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微传感器的传热模拟与湍流间歇性的PIV实验研究

作　者: 许正
导　师: 李万平
学　校: 华中科技大学
专　业: 流体力学
关键词: 相干结构微机电系统壁剪应力微传感器湍流边界层子波系数间歇性 PIV
分类号: O357.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

一般认为相干结构是剪切湍流中最重要的结构。对湍流相干结构进行主动控制,需要微传感器的应用和加强对湍流统计性质的认识。本文的研究工作包含两个部分:MEMS微剪应力传感器传热特性的数值模拟和湍流多尺度相干结构间歇性的PIV实验研究。(1) MEMS微剪应力传感器的数值模拟壁剪应力是壁湍流中一个非常重要的物理量,而MEMS的发展和成熟为湍流壁剪应力的测量以及实现主动控制提供了有力的工具。本文特别针对实际的加工需要,对微剪应力传感器的热效应进行了数值模拟。借助CFD商业软件FLUENT,采用了三维模型,针对热传感器在水流中的情况,特别从热交换的角度,通过计算温度场、传热效率和热损失率,分析了热膜下真空腔和空气腔的作用以及两者之间的差别,并与无腔的情况进行了对比。计算结果表明,在传感器的热膜下方加入真空腔或者空气腔是十分必要的。针对水流中测量的计算结果显示,真空腔和空气腔在整个计算区域的温度场分布以及对流体的传热效率的差别不大,而空腔可以明显地减小底层的热损失,这对提高剪应力传感器的灵敏度是十分必要的。本文还通过计算热膜的尺寸变化与传热效率的关系,分析了传感器尺寸效应对热交换的影响,为实际加工热微传感器的设计方案提供一定的依据。此外,本文介绍了适用于流体测量的微剪应力传感器初步设计和加工工艺。(2)湍流多尺度相干结构间歇性的PIV实验研究本文利用PIV测量了湍流边界层中流向速度平面并对湍流多尺度相干结构统计特性进行了实验研究。利用连续子波变换,计算了不同尺度、不同法向位置的子波系数概率密度函数,结果发现,缓冲区有着更强的间歇性。同时,利用子波系数量化湍流间歇性的方法,应用推广的自相似律(ESS),计算了子波系数结构函数的标度指数。研究表明,当多尺度相干结构被提取出后,利用子波系数计算的ESS标度律就符合Kolmogorov提出的线性标度律,验证了多尺度相干结构是湍流边界层产生奇异标度律的原因。此外,利用PIV测量的数据,给出了流向平面内的以子波系数表达的能量分布,这种方法有利于进一步对多尺度相干结构在空间平面内的辨识与特性进行研究。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-9
1 绪论  9-17
  1.1 湍流研究概述  9-10
  1.2 壁湍流相干结构  10-11
  1.3 湍流微剪应力传感器的应用  11-12
  1.4 湍流标度律和间歇性  12-14
  1.5 本文研究工作  14-17
2 MEMS 微剪应力传感器传热特性的数值模拟  17-40
  2.1 微机电系统概述  17-21
  2.2 微剪应力传感器的研究背景  21-28
  2.3 微剪应力传感器的加工制作  28-30
  2.4 微剪应力传感器传热特性的数值分析  30-35
  2.5 结果分析  35-39
  2.6 本章小结  39-40
3 湍流多尺度相干结构间歇性的PIV 实验研究  40-50
  3.1 湍流相干结构与小波分析方法  40-41
  3.2 PIV 实验原理  41-42
  3.3 实验方法与实验设备  42-44
  3.4 实验结果分析  44-49
  3.5 本章小结  49-50
4 总结和展望  50-52
致谢  52-53
参考文献  53-57
附录1 攻读学位期间发表的论文目录  57

微传感器的传热模拟与湍流间歇性的PIV实验研究

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