MEMS微型热敏传感器数值模拟

借助计算流体动力学软件Fluent,采用有限体积法、非定常N-S方程、Realizablek-ε湍流模型及无滑移壁面边界条件对微电子机械系统(MEMS)微型热敏传感器进行三维数值模拟.全面地分析了传感器绝缘层材料、空腔内介质材料以及结构尺寸参数对其灵敏度的影响情况,探讨了提高传感器灵敏度的方法.同时,设计了一款高灵敏度的MEMS微型热敏传感器.数值模拟结果发现,采用具有较低热导率的结构材料及工作气体,隔热效果最佳;合理优化传感器尺寸参数有助于获得较高的灵敏度.该结果对微型热敏传感器的优化设计和实际加工、制造提供了依据.     

波纹通道形状对流动与换热影响的数值研究

应用数值方法,研究了流体在结构对称的正弦形、三角形、椭圆形、圆弧切线形及阶梯形通道内周期性充分发展的层流流动与换热特性,分析了恒壁温、常物性条件下通道表面形状,以及雷诺数RP对流动与换热性能的影响;并对不同通道的摩擦阻力系数f、表征换热特征的努谢尔特数Nu以及综合性能参数G分别进行了比较.结果表明:阶梯形通道内流体流动的f最大,正弦形通道的次之,椭圆形通道的f随Re的变化规律与其他通道的不尽相同;不同结构通道表面Nu的相对大小与Re的范围相关,Re>150后,阶梯形通道的换热能力最强,椭圆的最弱;三角形通道的综合性能最佳,椭圆形通道的最差,除阶梯形通道外,小Re时通道的综合性能优于大Re时的性能.本研究成果为换热器设计提供理论依据.     

金刚石薄膜热敏器件特性

本文采用热丝ＣＶＤ方法和在以石英为衬底的金属钛梳状微电极上制备出的均匀致密、结晶完整的金刚石薄膜，制成了金刚石薄膜热敏器件．对其热敏特性的测试结果表明，该热敏元件具有检测温度范围宽、响应快、灵敏度高、性能稳定等优点．     

扩缩通道内流动和换热非线性特性的数值模拟

对扩缩通道内流动与换热进行了数值模拟并探讨了其中的非线性特性.通过对不同突扩比ER、不同长宽比AR及不同雷诺数Re下通道内流场和温度场进行分析,给出在一定工况下对称通道内流体的流动和换热会出现偏斜等非线性现象的情况.数值模拟结果表明,存在临界雷诺数Rec使流体流动和换热形态发生转变,当Re超过Rec时,流体流动和换热不仅有对称解,还有非对称解;当Re继续增大时,流体流动和换热出现振荡.通道的几何尺寸及后缩段(表现为ER及AR)都对Rec产生影响.分析结果表明,当Re超过临界雷诺数Rec时,同一截面处上下壁面的局部努塞尔数Nu也由对称向非对称转变,上下壁面出现最大局部Nu的位置也不同.     

介电泳微流控制分离不同尺寸碳纳米管研究

采用介电泳微流控制技术,利用不同尺寸碳纳米管在流动介电液中受到的大小不等的介电泳力,从而产生不同运动轨迹实现分离.通过建立介电泳数学模型和微流控制通道几何模型,对不同尺寸碳纳米管的分离过程进行仿真研究.结果表明:电场强度、流体流速和碳纳米管受到的介电泳力在主通道内最大,不同尺寸碳纳米管的运动轨迹在主通道开始出现分离,最终从不同的出口流出;当交变电压从±5V到±30V逐渐增大时,入口1与入口2的流速和流速比也逐渐增大;相较于异丙醇,用去离子水做介电液,流体流速近似高一个数量级.     

微型剪应力传感器的热特性分析

研究不同结构、不同热敏元件温度和不同工作介质等情况下剪应力传感器的性能差异.通过实验和数值模拟相结合的方法对剪应力传感器进行了热特性分析.数值模拟结果发现:采用热敏元件下部埋置真空空腔的结构,隔热效果最佳;选择相对较高的热敏元件温度和较高热物性系数的工作气体有助于获得较高的灵敏度.该结果对优化设计微型剪应力传感器具有通用的指导意义.     

长江河口南北槽分流口工程及瑞丰沙地形变化对分流比的影响

分析了南北槽分流口河段的地形特征及其在人类活动影响之下的演变过程,利用高分辨率FVCOM模型研究了分流口潜堤工程的修建、潜堤方向的偏转以及分流口上段瑞丰沙地形变化等因素对南北槽落潮分流比的影响.结果显示,现有的分流口潜堤对北槽落潮分流比的影响较小.潜堤向北偏转时北槽落潮分流比减小,向南偏转时增加,潜堤向南偏转对分流比的影响大于北偏.瑞丰沙中沙基本消失、下沙萎缩及南港主流的北偏有利于水流进入北槽,从而明显增加北槽上段面落潮分流比.而由于横沙通道对水通量的调节,北槽下断面落潮分流比增加甚微.     

