近壁球形颗粒的曳力特性研究

本文研究了球形颗粒在近壁区域内的曳力特性,基于气体动理论方法推导得到了自由分子区内近壁颗粒沿垂直于平壁方向运动时所受曳力的表达式,其计算结果与直接蒙特卡洛模拟结果一致。计算并分析了动量适应系数、壁面温度等参数对近壁颗粒所受曳力的影响规律和机制。当壁面动量适应系数为零时,近壁效应消失;当壁面温度高于气体温度时,近壁效应使得颗粒所受曳力增大;当壁面温度低于气体温度且颗粒速度较小时,可能出现曳力方向与颗粒运动方向相同的情况。     

纳米通道内气体剪切流动的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法研究了表面力场对纳米通道内气体剪切流动的影响规律.结果显示通道内的气体流动分为两个区域:受壁面力场影响的近壁区域和不受壁面力场影响的主流区域.近壁区域内,气体流动特性和气体动力学理论预测差别很大,密度和速度急剧增大并出现峰值,正应力变化剧烈且各向异性,剪切应力在距壁面一个分子直径处出现突变.主流区域的气体流动特性与气体动力学理论预测相符合,该区域内的密度、正应力与剪切应力均为恒定值,速度分布亦符合应力-应变的线性响应关系.不同通道高度及密度下,近壁区域的归一化密度、速度及应力分布一致,表明近壁区域的气体流动特性仅由壁面力场所决定.随着壁面对气体分子势能作用的增强,气体分子在近壁区域的密度和速度随之增大,直至形成吸附层,导致速度滑移消失.通过剪切应力与切向动量适应系数(TMAC)的关系,得到不同壁面势能作用下的TMAC值,结果表明壁面对气体分子的势能作用越强,气体分子越容易在壁面发生漫反射.     

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.     

温度场内可吸入颗粒物运动特性的实验研究

对温度场内可吸入颗粒物的运动特性进行了实验研究,使用PDA测量了场内可吸入颗粒物的速度和浓度分布等参数,研究了实验段入口速度和温度等操作参数对温度场内颗粒相运动特性的影响.结果表明,在近冷壁区边界层内,PM2.5的轴向速度和脉动速度变化很大,颗粒因热泳力及扩散作用会向冷壁面运动并产生沉积.在实验研究的基础上,提出了计算温度场内PM2.5沉积效率的经验公式.     

自由分子区内纳米颗粒的热泳力计算

基于非平衡态分子动力学模拟方法,研究了自由分子区内纳米颗粒的热泳特性.理论研究表明,纳米颗粒与周围气体分子之间的非刚体碰撞效应会明显地改变其热泳特性,经典的Waldmann热泳理论并不适用,但尚未有定量的直接验证.模拟计算结果表明:对于纳米颗粒而言,当气-固相互作用势能较弱或气体温度较高时,气体分子与纳米颗粒之间的非刚体碰撞效应可以忽略,Waldmann热泳理论与分子动力学模拟结果吻合较好;当气-固相互作用势能较强或气体温度较低时,非刚体碰撞效应较为明显,Waldmann热泳理论与模拟结果存在较大误差.基于分子动力学模拟结果,对纳米颗粒的等效粒径进行了修正,并考虑了气体分子与纳米颗粒之间的非刚体碰撞效应,理论计算结果与分子动力学模拟结果吻合较好.     

壁面效应对纳米尺度气体流动的影响规律研究

采用分子动力学方法研究了过渡区纳米通道内的壁面力场对气体剪切流动的影响规律.在纳米尺度下,壁面力场对流场的主导作用更加显著,流动物理量对于壁面条件和系统温度的变化也更加敏感.壁面原子的运动采用Einstein模型模拟,结果表明随着壁面刚度的增加,气体在近壁面区域的速度峰值减小,气体分子与壁面的动量适应性变差.壁面粗糙度通过金字塔形模型来研究,发现无论是主流区域还是近壁区域,壁面粗糙度对流动的影响都非常明显.当粗糙单元高度增大时,气体分子在壁面处的聚集现象明显,与壁面完全动量适应.本文还研究了系统温度对纳米通道流动的影响,结果表明温度的影响是全局性的,温度的升高导致整个通道内流速降低,近壁区域气体密度减小,气-固动量适应性变差.     

作用在粒子上的热泳升力研究

本文基于流体内部温度梯度的剪切变化特征,提出颗粒在流体中会受到热泳升力的观点。该力与热泳现象中的粒子运动相关但不同于热泳力。介绍了求解得到该热泳升力的两种思路。比拟速度剪切流动中颗粒受到流体作用的升力的过程,给出了颗粒在温度梯度作用下受到的热泳升力的表达式。本文指出该热泳升力与流体平均温度梯度方向垂直,并且指向梯度较大的部分。针对碳纳米管热驱动和暖气片熏墙的例子,分析了热泳升力的作用。     

