היכולת לשלוט היכן וכיצד זורם נוזל מעברים ממדינה חלקה, laminar למדינה כאוטית, סוערת היא אבן הפינה של דינמיקת נוזל מודרנית, מעבר זה, המתרחש באזור הדקה של שכבת הגבול, ישירות מכתיבים גרור, העברה חום, ומאפיינים רעשים על פני אינספור מערכות הנדסיות.במשך עשרות שנים, שינויים פני השטח הפסיביים נחקרו כאמצעי להשפעה זו, אך ורק במיקרו-מרחב זעיר, אשר פותחומים, תכונות מעבדה גבוהות יותר, אשר קרינת מיקרו-מרחביות, אשר טמפרטורות גבוהות יותר, אשר ספקטרום רחבות, אשר אינספור, אשר אינספור, הן מתחומים שונים, אשר אינספור, מתחומים שונים, אשר אינספור, מתחומים שונים, אשר אינספור, מתחומים שונים, מתחומים שונים, אשר קרינת מיקרו-מסלולאריכים, ומשתנים, מתחומים שונים, אשר אינספור, ומשתנים, אשר אינספור מערכות הנדסיות, אשר אינספור, אשר אינספור, אשר אינספור, אשר אינספור, אשר אינספור מערכות הנדסיות, לכדי אינספור מערכות הנדסיות, אשר נחקרו, אשר נחקרו, אשר אינספור מערכות הנדסיות, אשר אינספור, אשר אינספור, אשר אינספור, אשר אינספור, באופן משמעותי,

המונחים: Boundary Layer Transition

שכבת הגבול יוצרת בכל מקום בו נוזל זורם על פני השטח המוצק. באזור הדק הזה, כוחות מולקווס שולטים, ויוצרים מהירות ⁇ מאפס על הקיר (מצב ללא-חליפ) למהירות הזרם החופשי.

Laminar vs. Turbulent Flow

בשכבה גבולית של laminar, חלקיקים נוזליים נעים באופן מסודר, שכבות מקבילים.משטר זה מאופיין על ידי גרורת עור נמוכה אבל הוא פגיע להפרדה מוקדמת בשל ⁇ לחץ שלילי. לעומת זאת, שכבת גבול סוערת מציגה כאוטית, שלוש-ממדית עם שילוב משופר ותנועה מוגברת העברה.

המונחים: mechanism

מעבר מתרחשת לעתים רחוקות באופן מיידי.זה עוקב אחר רצף של אי-נוחות ליניאריות ולא ליניאריות המופעלות על ידי הפרעות בזרימה הקרובה, גסות פני השטח, או רעש אקוסטי.הנתיב הקלאסי כרוך בצמיחה של שלב טולממיין-שכטינג (T-S) בשכבות גבול דו-ממדיות, ואחריו חוסר יכולת משנית והתמוטטות להפרעות נוספות.

למה דווקא חשוב לבקר

עיכוב המעבר מפחית את גרגור העור - עד 50% על כנף laminar בהשוואה לטרף שווה ערך - החל חיסכון דלק משמעותי עבור מטוסים. הפוך, קידום מעבר על להב טורבינות יכול למנוע זרימה, שיפור יעילות ועמוד השדרה. בזרמים פנימיים כגון צינורות ודקטרים, שליטה על מעבר קובע את הירידה והכוח אפילו קטן במעבר יכול למנוע שינויים קלים במעבר יכול להיות השפעה מיקרו-פעמיים באופן כללי.

Micro-patterns - Surface Engineering Tools

מיקרו-פטרינים הם תכונות פני השטח עם ממדים אופייניים החל מעשרות עד מאות מיקרומטרים.בניגוד למגרעות מאקרו בקנה מידה, אשר בדרך כלל גורמת מעבר מוקדם, מיקרו-פטרונים יכולים להיות נועדו לעכב או לקדם מעבר באופן סלקטיבי.הם עובדים על ידי שינוי שדה זרימה המקומי - ⁇ הלחץ המתפתל, מציג vultices קטנים, או שינוי מתח - מבלי לתקן את העונשים בקנה מידה מלא.

