微米輸流管動力學的理論建模與新特性研究

《微米輸流管動力學的理論建模與新特性研究》是依託華中科技大學，由王琳擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微米輸流管動力學的理論建模與新特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王琳
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

與巨觀輸流管相比，微米輸流管的橫向尺寸在微米量級，其動力學行為通常會表現出強烈的微尺度依賴性。以往工作在理論建模和動力學分析方面存有很多不足之處。本項目擬開展以下工作：（1）著重分析微米管內的流速形貌，確定流體與管道之間的耦合條件及作用力；（2）套用和發展基於高階連續介質力學的梁理論，建立與微尺度有關的微米輸流管動力學理論模型，導出系統的非線性運動方程；（3）通過求解線性系統的復特徵值問題，研究微米輸流管的線性振動特性、穩定性機制、臨界流速及其微尺度效應；（4）套用現代非線性動力學理論，分析非線性系統在定常流速下的自由振動、受迫振動、內共振、分岔和複雜動力回響，探討脈動流速下微米管的參數振動規律，重點揭示其有異於巨觀輸流管的新特性、新機理。研究結果將深化人們對微米輸流管非線性動力學、穩定性機理和微尺度效應的理解，拓寬連續介質理論的套用範圍，為工程微型輸流結構的分析和設計提供理論基礎和技術儲備。

結題摘要

微小尺度輸流管在微機電系統中有重要套用，已成為微流體器件的關鍵元件之一，如何保證這類流固耦合系統的穩定性和安全性是非常值得關注的科學問題。本項目在已有工作的基礎上，主要開展了四方面的研究工作，歸納如下。（1）針對微米尺度的輸流管結構(直管和曲管)，發展了相應的偶應力理論模型；這一新模型同時考慮了固體材料和流體速度有異於巨觀尺度情況下的新特徵，可用來預測微米輸流管結構振動特性的微尺度效應。（2）針對納米尺度下的輸流管結構，發展了相應的非局部彈性理論模型、表面彈性理論模型和應變/慣性梯度彈性理論模型，這幾種新的理論模型均將納米管內流體等效為塞式流，分別計入了固體材料在納米尺度下可能出現的非局部效應、表面效應和慣性梯度效應。（3）對於可忽略尺度效應的輸流管結構，本項目相繼探究了動力系統的穩定性機理和非線性動力學行為，著重分析了多種外激勵（如外部流體力、基礎激勵、電場力）作用下管道的穩定性和複雜的非線性振動行為。（4）提出兩種調節輸流管穩定性和振動特性的新方法：一是在管道某些位置安裝增強材料，二是在管道下游端設定一個Y型噴嘴。研究結果表明，這兩種方法可有效控制輸流管的穩定性和振動頻率，為工程實際套用提供了理論依據。