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微喷管内气体流动特性研究

工程力学 2004年第3期21卷 190-195页

作者：丁英涛姚朝晖何枫清华大学工程力学系北京100084

研究旨在提高微型空间推进器和微型气体涡轮机等微器件的性能.采用硅微加工技术在硅片上制作出矩形截面三维收缩-扩张微喷管,喉部宽度为16,深度为20,收缩比为1.625:1.实验测量了不同进出口压比条件下微喷管内氮气流量特性.实验设定进出... 详细信息

研究旨在提高微型空间推进器和微型气体涡轮机等微器件的性能.采用硅微加工技术在硅片上制作出矩形截面三维收缩-扩张微喷管,喉部宽度为16,深度为20,收缩比为1.625:1.实验测量了不同进出口压比条件下微喷管内氮气流量特性.实验设定进出口压比范围为1.0～5.0,由此出口体积流量范围为0～0.2mL/s,出口截面特征雷诺数小于500.基于两种数值模拟方法(有限体积法和Boltzmann气体动力学方法)对微喷管内部流动特性进行了数值模拟.数值模拟结果与实验结果相吻合.数值模拟结果发现几点不同于宏观流动的异常现象:随着压比的提高,声速截面逐渐偏离喉部,向下游区移动,并且下游区的流动不断加速.当压比达到5.0时,出口截面中心区域的马赫数达到1.26.沿程压力分布呈现非线性下降的趋势.这些现象主要是由于相比于常规尺度管道,微小尺度下表面效应引起的粘性附面层效应和三维效应更显著.

关键词：流体力学微流动粘性附面层三维效应收缩,扩张微喷管

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微细管内流动特性的数值分析

清华大学学报（自然科学版） 2003年第5期43卷 686-689页

作者：丁英涛姚朝晖何枫清华大学工程力学系北京100084

通过结合实验数据的数值计算方法研究了微细管道内可压流动的流动特性,提出了改进的表面粗糙度粘性系数模型,将表面粗糙度的影响引入计算模型中,计算结果与实验数据符合较好,说明表面粗糙度是影响微细管道内气体流动特性的重要因素。扩... 详细信息

通过结合实验数据的数值计算方法研究了微细管道内可压流动的流动特性,提出了改进的表面粗糙度粘性系数模型,将表面粗糙度的影响引入计算模型中,计算结果与实验数据符合较好,说明表面粗糙度是影响微细管道内气体流动特性的重要因素。扩张管的计算结果表明在Re>450时,流动开始由层流向湍流转捩。因此微细管内流动的数值模拟需综合考虑粗糙度的影响以及流动的提前转捩,才能得到与实验比较吻合的计算值。

关键词：微细管流动特性可压流动表面粗糙度层流湍流微流动气体流动

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变截面微管道的制作与气体流动特性分析

机械强度 2003年第2期25卷 144-147页

作者：丁英涛姚朝晖郝鹏飞清华大学工程力学系北京100084

为提高硅微无阀泵和空间微推进器的性能 ,采用微电子机械工艺在硅片上加工出不同长度、不同喉部宽度、断面形状为矩形的变截面微管道 ,实验测量微管道内氮气的流量特性 ,分析不同因素对流动特性的影响。研究发现 ,相同变截面微管道 ,扩... 详细信息

为提高硅微无阀泵和空间微推进器的性能 ,采用微电子机械工艺在硅片上加工出不同长度、不同喉部宽度、断面形状为矩形的变截面微管道 ,实验测量微管道内氮气的流量特性 ,分析不同因素对流动特性的影响。研究发现 ,相同变截面微管道 ,扩张方向的性能好于收缩方向 ;不同变截面微管道 ,随着扩张角、等直段长度、宽度的不断增加 ,流动性能逐渐提高。

关键词：变载面微管道扩张角微电子机械系统体积流量 Knudsen数微泵

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硅基自屏蔽式MEMS带通滤波器

北京理工大学学报 2017年第9期37卷 958-963页

作者：丁英涛卢威严阳阳北京理工大学信息与电子学院北京100081

基于硅基深反应离子刻蚀、表面金属化、热压金-金键合等微机电系统(micro-electro-mechanical-systems,MEMS)加工工艺,并结合耦合系数设计方法,选用终端开路式交指结构,实现了一种应用于C波段的自屏蔽式MEMS带通滤波器.开发了该新型滤... 详细信息

