量提供了一定的实验基础,并且对后期支架的设计和优化提供了验证的手段。     

电磁阀内部流场CFD分析

利用计算流体力学软件FLUENT对一种气井专用的电磁阀内部流场进行了计算和分析,结果表明:阀芯后部存在低速区,下部出口管内存在两个明显的涡流区,涡流区的出现加大了流动的阻力;随着阀芯开度的增大,阀芯后部低速区仍然存在,涡流区的旋转强度减弱,阀体内的湍动能和湍能耗散率减小,电磁阀的总压降减小;锥形阀座壁面和下游出口管下部壁面剪应力较大,其它区域剪应力较小,因此在阀芯锥面以及阀座锥形壁面和下游出口管下部的壁面处容易磨损。研究结果为电磁阀内部结构的设计提供了指导。     

边界滑移对柱塞偶件间油膜流动规律的影响

斜盘式轴向柱塞泵内柱塞偶件间油膜为相对运动的偶件提供润滑及密封作用。油膜流动将直接影响柱塞偶件的工作性能。深入分析偶件间油膜的流动规律对设计与优化柱塞偶件有重要意义。基于Navier-Stokes（N-S）方程,引入Navier边界滑移推导偶件间油膜流动方程,根据柱塞运动的周期性规律,分析单个周期内滑移长度和柱塞泵转速对油膜流动剪应力及流量的影响。研究发现：吸油阶段时近柱塞壁面处油膜剪应力随滑移长度增大而减小,流量随着滑移长度增大而增大,柱塞运动速度最大且滑移长度由1 μm增大到3 μm后,剪应力减小18%,流量增大13.59%;排油阶段柱塞运动速度越大,近柱塞壁面处剪应力和油膜流量与无滑移条件下的差距越小。在滑移长度为1 μm的条件下柱塞泵转速由1 500 r/min增大到4 000 r/min时,近柱塞壁面处的油膜剪应力与无滑移条件下相比降低明显,一个周期内油膜总流量与无滑移条件下相比差距减小。     

微型热敏传感器的薄膜电阻设计研究

应用微型热敏传感器薄膜电阻的电阻温度系数设计方法,得到基于热敏电阻的电阻温度系数的计算和设计参数.结合针对流体壁面剪应力测量的应用要求,分析多晶硅和铂金属热敏电阻的优缺点,并且对试验电阻进行电阻温度系数和时间常数的分析计算,依据计算结果确定微型热敏传感器薄膜电阻的基体材料、薄膜材料和特征尺寸等参数,为微型热敏传感器的实际应用提供参考依据和分析方法.     

基于分子动力学的密封副润湿特性对泄漏量影响研究

在微纳尺度下的间隙密封中,流体流经不同润湿特性的界面时固液交界处会产生不同程度的边界滑移,进而影响其流动状态及泄漏量。为深入研究密封副润湿特性与泄漏量关系,基于分子动力学原理,建立间隙密封模型,模拟在不同润湿性的壁面上,以不同壁面运动速度剪切下表层水分子的边界滑移及其单向泄漏情况。研究结果:表明壁面上的最大剪应力随壁面运动速度的提高呈线性增加,在高速的剪切作用下,亲水性壁面上依然会产生轻微的边界滑移;随着剪切速率的增加,滑移长度与泄漏量趋于稳定;在实际生产中通常剪切速率较小,剪应力不足以引起边界滑移,水分子易吸附于壁面之上导致更大的泄漏量,因此在低剪切速率下,壁面润湿性对于单向剪切泄漏的影响很小;而在剪切速率较高时,润湿性较差的壁面上泄漏更小,因此可以通过在密封表面采用疏水涂层处理以达到更好的密封效果。     

用于壁面切应力测量的微传感器设计

壁面切应力的测量是流体动力学领域中一项非常重要的测试任务,采用MEMS技术设计、加工的微型切应力传感器能够为壁面切应力的测量提供新的手段.微传感器设计过程中推导其浮动单元线性位移与弹性梁宽度的关系,通过限位装置提高了微传感器的抗过载能力.有限元仿真结果与试验模态分析的最大偏差为8.2%,表明仿真过程中对结构进行的简化以及单元的选取是合理的.加工过程中,采用等离子刻蚀工艺形成传感器的结构,湿法刻蚀工艺完成浮动单元的释放,所加工传感器的整体尺寸为3.4 mm×2.5 mm×0.6 mm.开发了一种封装结构实现传感器与壁面的平齐安装.风洞试验结果说明在0～30 m/s风速范围内传感器的灵敏度为51.2 mV/Pa,该传感器可以用于壁面切应力的测量.     

