微尺度射流流量计的设计与仿真研究

　　0 引 言

　　热式微型流量传感器、差压式微型流量传感器、微型科里奥利微流体流量传感器，它们完全依靠流体本身的作用测量流量，但往往由于流量信号信噪比低的原因，无法测量极小流量。而微流体振动式传感器具有流体放大作用，特别适于极小流量的测量。对于流体振动式流量计，其中射流流量计比较适合于 MEMS 系统中。目前国外对微小尺度射流流量计的研究较少，国内也鲜有相关报道[1～6]。Lee G B 等人利用 LIGA 微加工技术研制出一种 V 型结构的微尺度射流振荡器[7]，该流量传感器可测量极小的流量，体积流量测量下限可以达至2nL/s，流速测量下限为0. 15 mm/s。这种传感器的原理是流体通过一个收缩的喷嘴产生射流，作用于下游的一个 V 型阻挡体，产生周期性振荡，其振荡频率与流速呈线性关系。YangJ T 等人[8]设计了带非对称反馈通道的微尺度射流振荡器，具有以下 3 个特征: 大深宽比的射流喷嘴，急剧扩张的喷嘴出口，非对称反馈通道。Jeon M K[9]等人提出了一种新颖的带分流劈的对称反馈通道微尺度射流振荡器，但是在反馈通道平衡驱动力的作用下未产生稳定振荡。

　　国内外关于微器件内流动的实验研究，其器件特征尺寸大多在 3 ～300 μm 之间，而 300 μm ～1 mm 之间的研究比较少。本文综合现有对宏观尺度振荡器不同结构的研究，以及文献[7 ～9]提出的微尺度射流振荡器的结构参数，提出了一种反馈流驱动的微尺度射流流量计，其结构尺寸在100 μm～ 6. 5 mm 范围内。为了研究微尺度射流流量计的测量特性，本文使用 CFD 软件对所提出的微尺度射流流量计进行数值仿真研究。

　　1 测量原理

　　1. 1 尺度的划分与微尺度流动问题

　　MEMS 技术建立在微米 / 纳米基础之上，通常 MEMS 系统的特征尺度都小于 1 mm。关于尺度的划分，通常将大于1 mm 的尺度成称为宏观尺度，1 μm～ 1 mm 的尺度称为微尺度^[10，11]。目前，微流体研究的特征尺度一般在微尺度量级^[11]。

　　在宏观尺度下，所研究的问题的特征尺度远远大于流体分子的平均自由程，流体被作为一种连续体对待^[11，12]。在特征尺度由宏观尺度减小到微观尺度时，连续介质假设受到质疑，流体的流动可能会表现出不同于宏观流动的规律，用于描述宏观流体力学运动的方程可能也不再适用。在标准状态下的空气分子平均自由程为 7 ×10- 5mm^[12]，而液体分子平均自由程又比气体小得多^[11]。对于本文所提出的微尺度射流流量计，其特征长度远远大于流体( 液体、气体) 分子的平均自由程，连续介质假设是完全合理的。因此，连续介质假定和 Navier-Stokes 方程对于本文提出的微尺度射流流量计仍然适用。