能源和運輸部門使用的低效流體機械是造成溫室氣體排放和由此產生的全球變暖的原因。為了提高效率，有必要表征和減少曲面上的流動分離。為此，來自日本的研究人員現已開發(fā)出一種基于柔性薄膜微機電系統(tǒng)的氣流傳感器，可用于測量高速氣流彎曲壁中復雜的三維流動分離。

圖片來源：東京理科大學

能源和運輸部門經常使用不同種類的流體機械，包括泵、渦輪機和飛機發(fā)動機，所有這些都需要高碳足跡。這主要是由于彎曲表面周圍的流動分離引起的流體機械效率低下，彎曲表面通常在性質上非常復雜。

因此，為了提高流體機械的效率，需要對曲面上的近壁流動進行表征，以抑制這種流動分離。實現這一目標的挑戰(zhàn)是多方面的。首先，傳統(tǒng)的流量傳感器不夠靈活，無法裝入流體機械的彎曲壁中。其次，現有適用于曲面的柔性傳感器無法檢測流體角度（流動方向）。此外，這些傳感器僅限于檢測速度低于 30 m/s 的流動分離。

在一項新研究中，日本東京科技大學 (TUS) 的 Masahiro Motosuke 教授及其同事 Koichi Murakami 先生、Daiki Shiraishi 先生和 Yoshiyasu Ichikawa 博士與日本三菱重工合作，日本巖手大學接受了這一挑戰(zhàn)。正如 Motosuke 教授所說，“在容易發(fā)生流動分離的曲面上感測剪切應力及其方向，尤其是在不使用新技術的情況下很難實現�！� 他們的工作于2022 年 8 月 12 日發(fā)表在Micromachines第 13 卷第 8 期。

該團隊在他們的研究中開發(fā)了一種基于聚酰亞胺薄膜的柔性流量傳感器，該傳感器可以輕松安裝在曲面上而不會干擾周圍的氣流，這是高效測量的關鍵要求。為此，傳感器基于微機電系統(tǒng) (MEMS) 技術。此外，新穎的設計允許集成多個傳感器，以同時測量壁面剪切應力和流動角。

為了測量墻壁上的剪應力，傳感器測量了微型加熱器的熱損失，而流動角是使用加熱器周圍的六個溫度傳感器陣列估計的，這有助于多向測量。該團隊對氣流進行了數值模擬，以優(yōu)化加熱器和傳感器陣列的幾何形狀。使用高速氣流隧道作為測試環(huán)境，該團隊在 (30 – 170) m/s 的廣泛氣流速度范圍內實現了有效的流量測量。開發(fā)的傳感器展示了高靈活性和可擴展性。“可以使用柔性印刷電路板將傳感器周圍的電路拉出并安裝在不同的位置，這樣測量目標上就只貼了一張薄薄的薄片，從而最大限度地減少了對周圍流動的影響，” Motosuke 教授解釋道。

圖片來源：東京理科大學

研究小組估計加熱器輸出會隨著壁面剪應力的三分之一次方而變化，而傳感器輸出比較兩個相對放置的傳感器之間的溫差，顯示出隨著流動角度的變化而出現特殊的正弦振蕩。

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，用于開發(fā)這種傳感器的工作原理可以擴展到高速亞音速氣流之外。

“雖然這種傳感器是為快速氣流而設計的，但我們目前正在開發(fā)測量液體流量的傳感器，并且可以根據相同的原理附著在人體上。這種薄而靈活的流量傳感器可以開辟許多可能性，” Motosuke 教授強調說。

總而言之，新型 MEMS 傳感器可能會改變開發(fā)高效流體機械的游戲規(guī)則，同時減少對我們環(huán)境的不利影響。