壁面剪应力测量底层隔板数学模型研究

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1、第3卷第3期航空工程进展Vo1．3No．32012年8月ADVANCESINAER0NAUTICALSCIENCEANDENGINEERINGAug．2OI2文章编号：1674—8190(2012)03—373—06壁面剪应力测量底层隔板数学模型研究孙海浪，马炳和，邓进军，马骋宇(西北工业大学陕西省微／纳米系统重点实验室，西安710072)摘要：为指导器件研发设计和测量工作，提出了一种建立底层隔板壁面剪应力一压差数学模型的方法。通过量纲分析确定壁面剪应力和压差之间关系；结合具体器件，采用CFD方法计算出若干组壁面剪应力、压差的值；通过非线性回归获得该器件的壁面剪应力一压

2、差数学模型。将建立的模型与实测数据进行对比，结果表明：二者能够较好地吻合，证明提出的方法是有效的。并应用该方法设计并加工了一种压阻式微机电系统(MEMS)底层隔板。关键词：底层隔板；壁面剪应力；数学模型；压差；微机电系统中图分类号：V241；TP212文献标识码：AStudyonMathematicalModelofSub—layerFenceforWallShearStressMeasurementSunHailang，MaBinghe，DengJinjun，MaChengyu(KeyLaboratoryofMEMS／NEMSofShaanxiProvince，Nor

3、thwesternPolytechnicalUniversity，Xi’an710072，China)Abstract：AmethodtOestablishthewallshearstress—pressuremathematicalmodelofsub—layerfenceispro—posedfortheR&Dandmeasurementworkofthedevice．Therelationshipbetweenwallshearstressandthepressureisdeterminedbydimensionalanalysis．Combinedwithasp

4、ecificdevice，thevaluesofseveralsetsofwallshearstressandthepressurearecalculatedbyCFDmethod．Themathematicalmodelisestablishedbynonlinearregressionusingtheaforementionedwallshearstressandpressurevalue．Themethodisverifiedthroughcomparingtheestablishedmodelwiththeexperimentaldataofadeveloped

5、device．Theresultshowsgoodmatchbetweenthem．Themethodproposediseffective．ApiezoresistiveMEMSsub—layerfenceisde—signedandfabricatedbasedonthemethod．Keywords：sub—layerfence；wallshearstress；mathematicalmodel；pressure；MEMS①摩擦天平法L1]，通过测量弹性结构在壁面剪应0引言力作用下的机械形变来感测壁面剪应力；②热线(热膜)法l2]，基于壁面剪应力和近壁区域强制对流

6、壁面剪应力是研究边界层流动的基础参量之散热之间的关系，通过热线(热膜)测量强制对流散一，可用于计算摩擦阻力，判断转捩、边界层分离和热情况实现感测；③普列斯顿(Preston)管法]、再附的发生位置等，在航空及航海工程中有重要应斯坦顿(Stanton)管法]、底层隔板(Sub—layer用价值。Fence)法]，基于壁面剪应力与相关部位压差的关目前工程中常用的测量壁面剪应力的方法有：系，通过测量压差实现感测。摩擦天平法是一种直接测量方法，多适合量值收稿日期：201202—20；修回日期：2012-03—29较大的壁面剪应力测量。热线(热膜)法能以较简单基金项目：国家自然科

7、学基金(51105317)的器件结构实现边界层近壁区域流场的测量，但测通信作者：孙海浪，sun．hl@163．com量过程中需要考虑环境温度的影响。普列斯顿管374航空工程进展第3卷法、斯坦顿管法和底层隔板法都是通过测量压差来1．1．2MEMS工艺制作的底层隔板获得壁面剪应力的方法。普列斯顿管法测量的是紧相对于机械加工，采用MEMS工艺制作微小贴壁面的皮托管和壁面静压孔之间的压差，斯坦顿结构更加方便简单。且采用MEMS工艺可方便地管法测量的是来流方向“刀片”内侧和壁面静压孔之将压力敏感元件和隔板结构集成为一体，极大地提间的压差，这两种方法