基于硅基深反应离子刻蚀、表面金属化、热压金-金键合等微机电系统(micro-electro-mechanical-systems,MEMS)加工工艺,并结合耦合系数设计方法,选用终端开路式交指结构,实现了一种应用于C波段的自屏蔽式MEMS带通滤波器.开发了该新型滤波器工艺加工流程,并基于高阻硅衬底成功实现了滤波器的制造和测试.测试结果表明,所制造的滤波器中心频率为3.96GHz,频率误差为2.6%,通带内插入损耗约4dB,驻波比小于1.2,相对带宽为20.7%,器件整体尺寸为7.0mm×7.8mm×0.8mm,器件质量小于0.1g,具有尺寸小、重量轻、性能高、造价低、可批量生产、易于单片集成等显著优点,适应了微波毫米波电路对于滤波器件小型化、轻质化、集成化发展的应用要求.

关键词： MEMS滤波器微机电系统工艺 C波段小型化

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微型喷管内气体流动的流量壅塞现象

北京理工大学学报 2006年第12期26卷 1086-1089页

作者：丁英涛谢君堂仲顺安北京理工大学信息科学技术学院电子工程系北京100081

基于MEMS微加工工艺,在硅片上加工出带有内部测压孔的微型喷管,其喉部宽度为20μm,深度为240μm,扩张比为1.7,采用实验研究和数值计算相结合的手段研究了微型喷管内气体的流动特性.研究结果表明:保持进口压力不变,不断降低背压,当喉部... 详细信息

基于MEMS微加工工艺,在硅片上加工出带有内部测压孔的微型喷管,其喉部宽度为20μm,深度为240μm,扩张比为1.7,采用实验研究和数值计算相结合的手段研究了微型喷管内气体的流动特性.研究结果表明:保持进口压力不变,不断降低背压,当喉部马赫数达到0.8时,内部流动出现了质量流量壅塞现象.此时对应的壅塞临界压比为0.650;同时发现,当进出口压差为48 kPa和66 kPa时,喉部下游扩张段出现了局部超声速环.这些异于常规喷管流动特性的现象主要归因于微型喷管内较大的粘性耗散.

关键词：微型喷管流量壅塞数值计算声速点

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微管道内剪应力传感器的研制与优化

北京理工大学学报 2007年第3期27卷 251-254页

作者：丁英涛仲顺安谢君堂北京理工大学信息科学技术学院电子工程系北京100081

基于微机电系统(MEMS)微加工工艺,开发了一种能够测量微管道内壁面剪应力的热式传感器,以多晶硅为热敏元件,在低阻硅衬底上形成多孔硅膜隔离硅衬底损耗.利用水浴加热方法测量得到电阻温度系数为0.21%/℃.采用数值模拟的方法对剪应力传... 详细信息

基于微机电系统(MEMS)微加工工艺,开发了一种能够测量微管道内壁面剪应力的热式传感器,以多晶硅为热敏元件,在低阻硅衬底上形成多孔硅膜隔离硅衬底损耗.利用水浴加热方法测量得到电阻温度系数为0.21%/℃.采用数值模拟的方法对剪应力传感器进行了热分析,探讨了提高剪应力传感器灵敏度和线性度的方法,为优化其设计和使用提供了理论基础.数值模拟结果表明:随着微管道深度的增加,传感器灵敏度提高,但线性度下降.