סוגי מיקרו-פטרונים

  • (FLT:0) ,Riblets: FLT:1 grooves ארוך-לייט היישר עם כיוון זרימה. Riblets הוכח להפחית את חיכוך העור הסוער על ידי גרר עד 10% על ידי התערבות עם מבנה קו הרוחב ליד הקיר.
  • (FLT:0) דיסלקטים: 1 (concave פני דיכאון שיוצר זוגות של טורים נגדיים על גבי זרמים חיצוניים, דיפרונים יכולים לקדם מעבר מוקדם ולשפר את העברת חום; על כנפיים מטוסים, הם יכולים לשמש כדי לגרום מעבר במיקום הרצוי לשליטה.
  • (FLT:0Micro-grooves (V- ו- U-בצורת): FLT:1 דומה ל- riblets, אך עם חלקים שונים של מיקרו-גרובס הוכיחו את היכולת לדכא את ההסתברות לחצות את הזרם על כנפיים סחף, יכולת חיונית עבור laminar זרימה שליטה על מטוסים טרנזיים.
  • (FLT:0)Bio-inspired מרקמים: ⁇ F1 עור כריש, צינורות נוצות ציפורים, ומבנים עין מוכת כל מוצגים מיקרו-פטרונים אשר מנהלים זרימה.
  • (ב) ,0) דפוסים רבי-הוריבריים: (FLT:103) שילוב מספר רב של גיאומטריה (למשל, סדקים עם אלמנטים גסים תקופתיים) כדי לכוון נתיבי חוסר יציבות שונים בו-זמנית.

שיטות ייצור

יצירת מיקרו-פטרונים באופן אמין וכלכלי היא אתגר קריטי.טכניקות נפוצות כוללות photolithography (שימוש במיקרואלקטרוניקה), לייזר ישיר כתב, מיקרו-מילות, התגלמות חמה, ואלקטרוגמנט עבור משטחי מתכת. עבור יישומים בקנה מידה גדול כגון מחסנים, גלילים על גבי סרטים פולימרים שניתן לדבוק משטחים קיימים הוא גם גישה מורכבת של מחזורי שטח (Das) עם מגבלות שטח (תוספת מיקרו-אפקטיביות) עם מודלים מורכבים (Das-אפקטיביים) כמו גם על גבי מודלים מורכבים (Drepive) עם מודלים מורכבים (Das-אפקטיביים).

מכניזם של אפקט מיקרו-פטרן

מיקרו-פטרינים משפיעים על מעבר שכבת הגבול באמצעות מספר מנגנונים פיזיים מקושרים.הבנת המנגנונים האלה חיונית לתכנון דפוס רציונלי.

שינוי של Instabilities Flow

מיקרו-פטרינים משנים את פרופיל המהירות הממוצע בתוך שכבת הגבול.לדוגמה, riblets longitudinal ליצור זרימה משנית המאמת את חלוקת המתח של הרהר, ביעילות עיבוי או דקר את שכבת הגבול ולשנות את המאפיינים היציבות.זה יכול לייצב או לערעור גלי T-S בהתאם לתבנית הגיאומטריה ומספר ריינולדס.

דור ובקרת

מיקרו-פטרינים מסוימים פועלים כגנרטורים של המיקרוגל-סולקים, למשל, שופכים טורטים בקנה מידה קטן הממריץ את זרימת החומות והעיכוב ההפרדה.המפתח הוא כי הטורפים האלה נשארים קטנים מספיק כדי לא לגרום לגרור נוסף גדול, אך חזק מספיק כדי לקדם את משטר הטורף.

Shear Stress Re Distribution

גרר חיכוך עור בזרימה סוערת נשלט על ידי המבנים הקטנים בקנה מידה קטן של קטורקי ליד הקיר. Riblets להגביל את התנועה המאוחר של אלה streaks, צמצום מחזור ההתפרצות-sweep אשר מייצר מתח גבוה Shear. על ידי התאמת micro-grooves עם הזרם, הלחץ היעיל בקיר הוא מופחת.

אפשרויות ל-Slip Effects

בזרימות נוזליות, מיקרו-פטרונים יכולים ליצור משטחים סופר-פוביים שלוכדים כיסים אוויריים, לייצר מצב גבול חלקלק יעיל.חלק זה מקטין את הרדאר באופן דרמטי ויכול לדכא את התפתחותם של יונקים טורפים במיקרו-ערוצים.שילוב של מיקרו-טופוגרפיה וכימיה של פני השטח מציע דרגות נוספות של חופש לשליטה במעבר.

יישומים הנדסיים

הפוטנציאל של מיקרו-פטרינים הוא הבין על פני ספקטרום רחב של דיסציפלינות הנדסיות.

