能源和交通運輸領域經常使用各種類型的流體機械，例如各種泵、渦輪機和飛機引擎等，所有這些都會帶來較高的碳足跡。這主要是由于彎曲表面周圍流動分離導致的流體機械效率降低，這種現(xiàn)象通常非常復雜。
因此，為了提高流體機械的效率，需要表征曲面上的近壁流動，以抑制這種流動分離。不過，實現(xiàn)這一目標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，無法很好的匹配流體機械的曲壁。
其次，現(xiàn)有適用于曲面的柔性傳感器又無法檢測流體角度（流動方向）。
此外，這些傳感器僅限于檢測速度小于30 m/s的流動分離。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，日本東京理科大學（TUS）的Masahiro Motosuke教授及其同事Koichi Murakami、Daiki Shiraishi和Yoshiyasu Ichikawa博士在一項新的研究中與日本三菱重工和日本巖手大學（Iwate University）合作，設計了一種新型MEMS柔性流量傳感器，可以很容易地匹配流體機械的曲壁，并表征多個方向上的高速流動分離。正如Motosuke教授介紹：“對于容易發(fā)生流動分離的曲面，不開發(fā)利用新技術，很難感知剪切應力及其方向?！?/p>
壁剪切應力和流動角測量原理
在這項研究中，該團隊開發(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，并且不會干擾周圍的氣流，這是實現(xiàn)有效測量的關鍵之一。為此，該傳感器采用了MEMS技術。此外，這種新型設計還能夠集成多個傳感器，用于同時測量壁剪切應力和流動角。
基于聚酰亞胺薄膜的柔性MEMS流量傳感器
該傳感器通過測量微型加熱器的熱損失來測量曲面壁上的剪切應力，而流動角測量通過使用加熱器周圍的六個溫度傳感器陣列來估算，這有助于實現(xiàn)多方向測量。
該團隊對氣流進行了數(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試環(huán)境，在30~170 m/s的氣流速度范圍內實現(xiàn)了有效的流量測量。
（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)域為聚酰亞胺襯底，黑色區(qū)域為Au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量目標上，從而將傳感器對周圍流體的影響降到最低?！?/p>
據(jù)研究團隊估算，加熱器的輸出隨曲面壁剪切應力的三分之一次方而變化，而比較兩個相對放置的傳感器之間的溫度差表明，隨著流動角的變化，出現(xiàn)了一種特殊的正弦振蕩。
該團隊開發(fā)的傳感器具有在工業(yè)規(guī)模流體機械中廣泛應用的潛力，這些流體機械通常涉及三維表面周圍的復雜流動分離。此外，開發(fā)該傳感器的工作原理可以擴展到高速亞音速氣流以外更廣泛的應用。
Motosuke教授強調：“這種傳感器是為高速氣流而設計的，不過，我們目前還在開發(fā)能夠測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用可能?！?/p>
總體來說，這種新型MEMS傳感器為高效流體機械開發(fā)帶來了新突破，從而通過降低碳足跡改善對環(huán)境的不利影響。
審核編輯：劉清