[科普中國]-微射流

微射流是在超高壓(310MPa)的壓力作用下，經(jīng)過孔徑很微小的閥心，產(chǎn)生幾倍音速的流體，從而達(dá)到分散，均質(zhì)，乳化，納米顆粒等等。

概述微射流特指不需要額外的流源，射流的形成直接來源于周圍流體。該項技術(shù)最早于20世紀(jì)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兩種形式，一種是由僅在一個側(cè)面上開有微小孔的封閉腔體形成射流作動器，工作時開孔相對的側(cè)面產(chǎn)生振動，外界流體便會經(jīng)由開孔不斷進(jìn)入、排出腔體，形成微射流；另一種為直接將振動膜片放入環(huán)境流體之中，膜片振動時只要其振幅足夠大，也會沿膜片法線方向形成射流。兩種形式中，振動的產(chǎn)生又可分為電磁機(jī)械式、靜電式和壓電式。1

微射流作動器原理圖1為GlezerA等人研制成功的微射流作動器及其形成的微射流流場示意圖。

整個作動器的結(jié)構(gòu)尺寸很小，它采用微電子制造技術(shù)，在硅基或其他材料上整體加工而成。作動器腔體深度僅為幾十微米，射流出入口處長度為幾百微米，開孔平面為0.5mm寬×75mm長的窄縫。腔體的金屬振動薄膜由圓狀壓電陶瓷片驅(qū)動。作動器開始工作時，在其上加上周期性變化的電壓信號，壓電陶瓷片就驅(qū)動腔體金屬薄膜產(chǎn)生振動。以作動器在空氣中工作為例，當(dāng)薄膜沿x反向振動時，腔體內(nèi)氣體壓強(qiáng)降低，外界氣體經(jīng)開孔進(jìn)入腔體；當(dāng)薄膜沿x正向振動時，腔體內(nèi)氣體受到壓縮，又會經(jīng)由開孔排出腔體。在此過程中，開孔處氣流受到強(qiáng)烈的剪切作用，因而在出口銳緣處發(fā)生分離(流動由貼體進(jìn)入腔體轉(zhuǎn)向為流向環(huán)境)，進(jìn)而卷起形成兩列旋渦；而旋渦一經(jīng)形成，就會向下游遷移。在遷移過程中，旋渦對的能量不斷耗散，其相干結(jié)構(gòu)逐漸消失，最終演化為散亂的湍流流動，直至與環(huán)境氣體融為一體。周期性的薄膜振動不斷產(chǎn)生旋渦對，并重復(fù)演化過程，從而形成微射流。微射流在x-y平面上的速度分布如圖1上方的曲線所示。在旋渦對經(jīng)過的途中，會伴隨產(chǎn)生一流動壓強(qiáng)降低的區(qū)域(卷吸場)。2

微射流作動器及其形成的微射流流場的特點a.微射流作動器結(jié)構(gòu)微小，質(zhì)量也很小，因而具有很廣的用途。但其加工要涉及微電子制造技術(shù)，常規(guī)機(jī)械制造無法完成。

b.與常規(guī)的連續(xù)射流相比，微射流是有間隔的流動。它的凈質(zhì)量流率為零，動量不為零。其實質(zhì)是旋渦對的生成、遷移和耗散。只是由于這一系列過程進(jìn)行的頻率很高，宏觀表現(xiàn)類似于常規(guī)射流而已。

c.微射流流動中伴隨有卷吸場產(chǎn)生，這也是其不同于常規(guī)射流的特征所在。

d.微射流的能量水平(旋渦對強(qiáng)度)不僅取決于金屬薄膜振動所消耗的電能功率，而且還與驅(qū)動信號的頻率及作動器腔體的結(jié)構(gòu)設(shè)計等有關(guān)，因此有可能消耗極少量的電能功率來獲得很強(qiáng)的微射流強(qiáng)度。2

微射流之間的相互作用形成零凈質(zhì)量流率微射流時，在作動器出口附近會產(chǎn)生強(qiáng)烈的卷吸場，這一點可從兩相鄰的微射流相互作用看出圖2。其中兩射流雷諾數(shù)均為Re=300，正弦電壓信號的驅(qū)動頻率為600Hz，相鄰兩射流驅(qū)動信號的相位差為θ。圖2a中，θ=70°，兩射流同相，相互作用的結(jié)果是兩股射流合成為沿x方向加寬的一股。圖2b中θ=70°。這樣，當(dāng)一個射流作動器處于排氣過程時，另一個尚處于吸氣過程；排氣過程受吸氣過程影響，結(jié)果是相位落后的射流發(fā)生偏離，流向相位超前的一側(cè)。圖2c中θ=130°，兩射流的相互作用更為明顯，相位落后的射流幾乎貼著作動器表面流向相位超前的一方。3