חללי תעופה

הפחתה של מטוסי גרור היא היישום הגבוה ביותר של בדיקות טיסה של Airbus A350 באמצעות סרטי riblet החל את הפתיל והכנפיים הפגינו חיסכון דלק של 1–3%.יותר תבניות מיקרו-גדלות מתקדמות שנועדו לעכב את המעבר בחלק הקדמי של האגף יכול להכפיל את היתרון הזה. חוקרים בנאס"א בחנו מיקרו-פטרים על גבי כפפות שליטה של laminar, ובכך להשיג זרם טבעי לרמה עד 40% של פעילות מטוסי קרבית של פחמן:0.

טורבומט'רי

להבים טורבינות גז פועלים בסביבה קשה עם טמפרטורות גבוהות, לחץ ⁇ s, ו unconsteadiness. מיקרו-דיונים על משטחים להב הוכח להפחית את כוח מערבולת של סוס בצד המוביל ועיכוב הפרדה בצד הסגיעה.בשלבים דחוסים, מיקרו-גרובים יכולים לדכא פינות ולשפר את שולי הדוכן:0MEFULLS: LTAS על מנת לשפר את טורבינותברומיאלטרנס 18% דיווחו על יעילות מיקרו-8%.

מערכות פיפיריות ו-Hick Exchanger

בצנרת נפט וגז, שמירה על זרימת laminar מפחיתה את עלויות המשאבה באופן משמעותי. קירות צינורות מיקרו-מרוצה יכולים לעכב את המעבר לזרימה סוערת במספרים גבוהים יותר של ריינולדס, המאפשר תחבורה חלקה יותר. בחילופי חום, מיקרו-צלעות ושפעים משפרים את העברת החום על ידי קידום זעזוע חום תוך שמירה על ירידה בלחץ מקובל. מחקרים מראים כי משטחים מיקרו-מדבקות יכולים לשפר את העברת החום על ידי 200% צינורות חלקה עבור משאבה חלקה עבור משאבה חלקה.

דרישות ימיות ו הידרודינמיקה

אוניות וכלי רכב תת-ימיים סובלים מגרור חיכוך משמעותי.ביו-שראה מיקרו-מסלולים שהודגם על צניפים כרישים כבר הוחלו על ידי ספינות hulls, השגת הפחתה של 5 עד 10% בניסויים ימיים.FLT:0Research on micro-pated משטחים מיקרו-מפונים ליישומים ימיים: דפוסים ביולוגיים יכולים למזער קנסות ומניעים מפני עונשים דקים.

תחבורה לרכבת ומהירות גבוהה

הפחתת גרר דינמי על מכוניות ורכבות היא חיונית לכלכלת דלק וטווח. מיקרו-פטרונים על מראות צדדיים, בארות גלגלים, משטחי גג יכולים לתמרן את שכבת הגבול כדי להפחית את ההפרדה ולגרור.עבור רכבות מהירות גבוהה, מיקרו-חומרים החלים על המכוניות המובילות הראו פוטנציאל לירידה ברעש, כמו גם הפחתה בגרור.

מיקרו-קלידיים ומכשירים ביו-רפואיים

במיקרו-ערוצים, בהם זרמי למין שולטים, מיקרו-פטרונים יכולים לשמש כדי לגרום לתערובת או לשלוט בהובלת מינים. שתלים ביו-רפואיים, כגון סטנטים וקטרים, להשתמש במיקרו-טקסטורים כדי להפחית היווצרות של thrombus על ידי שינוי מתח Shear על תאי דם.היכולת לעבור מ laminar כדי להרגיז מקומי יכול גם לשפר תחבורה המונית במעבדה-C.

אתגרים ומגבלות

למרות ההבטחה, תרגום של מחקר מיקרו-פטרוני במערכות הנדסיות חזקות עומד בפני כמה מכשולים.

ייצור מוקדם ועלויות

יצירת מיקרו-פטרונים עקביים על פני אזורים גדולים (למשל, כנף מטוסים) עם סובלנות הדוקה ועלויות מקובלות נשאר מחסום גדול. Photolithography הוא מדויק אך יקר ומוגבל משטחים Planar. ablation לייזר יכול להיות איטי. רול-to-to-roll embosing על סרטים פועל עבור משטחים שטוחים מעוקלים או מתון אבל עשוי deform על צורות מורכבות.

יכולת וזיהום

מיקרו-פטרינים הם שבריריים.שירות, הם יכולים ללבוש ממוח (אבק, קרח, חול), רדודה מאפקט חלקיקים, או סדקים עם פסולת וצמיחה ביולוגית.עבור מטוסים, הדבקה מובילה על ידי חרקים או קרח יכול לשלול את היתרונות של זרימת הלבנר לחלוטין.