全对称谐振式压力传感器结构设计与仿真分析

提出了一种基于侧向驱动的全对称谐振式压力传感器结构.谐振结构采用侧向梳齿电容驱动,既保证了驱动力的线性特性,又由于本身的空气阻尼为滑膜阻尼,可以取得较高的品质因子.另外,设计的差分电容结构能进一步提高器件的检测灵敏度.经过ANSYS 10.0的仿真分析总结出谐振结构固有频率受结构参数影响的规律,确定了量程为0～550 kPa的谐振式压力传感器具体尺寸,其灵敏度达到了22.602 Hz/kPa;分析了温度对谐振结构固有频率的影响,得到-20～60℃下的热灵敏度温度系数为-1.8233 Hz/℃,为后续的温度补偿提供依据;最后通过分析谐振结构的频域响应特性,最终确定了传感器的频域特性曲线以及不同阻尼比下传感器的品质因子.为谐振式压力传感器真空封装的真空度选择提供参考.     

宽带声光偏转器的设计与试验

一、引言声光偏转器件在激光全息存贮器、激光大屏幕显示及其它需要光束偏转的光学系统中,可以作为一种有效的光偏转器件。它与机械光偏转、电光偏转相比,具有性能稳定、结构简单、信噪比大(通常大于100:1)、偏转速度较快、驱动功率较小及光能利用率较高等优点。     

汽车尾气温差发电器换热通道强化换热性能的数值模拟

提出一种适合汽车尾气温差发电器的方型双面翅片换热通道结构,利用流体仿真软件FLUENT,在一定的尾气流速下,对该强化换热通道进行数值模拟.通过改变翅片结构特性尺寸(翅片长度l、间距d、高度h)进行仿真计算,得到不同翅片结构管道的壁面努塞尔数(Nu)、摩擦因子(f)以及综合换热效率(η),发现翅片换热通道的综合换热效率与翅片长度和高度成正比,与翅片间距成反比.综合考虑翅片结构特性尺寸的多因素影响,得到强化换热性能最优的翅片结构为l=400mm,d=20mm,h=50mm.     

考虑边界滑移的微通道热沉传热传质性能研究

考虑固液界面边界滑移条件,研究了具有矩形、椭圆形和三角形这3种不同截面形状的微通道热沉的传热传质性能。研究发现,随着滑移长度的增加,流体阻力逐渐减小,对流传热系数逐渐增大。具有相同滑移长度和截面形状的微通道热沉的流体阻力和对流传热系数均随水力直径的增加而减小。在微通道截面面积相同的条件下,三角形微通道热沉的对流传热性能最差;对于椭圆形和矩形微通道热沉,当水力直径小于某一临界值时,矩形传热效果更优,而大于这一临界值时,椭圆形传热效果更好。     

分-合式微通道流动传热性能数值模拟

针对矩形微通道进出口压降大、温度分布不均匀，以及分形微通道受到分形维数和分支数限制适用范围较窄的问题，结合矩形微通道和分形微通道的优势设计一种分-合式微通道散热器。使用Fluent软件对散热过程进行数值模拟，研究微通道内分支倾斜角度变化对流动和传热性能的影响。结果表明，在100 W/cm²的热流密度下，Re为970、分支倾斜角度为90°时，分-合式微通道平均温度降低了11.9 K,最高温度降低了14.2 K,Nu增加了85.7%,整体传热性能(PEC)也最佳，达到1.44。分支的引入可以增加微通道内部换热面积，同时形成新的边界层，在分支内侧产生漩涡，有效提高了微通道散热器的传热性能，为微通道的优化设计提供了新的理论依据。     

超疏水表面形貌对层流减阻的数值模拟

为了研究超疏水表面形貌结构对其流动减阻的影响,设计了4种不同形貌的表面结构.针对超疏水表面的流动特点,建立微通道气-液两相流动的VOF(Volume of Fluid)模型,对超疏水表面在层流状态下的表面形貌结构对流动减阻的影响规律进行了研究.结果表明,超疏水表面的减阻效果随微凸起间距的增大而明显增大,而与微凸起高度的变化关系不大,且三角形和圆顶矩形微凸起结构表面比圆形和平顶矩形微凸起结构表面具有更好的减阻效果.     

