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30m/s的流动分离。

在一项新研究中，日本东京科技大学(TUS)的MasahiroMotosuke教授及其同事KoichiMurakami先生、DaikiShiraishi先生和YoshiyasuIchikawa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，“在很容易发生流动分离的曲面上检测剪应力及其方向是很难实现的，尤其是在不使用新技术的情况下。”

他们的工作发表在Micromachines上。

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。

全球变暖的主要贡献者是能源和运输行业，它们依赖于效率低下并留下高碳足迹的流体机械。为了提高这些机器的效率，日本的研究人员现在设计了一种新型传感器，该传感器可以轻松安装到流体机器的弯曲壁中，并且可以表征不同方向的高速流动分离。图片来源：来自日本启迪大学的MasahiroMotosuke

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。

该团队使用高速气流隧道作为测试环境，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。Motosuke教授说：“传感器周围的电路可以使用柔性印刷电路板拉出并安装在不同的位置，因此只有一张薄薄的薄片附着在测量目标上，从而最大限度地减少对周围流动的影响。”

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，并且可以基于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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