微悬臂梁传感器流固耦合振动特性研究

微悬臂梁传感器在流体中振动时会产生流固耦合振动现象，具体表现为：其谐振频率受流体影响强烈，且影响程度无法用经典振动理论解释，并表现出 “尺度效应”。这一现象给以微悬臂梁传感器为工具的定量研究带来了较大困难。本项目以沉浸于流体环境中的薄板型微悬臂梁传感器为研究对象, 建立了考虑“尺度效应”的微悬臂梁传感器二维流固耦合理论模型，提出了基于等效参数提取的简化数值求解方法，并通过实验论证了理论模型的有效性和准确性，同时分析了谐振频率与粘性流体之间的关系及其 “尺度效应”。研究表明作为影响浸于流体环境中的微悬臂梁频率响应特性的主要因素，流固耦合作用将使微悬臂梁振动各阶模态谐振频率值及振动幅值显著降低，且随着微悬臂梁厚度的减小或长宽比的增大，这种影响的程度将随之增强，同时在尺寸效应及边界滑移条件的影响下，流固耦合作用对微悬臂梁频率响应的影响将出现一定程度的减弱。 2100433B

微悬臂梁传感器是探索微观世界的重要工具，被广泛应用于微观领域形貌探测和参数测量。由于频率参数容易测量，通过微悬臂梁传感器谐振频率变化，间接探测被测对象的方法成为研究热点。近期研究发现，微悬臂梁传感器在流体中振动时会产生流固耦合振动现象，具体表现为：其谐振频率受流体影响强烈，且影响程度无法用经典振动理论解释，并表现出 尺度效应和频率效应。考虑到微悬臂梁传感器主要工作于流体环境，这一现象给以微悬臂梁传感器为工具的定量研究带来了较大困难。本项目拟研制微悬臂梁传感器流固耦合振动特性试验平台，分析微悬臂梁传感器和流体之间的相互作用机理，建立其谐振频率与流体边界条件、粘度、密度和温度等参数之间的关系模型，发展微纳米结构流固耦合振动理论。本项目的研究对于揭示流体对微纳米结构动力学特性影响及其表现出的尺度效应和频率效应的物理机制、高灵敏微悬臂梁传感器设计和应用将具有重要意义。

流固耦合传热紧耦合

Stokos、Hooper、Kazemi-Kamyab等开发了将流体及固体内所有物理过程进行瞬态紧耦合算法，能使计算结果与实验结果高度吻合。但是，该瞬态紧耦合计算需要消耗大量的计算资源，难以用于解决实际复杂工程问题。

根据问题的特征，有些研究者近似认为在计算时间内，某些参数的状态是不变的，进而直接将瞬态问题转化为稳态问题。对于绝大多说不能通过准稳态处理直接转化为稳态问题的瞬态问题，有些研究者主张保留耦合的非稳态特性，提出各部分分别进行瞬态求解,并通过边界条件、参数值及活动网格等方式进行实时信息交互的瞬态松耦合传热问题的求解。如 Bauman 和Kazemi-Kamyab等针对高超声速流中固体表面带辐射及烧蚀相变过程的流固耦合强制对流传热问题，提出将流体 Navier-Stokes 方程与固体导热、辐射及烧蚀相变过程分别进行瞬态求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，直至迭代收敛。Lohner 等针对飞机气弹分析中带固体形变的流固耦合传热问题，将流体 Navier-Stokes 方程及固体导热和应变方程分别求解，并利用流体数值计算结果对其他求解方程的边界温度和热流加以修正，同时利用固体应变方程的计算结果修正流体耦合边界位置和速度边界条件，直至迭代收敛。

流固耦合传热松耦合

有些研究者提出了基于准稳态流场的松耦合算法，即近似认为在整个流固耦合传热过程中，流场处于若干个准稳态，每一个准稳态的流场都使用稳态 Navier-Stokes 方程求解。如 Kontinos结合二维边界单元法和高超声速计算流体力学( CFD) 算法的松耦合算法，分析了高超声速流与机翼前缘的耦合传热问题。Chen 和Zhang等交替进行稳态流场计算与固体烧蚀和瞬态导热的松耦合算法计算了带烧蚀的流固耦合传热问题。2100433B

离心泵在非设计工况运行时，内部流动呈现明显的不稳定性，非稳定的流固耦合作用将导致泵的强烈振动，是影响泵机组安全稳定运行的关键科学问题。由于流固耦合多学科交叉的复杂性，对离心泵偏工况不稳定流动作用下流固耦合机制的认识尚属空白。本项目将基于动边界LES方法对离心泵非稳定流固耦合及振动特性开展研究。采用LES方法对离心泵偏工况不稳定流场进行精确数值模拟，揭示流态及压力脉动特性，掌握不稳定流动激励频率特性；建立动边界LES非稳定流固强耦合预测模型，解决耦合计算的精度、稳定性、收敛性及计算效率等瓶颈问题；采用电涡量振动测量系统开展水力振动试验研究，实现对LES层面流固耦合计算的验证；采用基于小波变换的时频域联合分析，揭示非稳定流固耦合规律及振动特性；研究水力部件主要几何参数与流固耦合作用间的关系，初步提出离心泵偏工况非稳定流固耦合振动控制方法。本项目对提高离心泵运行稳定性具有重要的学术和工程价值。

当一侧覆盖有金属和修饰物的微悬臂梁（以下简称微梁）与被测物特异性作用时，由于两侧的应力不同，微梁产生变形，通过测量变形的程度可识别或定量测定被测物质。本申请将电分析化学的方法和技术与微悬臂梁传感器技术相结合，研究微梁电极上施加不同电信号的分析方法；在微梁电极上实现微梁变形信号与电化学反应信号同步获取以研究电化学反应机理；研究外部交流信号激发微梁共振的分析方法；研究当电极与微梁近距离靠近时，电极反应对微梁测定的控制与影响以及用微梁表征电极表面的电化学反应。目的是研究出高灵敏度、高选择性的无标记免疫分析、酶催化反应以及其它类型的新型电化学微梁传感器。 2100433B