מספר ריינולדס ושפלת זרימה

דפוס שעובד במספר ריינולדס אחד עלול להיכשל או אפילו להזיק זה לזה.אפקט המייצב של ריאלטים, למשל, הפוך במספרים נמוכים של ריינולדס שבו הם יכולים לגרום מעבר.התבנית האופטימלית לעתים קרובות תלוי ברמת ההפרעות החופשיות של הזרם החופשי, לחץ ⁇ , מספר מאך וטמפרטורה.זה אומר כי מיקרו-פטרים חייבים להיות מותאמים לכל יישום ספציפי, הגבלת העברה בין-תחומית.

אימות ו Scaling

ניסויי מנהרה וערוץ מים בדרך כלל משתמשים בתנאים אידיאליים.Extrapolating תוצאות עבור מערכות הנדסיות בקנה מידה מלא עם גיאוגרפיות מורכבות, זרימה לא יציבה, והפרעות בעולם האמיתי הוא לא טריוויאלי. Computational נוזל דינמי (CFD) יכול לעזור, אבל פתרון תכונות מיקרו בקנה מידה בתחומים גדולים דורש משאבים חישוביים מסיביים ולמידה מפותחים ל פער זה, אך הם עדיין לא כלים סטנדרטיים.

אפשרויות לעתיד

העתיד של מיקרו-פטרונים עבור בקרת שכבת גבול הוא בהיר, מונע על ידי שילוב התקדמות בייצור, סימולציה, וחומרים מדע.

מיקרו-פטרונים חכמים וחכמים

משטחים של הדור הבא עשויים לכלול אלמנטים פעילים שמשנים צורה או קשיחות בתגובה לתנאי זרימה.סגסוגת Shape-memory או פולימרים אלקטרואקטיביים יכולים לאפשר ל- riblets לשנות את הגובה או את הכיוון שלהם, תוך אופטימיזציה של התבנית עבור שלבים שונים של טיסה.חומרים Piezoelectric יכול לייצר תנודות קטנות כדי להתמודד עם התקפים.

Machine Learning and Topology Optimization

תכנון מיקרו-פטרינים על ידי ניסוי וטעייה הוא אלגוריתמים למידה לא יעילים.מכונה מאומן על סימולציות נאמנות גבוהה יכול לחקור חללים עיצוביים עצומים, זיהוי דפוסים אופטימליים עבור קריטריונים מסוימים של מעבר.טופס יכול לייצר גיאמטריה לא אינטואיטיבית כי החוצה דפוסים מעוצבים על ידי אדם.שלב זאת עם יכולת ייצור של תוסף לממש צורות מורכבות, ומשפחות חדשות לחלוטין של microure-texts הופכים אפשריים.

משטחים ננו-קודש

שילוב חלקיקים (למשל, צינורות פחמן, גרפן) לתוך ציפוי משטח יכול לאפשר רב-תפקוד: מיקרו-פטרונים כי בו זמנית להפחית, לספק אנטי-icing, ודכא זיהום.סופרhydrophobic nanocomposites מציעים גם את הפוטנציאל עבור שכבות אוויר מתמשך תחת מים, המאפשר הפחתה אפילו submerged סביבות.

שילוב עם תאומים דיגיטליים

כאשר החיישנים הופכים זולים יותר ויותר חזקים, משטחים מיקרו-מטופחים יכולים לארח מיקרו-רגישים משובצים (למשל, חיישני לחץ סרט חם, ברזים לחץ) המספקים נתונים של שכבת גבול בזמן אמת, כאשר משולבים עם תאום דיגיטלי, המערכת יכולה להתאים את דפוסי הזרם או לשלוט על פני השטח כדי לשמור על זרימת לבנדר למרות התנאים המשתנים.

מסקנה

מיקרו-פטרנטים על פני השטח מייצגים טכנולוגיה בוגרת אך עדיין מתפתחת עבור מעבר שכבת הגבול מניפולציה. על ידי הבנת מנגנוני חוסר יציבות הבסיסית ומינוף טכניקות ייצור מודרניות, מהנדסים יכולים לעצב מרקמים שעיכובים או לקדם מעבר כדי להשיג יתרונות משמעותיים ביצועים בגרור, העברת חום, וזרימה של פתרונות הנדסיים בר קיימא להישאר בייצור קנה מידה, עמידות, ריינולדס, אבל מחקר מתמשך בחומרים אדפטיים, למידה, ופתרונות דינמיים אלה יהפכו לפתרונות סטנדרטיים סטנדרטיים מתקדמים.