能源和交通運(yùn)輸領(lǐng)域經(jīng)常使用各種類型的流體機(jī)械，例如各種泵、渦輪機(jī)和飛機(jī)引擎等，所有這些都會(huì)帶來(lái)較高的碳足跡。這主要是由于彎曲表面周圍流動(dòng)分離導(dǎo)致的流體機(jī)械效率降低，這種現(xiàn)象通常非常復(fù)雜。

因此，為了提高流體機(jī)械的效率，需要表征曲面上的近壁流動(dòng)，以抑制這種流動(dòng)分離。不過(guò)，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要解決多方面的挑戰(zhàn)。

首先，傳統(tǒng)的流量傳感器的柔性不夠，無(wú)法很好的匹配流體機(jī)械的曲壁。

其次，現(xiàn)有適用于曲面的柔性傳感器又無(wú)法檢測(cè)流體角度（流動(dòng)方向）。

此外，這些傳感器僅限于檢測(cè)速度小于30 m/s的流動(dòng)分離。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，日本東京理科大學(xué)（TUS）的Masahiro Motosuke教授及其同事Koichi Murakami、Daiki Shiraishi和Yoshiyasu Ichikawa博士在一項(xiàng)新的研究中與日本三菱重工和日本巖手大學(xué)（Iwate University）合作，設(shè)計(jì)了一種新型MEMS柔性流量傳感器，可以很容易地匹配流體機(jī)械的曲壁，并表征多個(gè)方向上的高速流動(dòng)分離。正如Motosuke教授介紹：“對(duì)于容易發(fā)生流動(dòng)分離的曲面，不開發(fā)利用新技術(shù)，很難感知剪切應(yīng)力及其方向?！?/p>

壁剪切應(yīng)力和流動(dòng)角測(cè)量原理

在這項(xiàng)研究中，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于聚酰亞胺薄膜的柔性流量傳感器，可以輕松地安裝在曲面上，并且不會(huì)干擾周圍的氣流，這是實(shí)現(xiàn)有效測(cè)量的關(guān)鍵之一。為此，該傳感器采用了MEMS技術(shù)。此外，這種新型設(shè)計(jì)還能夠集成多個(gè)傳感器，用于同時(shí)測(cè)量壁剪切應(yīng)力和流動(dòng)角。

基于聚酰亞胺薄膜的柔性MEMS流量傳感器

該傳感器通過(guò)測(cè)量微型加熱器的熱損失來(lái)測(cè)量曲面壁上的剪切應(yīng)力，而流動(dòng)角測(cè)量通過(guò)使用加熱器周圍的六個(gè)溫度傳感器陣列來(lái)估算，這有助于實(shí)現(xiàn)多方向測(cè)量。

該團(tuán)隊(duì)對(duì)氣流進(jìn)行了數(shù)值模擬，以優(yōu)化加熱器和傳感器陣列的幾何形狀。研究人員利用高速氣流隧道作為測(cè)試環(huán)境，在30~170 m/s的氣流速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了有效的流量測(cè)量。

（a）柔性MEMS流量傳感器制造工藝；（b）MEMS流量傳感器中的加熱器和溫度傳感器，黃色區(qū)域?yàn)榫埘啺芬r底，黑色區(qū)域?yàn)锳u薄膜

研究人員開發(fā)的這款傳感器具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性。Motosuke教授解釋道：“傳感器周圍的電路可以用柔性印刷電路板拉出并安裝在不同的位置，這樣只需將一張薄片貼在測(cè)量目標(biāo)上，從而將傳感器對(duì)周圍流體的影響降到最低?！?/p>

據(jù)研究團(tuán)隊(duì)估算，加熱器的輸出隨曲面壁剪切應(yīng)力的三分之一次方而變化，而比較兩個(gè)相對(duì)放置的傳感器之間的溫度差表明，隨著流動(dòng)角的變化，出現(xiàn)了一種特殊的正弦振蕩。

該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的傳感器具有在工業(yè)規(guī)模流體機(jī)械中廣泛應(yīng)用的潛力，這些流體機(jī)械通常涉及三維表面周圍的復(fù)雜流動(dòng)分離。此外，開發(fā)該傳感器的工作原理可以擴(kuò)展到高速亞音速氣流以外更廣泛的應(yīng)用。

Motosuke教授強(qiáng)調(diào)：“這種傳感器是為高速氣流而設(shè)計(jì)的，不過(guò)，我們目前還在開發(fā)能夠測(cè)量液體流量的傳感器，并且可以基于相同的原理安裝在人體上。這種柔性的輕薄流量傳感器有望打開更多應(yīng)用可能?！?/p>

總體來(lái)說(shuō)，這種新型MEMS傳感器為高效流體機(jī)械開發(fā)帶來(lái)了新突破，從而通過(guò)降低碳足跡改善對(duì)環(huán)境的不利影響。

審核編輯：劉清