微米输流管动力学的理论建模与新特性研究

与宏观输流管相比，微米输流管的横向尺寸在微米量级，其动力学行为通常会表现出强烈的微尺度依赖性。以往工作在理论建模和动力学分析方面存有很多不足之处。本项目拟开展以下工作：1）着重分析微米管内的流速形貌，确定流体与管道之间的耦合条件及作用力；2）应用和发展基于高阶连续介质力学的梁理论，建立与微尺度有关的微米输流管动力学理论模型，导出系统的非线性运动方程；3）通过求解线性系统的复特征值问题，研究微米输流管的线性振动特性、稳定性机制、临界流速及其微尺度效应；4）应用现代非线性动力学理论，分析非线性系统在定常流速下的自由振动、受迫振动、内共振、分岔和复杂动力响应，探讨脉动流速下微米管的参数振动规律，重点揭示其有异于宏观输流管的新特性、新机理。研究结果将深化人们对微米输流管非线性动力学、稳定性机理和微尺度效应的理解，拓宽连续介质理论的应用范围，为工程微型输流结构的分析和设计提供理论基础和技术储备。

微小尺度输流管在微机电系统中有重要应用，已成为微流体器件的关键元件之一，如何保证这类流固耦合系统的稳定性和安全性是非常值得关注的科学问题。本项目在已有工作的基础上，主要开展了四方面的研究工作，归纳如下。（1）针对微米尺度的输流管结构(直管和曲管)，发展了相应的偶应力理论模型；这一新模型同时考虑了固体材料和流体速度有异于宏观尺度情况下的新特征，可用来预测微米输流管结构振动特性的微尺度效应。（2）针对纳米尺度下的输流管结构，发展了相应的非局部弹性理论模型、表面弹性理论模型和应变/惯性梯度弹性理论模型，这几种新的理论模型均将纳米管内流体等效为塞式流，分别计入了固体材料在纳米尺度下可能出现的非局部效应、表面效应和惯性梯度效应。（3）对于可忽略尺度效应的输流管结构，本项目相继探究了动力系统的稳定性机理和非线性动力学行为，着重分析了多种外激励（如外部流体力、基础激励、电场力）作用下管道的稳定性和复杂的非线性振动行为。（4）提出两种调节输流管稳定性和振动特性的新方法：一是在管道某些位置安装增强材料，二是在管道下游端设置一个Y型喷嘴。研究结果表明，这两种方法可有效控制输流管的稳定性和振动频率，为工程实际应用提供了理论依据。