流动沸腾条件下微通道壁面温度的红外特征

设计并搭建了沸腾换热试验台,采用TH5104红外热像仪测量微通道壁面温度来研究混合制冷工质在微通道内的沸腾换热特性.测量试件是一外径为1.22 mm,内径为0.86 mm,长为200 mm的不锈钢单圆管.实验利用红外热像仪测量并记录下质量流量为1 726～8 635 kg/m2·s,热流密度为65～231 kW/m2时壁面温度的变化情况.实验分析和讨论结果显示:微通道壁面的温度分布沿着轴向变化有明显的规律性;水平微尺度通道内流动沸腾过程中,试件前后段有较大的温差效应,温差的正负与热流密度的大小有关;壁面温度的变化与热流密度、管内工质的流型和换热形式关系密切,流型越复杂,壁面温度变化越剧烈.     

周向磁巴克豪森噪声分布及平面应力测量

磁巴克豪森噪声对应力非常敏感,是一种操作便捷、检测灵敏度高、重复性好的原位无损应力测量技术,在残余应力测定、零部件应力集中区评价、结构承载应力评估中有广阔的应用前景。工程中铁磁性材料表面平面应力测量时最大主应力及其方向测量是一项亟待解决的难题,提出了一种基于周向磁巴克豪森噪声分布的平面应力测量方法,建立了求解平面应力张量的模型,实现了测量点任意方向的正应力和剪应力解调。实验验证了该方法的有效性,测量结果表明,当主应力大于50 MPa时,实测的最大主应力方向偏差为10°,最大正应力偏差为5 MPa,最大剪应力偏差为6 MPa,具有较高的测量准确度。     

应用PDA测量气固两相流边界层时壁面的选择

应用激光技术测量边界层流场时需要选择合适的壁面 ,以解决壁面反射光过强和零点确定问题。通过试验 ,研究激光三维粒子动态分析仪测量湍流边界层时如何选择壁面的问题。试验结果表明 ,选择背面涂黑的玻璃壁面 ,能够很好地解决这两个问题 ,并且使测量达到一定的精度要求。     

循环流化床颗粒团多参数的光散射测量方法

针对循环流化床床内颗粒团动态参数和行为特性的测量问题,提出了基于光散射原理的颗粒团运动速度、高度与浓度等多参数同时在线测量方法,利用该方法对二维冷态循环流化床试验台开展颗粒团参数测量,获得了颗粒经测量区造成的光强衰减信号,通过对上下测量单元光强信号进行互相关分析可获得颗粒团运动速度参数;对信号进行低通滤波,根据低频信号极值点时间差及运动速度测量结果,得到颗粒团高度参数;同时根据光强衰减程度计算颗粒团的浓度参数。由此实现了基于光散射原理的循环流化床床内颗粒团运动速度、高度与浓度多参数同时在线测量,测量结果显示,在典型工况下,提升管中心区域颗粒团运动速度较为稳定,平均速度为3.81 m/s,近壁面区域颗粒团运动速度有较大波动且出现负值,平均速度为0.65 m/s;中心区域颗粒浓度较近壁面区域小;中心区域颗粒团高度主要分布在20～40 mm区间,近壁面区域颗粒团高度主要分布在30～60 mm区间。这为循环流化床内颗粒团的形成、结构及其运动研究提供了一种有效的测量手段。     

岩土剪应力现场实时测量系统设计

山体滑坡对人类社会发展和经济建设产生巨大的危害,岩土剪应力减弱是引发山体滑坡的一个重要因素。针对山体滑坡的预防和监测,设计了一种现场测量岩土剪应力的装置,该装置包括十字板、扭矩传感器、步进电机、单片机硬件电路等;对实验装置的搭建和单片机硬件电路作了详细说明。该装置具有易携带、实时测量等优点,经过测试该系统具有良好的稳定性和测量精度,抗干扰能力强。     

稠密气固两相流凸台绕流的声发射测试

近几年循环流化床锅炉水冷壁磨损较为严重,虽然采用防磨凸台可以有效减缓壁面磨损,然而基于凸台优化设计的文献还鲜见报道,因此文中使用声发射设备研究凸台绕流过程中稠密气固两相流颗粒与壁面接触程度问题,在一冷态实验台密相区,采用声发射对相同尺寸不同截面形状凸台下方颗粒与壁面接触程度进行测量,并用小波包分解处理信号。实验结果表明,0~10.5 k Hz低频段信号可以反应颗粒与壁面接触程度,重点分析该特征频段能量百分比,提出方形凸台为理论优化凸台,对进一步改进循环流化床防磨技术提供指导意见。     

