微流体延时惯性开关关键技术研究

发布时间：2020-05-25 06:44

【摘要】：集成化的全电子安全保险系统是引信安全保险系统发展的趋势,微惯性开关作为引信全电子安全保险系统的重要组成部分,用于探测引信环境并适时解除保险,在引信全电子安全保险系统中起着举足轻重的作用。本文以某型榴弹炮引信全电子安全保险系统为背景,以其中微流体延时惯性开关为研究对象,采用理论分析、数值仿真和实验测试相结合的方法,开展微液柱流动控制、微通道结构设计等微流体惯性开关关键理论与技术的研究,实现开关微通道结构多功能一体化。本文的主要内容如下:(1)对微流体延时惯性开关的应用环境和设计要求进行了理论分析,确定了开关的功能要求和工作模式。开关中工作流体以微液柱形式在微通道内作整体流动,基于非定常伯努利方程,结合微尺度下显著的粘性作用和毛细现象进行修正,建立了微液柱瞬态流动模型,结合微液柱瞬态流动仿真和微通道实验样机瞬态流动实验验证了模型。该模型可有效描述惯性力作用下微液柱在微通道内的整体流动,为微液柱流动控制研究打下了理论基础。(2)微液柱流动受微通道阻尼特征的控制,微通道阻尼特征系数受其结构特征参数的影响,基于多层前馈神经网络拟合微通道结构特征参数与阻尼特征系数的函数映射关系,建立了微通道阻尼特征模型,提高了微通道阻尼特征提取的精度。基于梯度下降法、粒子群优化算法和遗传算法组合群优化提出了PSE(Particle Swarm Evolution)算法,结合BP算法提出了PSE-BP算法,提高了微通道阻尼特征模型训练的效率(20倍以上)。基于仿真软件脚本二次开发设计了pySim自动仿真框架,实现了基于Gambit、Fluent和Tecplot联合微通道阻尼特征样本仿真的自动化和批量化。微通道阻尼特征模型、PSE-BP算法和pySim自动仿真框架的联合使用,使基于数值仿真的微通道阻尼特征提取智能化,提高了微通道阻尼特征提取的效率和精度,为基于微通道结构设计的微液柱流动控制打下了基础。(3)分析了矩形等截面直线形微通道和蛇形微通道的阻尼特性,提取并对比了微通道的阻尼特征。流体在等截面直线形微通道中流动,其压力位置曲线呈直线,阻尼特征系数为常数。流体在等截面蛇形微通道中流动,其压力位置曲线表现出周期性,由于曲线的脉动较小,阻尼特征系数仍可视为常数。在截面尺寸相同的情况下,蛇形微通道的阻尼特征系数大于直线形微通道,有利于实现微流体延时惯性开关的延时功能。(4)结合U形微连通器和毛细阀,提出了能够实现较强抗高过载能力的连通器式加速度载荷区分微通道,通过区分勤务跌落和后坐加速度载荷,实现区分勤务处理和正常发射环境。分析了微通道结构特征参数和工作流体材料参数对其环境区分能力的影响,优化微通道的结构特征扩展其环境适应性,提高了环境区分的可靠性。(5)基于连通器式加速度载荷区分微通道、蛇形延时微通道和U形闭锁微通道一体化集成,结合染色的微液柱和光电探测电极,设计了微流体延时惯性开关的结构,验证了开关结构的可行性。该开关实现了勤务跌落与正常发射环境区分功能、出炮口延期解除保险功能、闭锁功能及较强的抗高过载能力,具有体积小、可靠性高等优点。
【图文】：

中的流体流动一般遵循流体力学的基本理论，但的微尺度流动问题。１９７７年，Ｂａｔｃｈｅｌｏｒ将特征尺题称为“微水动力学”（Ｍｉｃｒｏｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓ）邋［｜８、液滴和气泡运动的问题归结为低雷诺数流动尺度下所需传输流体的流量很小的特点，把微流体流动的问题，分析了流动所涉及的无量纲常）、韦伯数（Ｗｅ）、Ｄｅ数、克努森数（Ｋｎ）等着连续介质假设的适用性、流体流动与操控及局论，分子间存在着作用力，并且作用力的大小与力作用的情况下，同种物质分子间的吸引力会使等效为一层有形无质的薄膜，将物质包裹在其中，同种物质分子间的吸引力越大，其表面张力也就物质的表面张力大，分界面就会向哪种物质方向

（１）逦Ｗｅｎｚｅｌ邋模型逡逑Ｗｅｎｚｅｌ模型假设液滴能够完全进入到粗糙壁面的凹槽中，凹槽被液体完全充满，不逡逑含有空气（如图１．２ａ所示）。Ｗｅｎｚｅｌ状态时的表观接触角＆可表示为逡逑ｃｏｓ邋０Ｗ邋＝邋Ｃｒ邋ｃｏｓ邋６逦（１．１）逡逑其中：Ｃ，．为表面粗糙度因子，表示实际的固液分界面积与表观分界面积的比值。逡逑根据Ｗｅｎｚｅｌ模型，增加壁面粗糙度会增强壁面的亲水性或疏水性，表现为亲者更逡逑亲，疏者更疏。逡逑（２）逦Ｃａｓｓｉｅ邋模型逡逑Ｃａｓｓｉｅ模型假设粗糙壁面的凹槽中充满了空气，液体不能进入凹槽中（如图１．邋２ｂ逡逑所示）。Ｃａｓｓｉｅ状态的表观接触角＆可表示为逡逑ｃｏｓ邋0ｃ＝ｓ邋ｃｏｓ邋６ｘ＋（＼－邋ｓ）邋ｃｏｓ邋０２逦（１．２）逡逑其中：ｓ为液滴下方第一种物质表面所占的比例；分别为两种物质的本征接触逡逑角。逡逑当其中一种介质为空气时（０邋＝邋１８０°），式（１．２）可表示为逡逑ｃｏｓ邋０Ｃ邋＝邋ｆ（ｌ邋＋邋ｃｏｓ邋０ｘ）－＼逦（１．３）逡逑一般粗糖表面的润湿特性处于Ｗｅｎｚｅｌ状态和Ｃａｓｓｉａ状态之间，，对于极度亲水的壁逡逑面一般处于Ｗｅｎｚｅｌ状态，极度疏水的壁面一般处于Ｃａｓｓｉａ状态。逡逑１．２．１．３微流体的驱动方式逡逑在微尺度下
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TJ430.3

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本文编号：2679741