题目：基于MEMS的边界层剪切应力测量技术与转捩预估研究

高性能飞行器设计研制和空气动力学理论的进一步发展，都要求有精确的边界层转捩测量技术和预估方法。风洞实验通常使用缩尺模型，通常具有边界层薄，对外界干扰十分敏感的特点，将MEMS技术应用于剪切应力测量作为一种新兴的边界层转捩测量手段，具有干扰小、精度高等优点；另一方面，为了运用半经验半理论的eN方法准确估计边界层转捩点的理论位置，需要计算基准流场参数的高精度、高分辨率差分格式，及适用于线性扰动方程的高精度数值计算方法。因此，发展基于MEMS技术的表面剪切应力精确测量技术及高精度边界层转捩预估数值计算方法，有着重要的工程应用价值和理论意义。论文首先回顾了边界层转捩的相关研究背景、发展历程及研究现状，较全面地分析了边界层转捩的基本机理、转捩实验测量所涉及的关键技术，以及转捩控制的应用前景，阐明了边界层转捩预估与剪切应力测量系统的研究对高性能飞行器发展的重要意义。在现有MEMS力传感器与MEMS器件制造工艺的基础上，设计了三种MEMS剪切应力微型天平方案。通过计算机建模和数值仿真计算，得到了每种方案的性能参数，从中确定和完善了一种优化方案及其结构参数，并据此方案制作了基于MEMS的单晶硅膜片表面剪切应力天平，可实现模型表面剪切应力的精确测量。发展了一套相应的剪切应力天平校准方法，搭建了校准实验装置，编写了相关数据处理软件。运用Stokes层流管静态校准法和行波管动态校准法，确定了天平的输出特性、灵敏度和动态特性，验证了自行研制的浮动元件式MEMS剪切应力天平线性度好、工作稳定、重复性精度高，满足风洞实验使用要求。利用MEMS剪切应力天平测定了平板边界层内不同测点的摩擦应力，从而确定出了平板边界层转捩位置。通过与Blasius经验公式所得摩擦应力及脉动压力测试技术所得转捩位置进行对比，验证了自行研制的MEMS剪切应力天平所测摩擦应力及转捩点位置结果合理，是一种可靠的边界层转捩测量手段。针对亚音速及超音速基准流场计算，发展了计算高精度、高分辨率的紧致差分格式，并改进了可压缩流动线性稳定性方程的数值计算方法，编写了eN转捩预测计算软件。最后，针对八种由亚音速到跨音速的实验流动状态，利用此计算软件进行了基准流场计算、稳定性分析和转捩点位置预测。