关键词：微电子机械系统剪应力传感器多晶硅多孔硅

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可压缩气体合成射流微喷优化设计

北京理工大学学报 2012年第2期32卷 150-153页

作者：丁英涛刘汝卿李博北京理工大学信息与电子学院北京100081

借助Fluent软件,基于标准k-ε湍流模型和PISO算法,采用动网格方法构造动边界条件,在可压缩模型下,对二维、黏性、非定常气体合成射流微喷的频率特性及影响射流性能的3个关键因素(驱动频率、振动膜峰值速度和喷口尺寸)进行数值模拟,为合... 详细信息

借助Fluent软件,基于标准k-ε湍流模型和PISO算法,采用动网格方法构造动边界条件,在可压缩模型下,对二维、黏性、非定常气体合成射流微喷的频率特性及影响射流性能的3个关键因素(驱动频率、振动膜峰值速度和喷口尺寸)进行数值模拟,为合成射流微喷的优化设计提供了依据.结果表明,在可压缩模型下,合成射流微喷的频率特性仿真结果与理论计算结果较吻合,验证了其在可压缩气体模型下仿真的必要性;同时,对任一给定的合成射流微喷,驱动频率和喷口宽度存在最优值.

关键词：合成射流微喷可压缩模型数值模拟优化设计

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高能压电合成射流激励器的实验研究

北京理工大学学报 2014年第9期34卷 981-984页

作者：张蕾严阳阳李博丁英涛北京理工大学信息与电子学院北京100081

为有效控制飞行器边界层的流动分离和增强掺混,提出了一种全新的流动控制技术.采用微细加工技术成功地制作了压电合成射流激励器,并对其流场特性进行了测试,得到了激励器的流向和展向射流速度分布规律以及流向速度与频率之间的关系.结... 详细信息

为有效控制飞行器边界层的流动分离和增强掺混,提出了一种全新的流动控制技术.采用微细加工技术成功地制作了压电合成射流激励器,并对其流场特性进行了测试,得到了激励器的流向和展向射流速度分布规律以及流向速度与频率之间的关系.结合理论分析和数值模拟,验证了实验结果的合理性,对合成射流激励器的优化设计提供了重要参考.从流向速度与频率关系曲线中,获得了Helmholtz频率(fH=425Hz)及压电薄膜的固有频率(fM=850Hz).流向速度分布曲线表明,中心线速度最大值出现在喷口下游.

关键词：压电合成射流激励器热线 Helmholtz频率

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变截面微管道内声速点位置及临界压比

物理学报 2004年第7期53卷 2050-2055页

作者：丁英涛何枫姚朝晖沈孟育王学芳清华大学工程力学系北京100084

等直收缩扩张等直 (SCDS)变截面微管道主要应用于微型空间推进器和微型气体涡轮机等微器件中 ,研究其内流动特性对指导上述两种微器件的设计和性能的提高具有非常重要的意义 .采用硅微加工技术在硅片上制作出矩形截面三维SCDS微管道 ... 详细信息

等直收缩扩张等直 (SCDS)变截面微管道主要应用于微型空间推进器和微型气体涡轮机等微器件中 ,研究其内流动特性对指导上述两种微器件的设计和性能的提高具有非常重要的意义 .采用硅微加工技术在硅片上制作出矩形截面三维SCDS微管道 ,喉部宽度为 16 μm ,深度为 2 0 μm ,收缩比为 1 6 2 5∶1 实验测量了不同进出口压比条件下微管道内氮气的流量特性 .实验设定进出口压比值范围为 1 0— 4 0 ,由此出口体积流量范围为 0— 0 12mL s,流动的特征雷诺数小于 35 0 在实验研究的基础上 ,采用有限体积法对其内部流动特性进行了数值模拟 ,数值模拟结果与实验结果相符合 .数值模拟结果发现两点不同于常规流动的特异现象 :其一为最早出现声速点不在最小截面喉部附近 ,而是移到出口截面附近 ,即声速点的位置发生变化 ;其二为在进出口压比达到 4 0时 ,SCDS微管道内部流场才出现声速点 ,即临界压比值 (这里将管道内部首次出现声速点时对应的当地点压力与进口压力的比值定义为临界压比 )发生变化 .将其原因归结为表面效应 (表面积与体积比值S V)的影响 ,并进一步研究了这两点特异现象与S V值之间的关系 .

关键词：等直-收缩-扩张-等直变截面微管道声速点位置临界压比表面积与体积比值气体涡轮机