能源和運(yùn)輸部門使用的低效流體機(jī)械是造成溫室氣體排放和由此產(chǎn)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(dòng)分離。為此，來自日本的研究人員現(xiàn)已開發(fā)出一種基于柔性薄膜微機(jī)電系統(tǒng)的氣流傳感器，可用于測量高速氣流彎曲壁中復(fù)雜的三維流動(dòng)分離。

圖片來源：東京理科大學(xué)

能源和運(yùn)輸部門經(jīng)常使用不同種類的流體機(jī)械，包括泵、渦輪機(jī)和飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，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(dòng)分離引起的流體機(jī)械效率低下，彎曲表面通常在性質(zhì)上非常復(fù)雜。

因此，為了提高流體機(jī)械的效率，需要對曲面上的近壁流動(dòng)進(jìn)行表征，以抑制這種流動(dòng)分離。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)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(jī)械的彎曲壁中。其次，現(xiàn)有適用于曲面的柔性傳感器無法檢測流體角度（流動(dòng)方向）。此外，這些傳感器僅限于檢測速度低于 30 m/s 的流動(dòng)分離。

在一項(xiàng)新研究中，日本東京科技大學(xué) (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(xué)接受了這一挑戰(zhàn)。正如 Motosuke 教授所說，“在容易發(fā)生流動(dòng)分離的曲面上感測剪切應(yīng)力及其方向，尤其是在不使用新技術(shù)的情況下很難實(shí)現(xiàn)�！� 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(tuán)隊(duì)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(huì)干擾周圍的氣流，這是高效測量的關(guān)鍵要求。為此，傳感器基于微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 技術(shù)。此外，新穎的設(shè)計(jì)允許集成多個(gè)傳感器，以同時(shí)測量壁面剪切應(yīng)力和流動(dòng)角。

為了測量墻壁上的剪應(yīng)力，傳感器測量了微型加熱器的熱損失，而流動(dòng)角是使用加熱器周圍的六個(gè)溫度傳感器陣列估計(jì)的，這有助于多向測量。該團(tuán)隊(duì)對氣流進(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。使用高速氣流隧道作為測試環(huán)境，該團(tuán)隊(duì)在 (30 – 170) m/s 的廣泛氣流速度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)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(kuò)展性�！翱梢允褂萌嵝杂∷㈦娐钒鍖�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(biāo)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(dòng)的影響，” Motosuke 教授解釋道。

圖片來源：東京理科大學(xué)

研究小組估計(jì)加熱器輸出會(huì)隨著壁面剪應(yīng)力的三分之一次方而變化，而傳感器輸出比較兩個(gè)相對放置的傳感器之間的溫差，顯示出隨著流動(dòng)角度的變化而出現(xiàn)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(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，用于開發(fā)這種傳感器的工作原理可以擴(kuò)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(shè)計(jì)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(jù)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(qiáng)調(diào)說。

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