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基于射流振荡的微小尺度下流量测量方法研究

程宁  
【摘要】:摘要:流量测量是工业生产和科研工作的重要检测参数。近年来,随着自然科学和工程技术的发展,装置的微型化、集成化和智能化已经成为当前国际上的研究热点,尤其是MEMS技术产生以来,对如何在微小尺度下进行流量精确测量提出了新的挑战,迫切需要微流体流量传感器的出现和实用化。论文从理论分析、结构设计以及仿真和实验,研究微小尺度射流振荡器,利用其振荡频率与流速成比例的这种规律来测量微小流量,主要研究内容如下: (1)论文针对目前MEMS系统的微小尺度下的微流量测量问题,分析了工业领域中基于MEMS技术的各类微型流量传感器研究发展现状及其优势和不足,结合目前微流体射流流量传感器的研究现状,提出了基于射流振荡的微小尺度下流量测量方法。 (2)介绍了射流振荡器的传感机理和流量测量方法,从射流的基本特性、双稳结构等方面讨论了射流振荡的原理。分析了射流的卷吸现象和附壁现象及其射流振荡产生的原因以及具有双稳结构的射流振荡元件的设计原理。 (3)根据射流不同的双稳结构和工作原理设计了两种微小尺度射流振荡器结构并进行了加工。设计了适用于微小尺度下的不带分流劈的对称反馈通道射流振荡器。基于卷吸作用和射流元件双稳结构,提出了具有更小流量测量的带ω形阻流体的无反馈通道射流振荡器。采用玻璃湿法刻蚀技术,对反馈式和无反馈式微小尺度射流振荡器进行了微加工。 (4)对微小尺度下的反馈式和无反馈式的射流振荡器进行仿真试验,并分析其振荡腔内的动态特性仿真数据。根据仿真计算得到各模型的振荡周期从而得到对应的振荡频率,建立了两模型的微流量理论测量模型。研究了两种模型结构的雷诺数与斯特劳哈数的关系,并分析了两模型结构的最小起振速度。 (5)采用现代流体显示技术Micro-PIV对提出的无反馈式模型进行可视化分析,初步实验结果表明,无反馈通道微小射流振荡器有产生射流振荡的趋势。


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