同轴式微通道壁面润湿性对微细气泡生成特性的影响规律

微细气泡的生成时间和大小对污水处理的效率具有重要影响。为探究微通道壁面润湿性对微细气泡生成特性的影响,采用两相流水平集的方法模拟研究不同接触角下微细气泡的生成过程。以接触角为主变量,液体流量、气体压强和气体类型为次变量,探究次变量对微细气泡生成时间和脱离体积的影响。设计并制造了同轴式微流控芯片,开展微细气泡生成特性的试验。结果表明接触角在0-180°递增时,微细气泡的生成时间总体呈下降趋势,脱离体积先增加后减小,其中90°接触角为生成时间的分界点和脱离体积的峰值点。此外,三个次变量中液体流量的变化对微细气泡生成特性的影响尤为显著,液体流量越大,其生成时间和脱离体积越小。实测值与仿真值的偏差在正负百分之十以内,验证了微通道壁面润湿性对微细气泡生成特性的影响规律。     

球形流体转子陀螺仪动力学分析

球形流体转子陀螺仪是利用在球腔内旋转的流体作为惯性元件的新型陀螺仪,可作为双轴速率陀螺仪在航空及航天技术中量测载体的角速度或自旋卫星的章动角。本文系统地分析了这种陀螺仪的动力学原理,导出了计算公式,并建立各种设计参数与量测灵敏度和精度之间的关系,为新型陀螺仪的研制工作提供理论基础.     

弯曲微小通道的流阻特性

设计了不同曲率半径、不同几何尺寸的弯曲微小通道，并对其进行了流阻试验，得出了不同几何尺寸的弯曲微小通道的流动特性，并采用N—S方程对流体在弯曲微小通道中的流动特性进行了数值研究．将试验结果与数值计算结果进行了比较，发现它们间存在较大的差异．为了正确解释这种差异，在对流体流动特性分析的基础上引入了粗糙粘度模型．计算结果表明，用粗糙粘度模型计算的结果与试验值吻合较好．     

结冰对带舵面翼型流场的影响及其气动参数分析

利用计算流体动力学方法模拟了结冰后带舵面翼型的流场变化特征,分析了不同攻角条件下升力系数与舵面偏转角的量化关系,并对比了角冰和脊状冰条件下气动导数的差异.结果表明:与干净翼型相比,结冰后带舵面翼型的升力系数及升力系数关于舵面偏转角的变化率出现了较大降幅;舵面下偏导致的"上洗"效应将会加大冰型对流场的干扰,角冰引起的流动分离尺度受舵面偏转角的影响较大,且随着来流攻角增加而愈加明显;脊状冰可使翼型上表面产生大范围的流动分离,带舵面翼型的失速偏转角大幅提前,升力系数关于舵面偏转角的变化率大幅降低;在角冰条件下,带舵面翼型的相对气动导数呈现出3个不同的变化阶段,且随着来流攻角和舵面偏转角的增加而逐级下降,而在脊状冰条件下则呈现出2个不同的变化阶段,且其降幅更明显.     

溢洪道贴角斜挑坎挑流水舌水力特性研究

溢洪道出口挑坎体型的设计会依据工程的需求而有所不同.通过模型试验和数值模拟结合的方法,将常规的斜切式挑坎与加贴角的斜切式挑坎的水舌形态、水舌挑距、挑高、水舌及下游紊动能和紊动能耗散率进行比较分析,得出了加贴角后斜挑体型的新的特征.对于狭窄河道大交角溢洪道,加贴角斜切式挑坎能够使挑流翻转偏向一侧,有利于挑流的归槽,减小了入水宽度和对单侧岸坡的冲刷,且挑流在空中运动时紊动剧烈,砸落水垫时紊动能耗散迅速,有利于下游消能防冲.     

微通道铣削加工工艺的实验研究

为了实现微通道的高效加工,提出利用微细铣刀对铝合金薄板进行微通道阵列结构加工,并通过改变加工工艺参数的方法,系统研究了铣削加工参数(背吃刀量、进给速度和主轴转速)对微通道的几何尺寸的影响规律。研究结果表明:选用直径为0.4mm铣刀的条件下,加工出微通道的宽度随着背吃刀量和进给速度的增大而逐渐增大,且背吃刀量的影响较为明显。在6 000~21 000r/min的主轴转速范围内,随着主轴转速的增加,微通道的宽度尺寸变化不大。因此,通过选择优化的切削加工工艺参数,可以实现微通道阵列结构的加工。     

前缘倒角对涡轮轮缘密封性能的影响

研究转子叶片前缘倒角结构对涡轮轮缘密封性能的影响机制,在不同封严流量下,对转子前缘带倒角和不带倒角的轮缘密封装置进行数值模拟。研究结果表明：转子前缘倒角结构通过改变前缘附近压力势场从而对主流燃气入侵和封严出流冷气与主流的干涉产生影响。增加倒角结构有利于减弱主流高温燃气入侵的程度,在低封严流量下,最大可使得涡轮盘腔封严效率提高7%;倒角结构削弱了由封严间隙涡和马蹄涡形成的通道涡强度,降低封严冷气与主流干涉造成的气动损失。当封严流量为主流流量的1.3%时,带倒角装置的涡轮级气动效率增大2.1%。