微射流技術(shù)的應(yīng)用氣動力控制微射流技術(shù)在氣動力控制上的應(yīng)用結(jié)果之一是可提高模型的升阻比。MichaelAmitay等人對2D圓柱體的氣動力性能調(diào)節(jié)進(jìn)行了全面實驗研究。實驗在風(fēng)洞中進(jìn)行。風(fēng)洞截面尺寸為0.91m×0.91m；氣流雷諾數(shù)Re=3×104～1.3×105；流動最大速度為32m/s。實驗?zāi)Ｐ捅砻娣胖昧銉糍|(zhì)量流率的微射流作動器。實驗中微射流產(chǎn)生的低壓回流區(qū)形成一“虛擬面”，使附近的流線偏離未受擾動的邊界層，從而使作動器前后模型表面的壓強(qiáng)系數(shù)顯著降低。若在周向放置多個微射流作動器，則使得模型的升力系數(shù)提高，阻力系數(shù)降低。

氣流在薄翼上的分離與再附應(yīng)用微射流技術(shù)還可改善翼型的失速性能。還是AmitayM等人利用微射流技術(shù)對氣流在薄翼鈍頭體上的分離與再附進(jìn)行了實驗研究。薄翼上安放有兩個微射流作動器，其出口寬度為0.5mm，兩者相距2.5mm。實驗結(jié)果顯示，不使用微射流作動器，當(dāng)薄翼攻角超過5°時，流動就會分離。而使用微射流作動器對氣流進(jìn)行控制后，在17.5°攻角范圍內(nèi)，氣流完全是附面的，部分地方達(dá)到25°附面臨界角。由于氣流附面區(qū)域擴(kuò)大，使得薄翼的升力提高、壓差阻力下降，而且通過控制氣流分離點位置，薄翼的失速性能變得更好。SeifertA等人還在飛行馬赫數(shù)下，采用微射流技術(shù)，對推遲氣流在機(jī)翼上的分離點位置進(jìn)行了實驗研究。實驗中微射流作動器工作頻率為800Hz。結(jié)果顯示，在低馬赫數(shù)下(可認(rèn)為氣流不可壓縮)，機(jī)翼最大升力系數(shù)可提高15%，失速后升力最大可提高50%，阻力降低50%，而且機(jī)翼尾跡區(qū)氣流變得較為平穩(wěn)。在高馬赫數(shù)條件下(必須考慮氣流的可壓縮性)，機(jī)翼性能的變化非常復(fù)雜。由于微射流的存在，機(jī)翼邊界層內(nèi)氣流加速，分離點位置退移，這是有利的一面，但對于高速可壓縮流微射流的控制效果不理想。對于跨音速流動，雖然微射流對提高機(jī)翼升力不明顯，但可顯著緩和其顫震現(xiàn)象。4

增強(qiáng)混合大量微尺度的微射流旋渦元與射流相互作用還可增強(qiáng)主流的混合。DavisSA等人利用微射流技術(shù)對增強(qiáng)噴液射流(主流)的混合過程進(jìn)行了實驗研究。實驗中噴液孔直徑為25.4mm，出口速度為11.4m/s，雷諾數(shù)為ReD=19000。噴液孔周圍放置9個微射流作動器，微射流流動方向可調(diào)整為平行或垂直噴液孔軸線。微射流作動器開口寬度0.5mm×9mm，工作頻率為1.2kHz，微射流出口速度為11m/s。實驗結(jié)果顯示，正是因為微射流作動器的作用，在同樣下游位置處，主流剪切邊界層沿徑向擴(kuò)展加速；與此同時，沿軸線的流動速度減慢，并且主流近場處的徑向波動速度增加了將近10倍；主流較遠(yuǎn)的下游位置處，徑向波動速度減小至低于主流未受控的程度。幾方面原因都使得主流的混合程度加強(qiáng)。

控制換熱微射流技術(shù)還可應(yīng)用于冷卻之目的并取得顯著效果。MarkGillespie研究了使用微射流技術(shù)對微電子集成電路進(jìn)行對流冷卻的問題。結(jié)果顯示，周期性變化的吸入/排出微射流流場顯著增強(qiáng)了元器件的冷卻效果。在元器件表面溫度為100℃時，自然對流散熱功率僅為2W，而使用微射流作動器后，最大功率可達(dá)17W。與常規(guī)的采用連續(xù)射流的散熱方式相比，兩者消耗同樣的能量水平，微射流作動器可增強(qiáng)散熱功率200%。鑒于目前微電子工業(yè)領(lǐng)域在元器件生產(chǎn)向小型、微型化發(fā)展的同時，其表面的發(fā)熱熱流率變得越來越劇烈，因而微射流技術(shù)在此方面的應(yīng)用具有廣闊的前景。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡啟洲 - 副教授 - 南京理工大學(xué)