温度场对热膜式气体流量传感器内颗粒物沉积影响研究

摘要

热膜式气体质量流量传感器以独特的优点越来越广泛地应用于气体测量领域，然而由于工作环境或过滤器性能等原因，流量传感器内气体不可避免的含有微量亚微米颗粒物，这些颗粒物随气体在传感器中运动时，会在传感器热膜芯片上沉积，经过长时间的积累后形成灰尘堆，会影响热膜芯片上发热电阻和测温电阻的热传递，最终影响传感器的测量精度。影响热膜芯片上粒子沉积的因素很多:如芯片的安装位置、磁场力、电场力、温度场、流场和湿度等，本文主要研究温度场对热膜式流量传感器内颗粒物沉积的影响情况，分别用数值模拟和实验方法研究温度场对传感器内颗粒物沉积的影响。
　　首先建立热膜式流量传感器有限元模型，用标准k-ε流动模型对热膜式流量传感器内气相流场和温度场进行求解，得出传感器内流场和温度场分布结果;然后加入颗粒离散相，用拉格朗日粒子追踪模型(DPM)追踪固相颗粒物的运动轨迹和最终状态:被壁面捕捉或从出口逃逸，计算出温度场影响时热泳力、布朗力、曳力、虚拟质量力和Saffman力单独作用下不同进口速度不同粒径颗粒物在传感器壁面和热膜芯片上的沉积率，通过比较粒子沉积率变化情况研究温度场对传感器内粒子沉积的影响作用;最终，得出温度场影响时传感器内固相颗粒的运动沉积规律。
　　为验证数值模拟结果，设计热膜式流量传感器放大模型和粉尘产生装置，用热传导方式给热膜芯片加热，用体视显微镜观察热膜芯片上粒子沉积结果。用实验方法研究温度场在不同传感器进口流量条件下对热膜式流量传感器热膜芯片上粒子沉积的影响。实验结果和数值模拟结果比较一致:在进口流量较小的情况下，温度场对热膜式流量传感器内粒子沉积作用有影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 热膜式气体流量传感器简介

1．2．1 热膜式气体流量传感器工作原理

1．2．2 热膜式气体流量传感器受污染和污染对精度的影响分析研究

1．3 颗粒物沉积的国内外研究现状

1．3．1 颗粒物沉积机理方面的研究

1．3．2 颗粒物的运动特性和沉积的数值模拟研究

1．3．3 热泳运动和热泳沉积方面的研究

1．3．4 颗粒物沉积实验研究

1．4 本文研究的主要内容

2 热膜式流量传感器内气相流场和温度场数值模拟分析

2．1 气体基本方程及其运动控制方程

2．1．1 热膜式流量传感器内气相流动的基本方程

2．1．2 热膜式流量传感器中气相连续性方程

2．1．3 热膜式流量传感器内气相动量方程

2．1．4 热膜式流量传感器内气相能量方程

2．2 热膜式气体流量传感器物理模型

2．2．1 热膜气体流量传感器几何模型

2．2．2 几何模型网格划分

2．3 热膜式气体流量传感器数学模型

2．3．1 热膜式流量传感器内流动参数的计算

2．3．2 热膜式流量传感器内气体流动模型选取

2．3．3 热膜式流量传感器内温度场数学模型

2．4 热膜式流量传感器气相流场的数值模拟与分析

2．5 热膜式流量传感器内温度场的数值模拟与分析

2．6 本章小结

3 温度场对热膜式流量传感器热膜芯片上粒子沉积影响数值分析

3．1 两相流的研究和处理方法

3．2 气固两相流动模型

3．2．1 欧拉-欧拉模型

3．2．2 欧拉-拉格朗日模型

3．3 拉格朗日离散相模型及其控制方程

3．3．1 热膜式流量传感器中颗粒动力学分析

3．3．2 热膜式流量传感器内气体相控制方程

3．3．2 热膜式流量传感器内固相控制方程

3．4 温度场对热膜式流量传感器内颗粒物粒子沉积影响研究

3．4．1 热泳力作用时热膜式流量传感器内固相浓度和沉积速率分布云图分析

3．4．2 温度场对传感器中颗粒物沉积影响情况研究

3．5 本章小结

4 温度场对传感器热膜芯片附近粒子沉积影响的实验研究

4．1 实验原理及方法

4．1．1 实验系统介绍

4．1．2 实验内容

4．2 温度场对热膜芯片上粒子沉积的影响情况分析

4．3 本章小结

5 总结和展望

5．1 本文总结

5．2 课题展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况