水中mems壁面剪应力传感器标定分析及检验试验研究

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1、分类号：U661.3密级：公开UDC：53编号：S2016-702-13中国舰船研究院硕士学位论文水中MEMS壁面剪应力传感器标定分析及检验试验研究作者：沈雪指导老师：田于逵研究员学科专业：流体力学中国船舶科学研究中心二〇一六年三月分类号U661.3密级公开UDC53编号S2016-702-13硕士学位论文水中MEMS壁面剪应力传感器标定及检验试验研究CalibrationAnalysisandExaminationTestsofMEMSWallShearStressSensorforUnder-waterApplication指导教师姓名

2、：田于逵职称：研究员学位申请人姓名：沈雪申请学位级别：工学硕士专业名称：流体力学研究方向：现代船舶计算与实验流体力学论文提交时间：2016年3月培养单位：中国船舶科学研究中心学位授予单位：中国舰船研究院学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文所有研究工作，均在导师指导下由作者本人独立完成。引用的有关观点、方法、数据和文献已在论文中注明，并与参考文献对应。除论文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的研究成果。对本文研究作出任何贡献的个人和集体，均已在论文中以明确方式注明并表示感谢。学位论文作者签名：沈雪日期：2016

3、年4月9日中国舰船研究院硕士学位论文摘要壁面剪应力的准确测量对于流动减阻、湍流结构机理研究等方面都具有重要作用，而该物理量使用传统的壁面剪应力传感器较难准确测得。近年来，MEMS(Micro-electromechanicalSystems)技术与传统热膜技术相结合的热膜型MEMS壁面剪应力传感器受到了广泛的关注和研究，它具有较高的频率响应和分辨率等优点。为了将该传感器更好地应用到实际测量中，本文针对热膜型MEMS壁面剪应力传感器进行了水下标定及其不确定度分析，并采用平板边界层壁面剪应力测量开展基准检验试验研究。水下标定在精密校验水槽中进行

4、，通过测量扁平槽道的压力梯度来获得壁面剪应力。通过各个工况下壁面剪应力信号与输出电压信号的采集与分析获得了传感器的标定曲线，通过多次重复测量数据分析了壁面剪应力测量的不确定度及电压信号测量的不确定度。试验结果表明，标定公式具有较高的可靠性；扁平校验水槽能够提供较高精度的剪应力输入；MEMS传感器能够稳定可靠地应用于流体壁面剪应力的测量。采用经标定的MEMS传感器测量平板边界层壁面剪应力，同时采用LDV(LaserDopplerVelocimetry)获得平板边界层速度剖面，并对壁面剪应力大小进行经验公式估算。通过比较可知，LDV速度剖面法拟

5、合结果、MEMS测量结果和经验公式计算结果三者一致性较好，相互之间差别在5%以内，因此MEMS标定结果准确性得到有效检验，MEMS方法能够可靠应用于壁面剪应力测量。关键词：壁面剪应力；水中MEMS传感器；标定；不确定度分析；平板边界层；LDVI水中MEMS壁面剪应力传感器标定分析及检验试验研究AbstractAccuratemeasurementofwallshearstressisbothimportantfordragreductionandturbulencestructureresearch,howeveritishardtobem

6、easuredpreciselywithtraditionalwallshearstresssensor.Inrecentyears,MEMShot-filmwallshearstresssensorwhichcombinesMEMStechniqueandtraditionalhot-filmtechniquereceivedwidelyattention.Ithastheadvantagesofhighfrequencyresponseandhighresolution.Inordertorealizepracticalapplicat

7、ionsofunder-watermeasurements,someeffortsaremadeinthispapertoanalyzethecalibrationofMEMShot-filmwallshearstresssensorandconductflatplatetestsforfurtherexamination.Under-watercalibrationiscarriedoutinaprecisionwatertunnel.Thewallshearstressisobtainedthroughpressuregradientm

8、easurement.Calibrationcurveisacquiredthroughcollectionsandanalysesofwallshearstressinputa