基于导热反问题的二维圆管内壁面第三类边界条件的反演

对于诸如核电领域中有特殊安全要求或结构完备性要求较高的管道系统,不允许在管道开孔来安装温度传感器测量管道内壁面温度和流体温度,需要寻求一种间接无损的方法来预测或评估管道内壁面温度的分布及变化。在有限元法基础上建立温度场数学模型,基于共轭梯度法进行反问题分析,利用圆管外壁面可测的有限温度信息同时反演出第三类边界条件,即内壁面温度、近内壁流体温度以及表面传热系数,并能够获得整个壁面温度的全貌及其分布特征。计算结果及误差分析表明,此方法的精度较高,共轭梯度法能够准确地反演出该圆管内壁的第三类边界条件。该方法不仅可以为结构应力分析和热疲劳分析提供准确的瞬时热载荷,而且为实现一种无损测温方法提供坚实的理论基础。     

内爆炸环境下舱室壁面压力测试方法

针对内爆炸热、振动干扰壁面压力测量的问题,提出了一种内爆炸环境下舱室壁面压力测试方法。对于热影响,采用一种热隔离装置,并在其中涂抹隔热油脂,降低热对传感器的影响。对于结构振动影响,采取一种隔振安装结构,抑制壁面振动向传感器的传递,并对该方法进行分析与试验验证。结果表明,该方法能够有效降低热、振动对压力测试的影响,提高压力测试精度,适用于内爆炸环境下的舱室壁面冲击波压力测试。     

气缸壁温度预测研究

基于包含热交换的气缸运动数学模型,提出了一种计算气缸充放气过程中等效热功率的理论方法,预测气缸在达到热稳态平衡时的气缸壁面温度变化情况,并利用该预测模型结果与实验测量的气缸壁面温度变化情况进行对比。结果表明,等效热功率理论分析得到的气缸壁面温度变化与实验结果基本相符,等效热功率模型可以预测不同工况气缸壁面的温度变化。     

多级轴流压气机试验中压力扫描阀参考端的研究

本文对压气机试验中压力扫描阀参考端的选取进行了研究,通过测量不确定度分析得到压力扫描阀压差传感器与绝压传感器量程的理论最优分配关系,并以此为依据提出了选取级间壁面静压作为参考端的方案。为验证该方案的可行性与有效性,本文以某十级高压压气机试验为例,分析大气压作为参考端与压气机出口壁面静压作为参考端的测量数据,对比了两种方案下压气机出口总压的测量不确定度。结果表明,对于高压比工况,使用压气机出口壁面静压作为参考端,压气机出口总压测量的扩展不确定度可降低约0.4kPa,对于提升压气机高转速工况的压力测量精度意义不大。对于压比不小于3的工况,使用壁面静压作为参考端可保证出口总压测量相对扩展不确定度小于0.2%,显著提高了中低转速工况的压力测量精度。     

微尺度流道内液体摩擦系数的理论计算

讨论了各向同性壁面对微流道内液体摩擦系数的影响,给出了考虑壁面影响的摩擦系数计算公式,为进一步计算粘性系数提供了基础。研究结果表明,在靠近壁面处,壁面对液体摩擦系数的影响较大,但随着离壁距离的增大,壁面影响衰减很快,影响深度很小。对于液态氩,壁面影响大约可到第8层氩分子,即影响深度为3nm左右。     

边界层分离点实时检测方法

微型剪应力传感器以尺寸小、时空分辨率高的特点在边界层分离点测量中表现出了突出的优势。通过分析用于检测流体参数的微型热敏剪应力传感器的工作原理,设计了柔性热敏剪应力传感器阵列和恒流驱动电路。使用DAQPCI6024E及LabVIEW软件完成数据采集与实时信号处理,并提出采用均值变化量判断分离点的位置。风洞试验结果表明:该方法可行有效,可精确确定边界层分离点的位置。     

壁面机器人吸附机构吸附力的仿真与试验

为了研究影响壁面机器人吸附机构吸附力的因素,以某螺旋桨为研究对象,进行计算流体动力学仿真,并进行三因素三水平正交试验,分析螺旋桨保护外壳与壁面距离、螺旋桨保护外壳宽度、螺旋桨转速对吸附力的影响。试验结果表明,螺旋桨转速对壁面机器人吸附机构吸附力的影响最大,其次是螺旋桨保护外壳与壁面距离,螺旋桨保护外壳宽度的影响最小。基于试验结果,兼顾效率与吸附力,提出最佳参数组合,为提高壁面机器人吸附机构的效率提供技术参考。