微射流

在超高压压力作用下，经过孔径很微小的阀心，产生几倍音速的流体，从而达到分散，均质，乳化，纳米颗粒等等

微射流是在超高压(310MPa)的压力作用下，经过孔径很微小的阀心，产生几倍音速的流体，从而达到分散，均质，乳化，纳米颗粒等等。

内容简介

微射流特指不需要额外的流源，射流的形成直接来源于周围流体。该项技术最早于20世纪70年代提出，但直到90年代才得到充分研究。微射流的形成主要有两种形式，一种是由仅在一个侧面上开有微小孔的封闭腔体形成射流作动器，工作时开孔相对的侧面产生振动，外界流体便会经由开孔不断进入、排出腔体，形成微射流；另一种为直接将振动膜片放入环境流体之中，膜片振动时只要其振幅足够大，也会沿膜片法线方向形成射流。两种形式中，振动的产生又可分为电磁机械式、静电式和压电式。

微射流作动器原理

如图1所示为GlezerA等人研制成功的微射流作动器及其形成的微射流流场示意图。

整个作动器的结构尺寸很小，它采用微电子制造技术，在硅基或其他材料上整体加工而成。作动器腔体深度仅为几十微米，射流出入口处长度为几百微米，开孔平面为0.5mm宽×75mm长的窄缝。腔体的金属振动薄膜由圆状压电陶瓷片驱动。作动器开始工作时，在其上加上周期性变化的电压信号，压电陶瓷片就驱动腔体金属薄膜产生振动。以作动器在空气中工作为例，当薄膜沿x反向振动时，腔体内气体压强降低，外界气体经开孔进入腔体；当薄膜沿x正向振动时，腔体内气体受到压缩，又会经由开孔排出腔体。在此过程中，开孔处气流受到强烈的剪切作用，因而在出口锐缘处发生分离(流动由贴体进入腔体转向为流向环境)，进而卷起形成两列旋涡；而旋涡一经形成，就会向下游迁移。在迁移过程中，旋涡对的能量不断耗散，其相干结构逐渐消失，最终演化为散乱的湍流流动，直至与环境气体融为一体。周期性的薄膜振动不断产生旋涡对，并重复演化过程，从而形成微射流。微射流在x-y平面上的速度分布如图1上方的曲线所示。在旋涡对经过的途中，会伴随产生一流动压强降低的区域(卷吸场)。

微射流作动器及其形成的微射流流场的特点

a.微射流作动器结构微小，质量也很小，因而具有很广的用途。但其加工要涉及微电子制造技术，常规机械制造无法完成。

b.与常规的连续射流相比，微射流是有间隔的流动。它的净质量流率为零，动量不为零。其实质是旋涡对的生成、迁移和耗散。只是由于这一系列过程进行的频率很高，宏观表现类似于常规射流而已。

c.微射流流动中伴随有卷吸场产生，这也是其不同于常规射流的特征所在。

d.微射流的能量水平(旋涡对强度)不仅取决于金属薄膜振动所消耗的电能功率，而且还与驱动信号的频率及作动器腔体的结构设计等有关，因此有可能消耗极少量的电能功率来获得很强的微射流强度。

微射流之间的相互作用

形成零净质量流率微射流时，在作动器出口附近会产生强烈的卷吸场，这一点可从两相邻的微射流相互作用看出图2。其中两射流雷诺数均为Re=300，正弦电压信号的驱动频率为600Hz，相邻两射流驱动信号的相位差为θ。图2a中，θ=70°，两射流同相，相互作用的结果是两股射流合成为沿x方向加宽的一股。图2b中θ=70°。这样，当一个射流作动器处于排气过程时，另一个尚处于吸气过程；排气过程受吸气过程影响，结果是相位落后的射流发生偏离，流向相位超前的一侧。图2c中θ=130°，两射流的相互作用更为明显，相位落后的射流几乎贴着作动器表面流向相位超前的一方。

微射流技术的应用

气动力控制

微射流技术在气动力控制上的应用结果之一是可提高模型的升阻比。MichaelAmitay等人对2D圆柱体的气动力性能调节进行了全面实验研究。实验在风洞中进行。风洞截面尺寸为0.91m×0.91m；气流雷诺数Re=3×104～1.3×105；流动最大速度为32m/s。实验模型表面放置零净质量流率的微射流作动器。实验中微射流产生的低压回流区形成一“虚拟面”，使附近的流线偏离未受扰动的边界层，从而使作动器前后模型表面的压强系数显著降低。若在周向放置多个微射流作动器，则使得模型的升力系数提高，阻力系数降低。

气流在薄翼上的分离与再附

应用微射流技术还可改善翼型的失速性能。还是AmitayM等人利用微射流技术对气流在薄翼钝头体上的分离与再附进行了实验研究。薄翼上安放有两个微射流作动器，其出口宽度为0.5mm，两者相距2.5mm。实验结果显示，不使用微射流作动器，当薄翼攻角超过5°时，流动就会分离。而使用微射流作动器对气流进行控制后，在17.5°攻角范围内，气流完全是附面的，部分地方达到25°附面临界角。由于气流附面区域扩大，使得薄翼的升力提高、压差阻力下降，而且通过控制气流分离点位置，薄翼的失速性能变得更好。SeifertA等人还在飞行马赫数下，采用微射流技术，对推迟气流在机翼上的分离点位置进行了实验研究。实验中微射流作动器工作频率为800Hz。结果显示，在低马赫数下(可认为气流不可压缩)，机翼最大升力系数可提高15%，失速后升力最大可提高50%，阻力降低50%，而且机翼尾迹区气流变得较为平稳。在高马赫数条件下(必须考虑气流的可压缩性)，机翼性能的变化非常复杂。由于微射流的存在，机翼边界层内气流加速，分离点位置退移，这是有利的一面，但对于高速可压缩流微射流的控制效果不理想。对于跨音速流动，虽然微射流对提高机翼升力不明显，但可显著缓和其颤震现象。

增强混合

大量微尺度的微射流旋涡元与射流相互作用还可增强主流的混合。DavisSA等人利用微射流技术对增强喷液射流(主流)的混合过程进行了实验研究。实验中喷液孔直径为25.4mm，出口速度为11.4m/s，雷诺数为ReD=19000。喷液孔周围放置9个微射流作动器，微射流流动方向可调整为平行或垂直喷液孔轴线。微射流作动器开口宽度0.5mm×9mm，工作频率为1.2kHz，微射流出口速度为11m/s。实验结果显示，正是因为微射流作动器的作用，在同样下游位置处，主流剪切边界层沿径向扩展加速；与此同时，沿轴线的流动速度减慢，并且主流近场处的径向波动速度增加了将近10倍；主流较远的下游位置处，径向波动速度减小至低于主流未受控的程度。几方面原因都使得主流的混合程度加强。

控制换热

微射流技术还可应用于冷却之目的并取得显著效果。MarkGillespie研究了使用微射流技术对微电子集成电路进行对流冷却的问题。结果显示，周期性变化的吸入/排出微射流流场显著增强了元器件的冷却效果。在元器件表面温度为100℃时，自然对流散热功率仅为2W，而使用微射流作动器后，最大功率可达17W。与常规的采用连续射流的散热方式相比，两者消耗同样的能量水平，微射流作动器可增强散热功率200%。鉴于微电子工业领域在元器件生产向小型、微型化发展的同时，其表面的发热热流率变得越来越剧烈，因而微射流技术在此方面的应用具有广阔的前景。

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