新型薄而灵活的传感器可表征曲面上的高速气流

能源和运输部门使用的低效流体机械是造成温室气体排放和由此产生的全球变暖的原因。为了提高效率，有必要表征和减少曲面上的流动分离。为此，来自日本的研究人员现已开发出一种基于柔性薄膜微机电系统的气流传感器，可用于测量高速气流弯曲壁中复杂的三维流动分离。

图片来源：东京理科大学

能源和运输部门经常使用不同种类的流体机械，包括泵、涡轮机和飞机发动机，所有这些都需要高碳足迹。这主要是由于弯曲表面周围的流动分离引起的流体机械效率低下，弯曲表面通常在性质上非常复杂。

因此，为了提高流体机械的效率，需要对曲面上的近壁流动进行表征，以抑制这种流动分离。实现这一目标的挑战是多方面的。首先，传统的流量传感器不够灵活，无法装入流体机械的弯曲壁中。其次，现有适用于曲面的柔性传感器无法检测流体角度（流动方向）。此外，这些传感器仅限于检测速度低于 30 m/s 的流动分离。

在一项新研究中，日本东京科技大学 (TUS) 的 Masahiro Motosuke 教授及其同事 Koichi Murakami 先生、Daiki Shiraishi 先生和 Yoshiyasu Ichikawa 博士与日本三菱重工合作，日本岩手大学接受了这一挑战。正如 Motosuke 教授所说，“在容易发生流动分离的曲面上感测剪切应力及其方向，尤其是在不使用新技术的情况下很难实现。” 他们的工作于2022 年 8 月 12 日发表在Micromachines第 13 卷第 8 期。

该团队在他们的研究中开发了一种基于聚酰亚胺薄膜的柔性流量传感器，该传感器可以轻松安装在曲面上而不会干扰周围的气流，这是高效测量的关键要求。为此，传感器基于微机电系统 (MEMS) 技术。此外，新颖的设计允许集成多个传感器，以同时测量壁面剪切应力和流动角。

为了测量墙壁上的剪应力，传感器测量了微型加热器的热损失，而流动角是使用加热器周围的六个温度传感器阵列估计的，这有助于多向测量。该团队对气流进行了数值模拟，以优化加热器和传感器阵列的几何形状。使用高速气流隧道作为测试环境，该团队在 (30 – 170) m/s 的广泛气流速度范围内实现了有效的流量测量。开发的传感器展示了高灵活性和可扩展性。“可以使用柔性印刷电路板将传感器周围的电路拉出并安装在不同的位置，这样测量目标上就只贴了一张薄薄的薄片，从而最大限度地减少了对周围流动的影响，” Motosuke 教授解释道。

图片来源：东京理科大学

研究小组估计加热器输出会随着壁面剪应力的三分之一次方而变化，而传感器输出比较两个相对放置的传感器之间的温差，显示出随着流动角度的变化而出现特殊的正弦振荡。

开发的传感器具有在工业规模流体机械中广泛应用的潜力，这些流体机械通常涉及三维表面周围的复杂流动分离。此外，用于开发这种传感器的工作原理可以扩展到高速亚音速气流之外。

“虽然这种传感器是为快速气流而设计的，但我们目前正在开发测量液体流量的传感器，并且可以根据相同的原理附着在人体上。这种薄而灵活的流量传感器可以开辟许多可能性，” Motosuke 教授强调说。

总而言之，新型 MEMS 传感器可能会改变开发高效流体机械的游戏规则，同时减少对我们环境的不利影响。

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