气固两相90°弯管流中静电影响颗粒运动的大涡模拟研究

本文采用欧拉–拉格朗日方法对静电平衡情况下的圆形截面90°弯管中的气固两相湍流流动进行了大涡模拟研究,重点研究了弯管中的饱和静电作用和Prandtl第二类二次流对于颗粒输送的影响。结果表明,模拟得到Reb=58k工况下的90°弯管中的载流相流场计算结果与实验结果吻合良好,弯管中平均二次流速度最大可以达到体积速度的55%,并且二次流对于离散颗粒相的输送影响显著。静电作用对于管道中心区域的颗粒影响较小,但对于近壁面区域的颗粒作用影响较大,加强了近壁面区域颗粒运动的湍泳现象。动力学分析结果表明,在远离壁面的大部分管道中心区域内流动对颗粒的拖曳力主导颗粒的运动。而对近壁面区域内的颗粒,静电力与拖曳力大小相当甚至超过拖曳力,静电力主导了近壁面区域内颗粒的运动。     

氙(Xe)原子在铂(Pt)表面吸附与脱附的分子动力论方法研究

运用分子动力论方法研究单原子气体分子(Xe)在固壁表面(Pt)的吸附与脱附。在构造了合理的气体分子与固壁表面相互作用势模型之后,运用随机经典轨道方法求解气体分子及固壁原子的运动方程,得到气体分子的运动轨迹及状态。结果表明,气体分子在固壁表面的吸附几率与分子的入射平动能量、壁面温度及气-固相互作用势模型的选取等因素有关,气体分子在固壁表面的脱附速率基本满足Arrhenius关系式。     

滴状冷凝过程壁面反射光谱的分子团聚模型分析

根据反射光谱可用于分析固体表面介质凝聚状态的原理,理论分析了不锈钢表面上不同厚度薄液膜对表面反射率的影响,确定了在冷凝过程中该表面上冷凝液形成和更新过程导致相应反射率变化的范围. 通过分析滴状冷凝实验过程反射光谱的文献数据,研究了滴状冷凝过程壁面上蒸气分子凝聚特征,发现在实际的滴状冷凝传热过程中,液滴脱落后形成的裸露表面上存在反射特征介于液膜与体相蒸气分子之间的介质. 结合蒸气冷凝过程的分子团聚模型,得到了在滴状冷凝过程中近壁面附近的蒸气分子形成分子团聚分布的合理性. 此外,分析发现表面微观结构将改变团聚体分布密度,从而影响冷凝核化过程的现象. 这为冷凝传热强化方法的研究提出了新的思路. 关键词： 分子团聚 反射光谱 滴状冷凝     

On the thermophoresis in dense dust structures in neon plasma

Numerical study of the effect of dust particle concentration on the thermophoretic force acting on a dust particle inside a dust structure in plasma has been carried out. The experimental data on the formation of voids in dust structures formed by 2.55 μm dust particles in a glow dc discharge in neon have been used. The simulation has been performed using the diffusion-drift model with taking into account joule heating of discharge. The dependence of the thermophoretic force acting on a dust particle in a dust structure on the ratio of atom mean free path to the distance between the adjacent particles in the dust structure has been obtained.     

Forces acting on a stationary sphere in power-law fluid flow near the wall

The analysis and evaluation of the forces acting on the particle in a linear shear flow of power-law fluid (PLF) in the presence of the wall were performed. Using the results of a series of computations for a model problem with a spherical particle near a flat wall in the Reynolds number range of 0?200 and the distance to the wall from 0 to 20 particle diameters, the correlation formulas for calculating the coefficients of drag force and lift force were obtained. Special attention was paid to the behavior of the forces acting on the particle approaching the wall.     

气温和颗粒密度对声场中颗粒动力学影响的数值模拟

综合考虑黏性夹带力、Basset力、虚拟质量力和压力梯度力,建立颗粒在声场中的动力学模型,利用变步长四阶RungeKutta算法和二阶隐式Adams插值算法对颗粒的受力和运动进行数值模拟。将模拟和实验得到的颗粒运动特性进行对比,验证数值模拟的正确性。在此基础上,研究气温和颗粒密度对颗粒动力学的影响规律。结果表明,黏性夹带力对颗粒运动起主导作用;气温升高,压力梯度力与黏性夹带力之间的相位差减小,Basset力、虚拟质量力与黏性夹带力之间的相位差增大。研究还发现,气温较低时,颗粒密度对颗粒运动有重要影响,夹带系数随着密度的增加而迅速下降;气温较高时,颗粒密度对颗粒运动的影响较小,颗粒位移振幅和夹带系数相对低温时明显增加。      

疏水表面减阻的格子Boltzmann方法数值模拟

采用格子Boltzmann方法的多松弛模型和Shan-Chen多相流模型对雷诺数为100的疏水表面方柱绕流进行了数值模拟, 分析了疏水表面接触角和来流含气率对方柱绕流流场的影响. 研究结果表明: 疏水表面接触角一定时, 来流含气率在一定范围内, 疏水表面具有减阻的能力, 超出这一范围时会出现阻力系数、升力系数升高的现象, 同时在方柱近壁面处伴随涡的形成产生了气团脱落; 当来流含气率处于适当水平时, 接触角越大, 绕流物体近壁面处含气率越稳定, 减阻效果越明显. 分析发现疏水表面减阻的关键在于保证近壁面处气层的稳定性, 此时接触角越大, 减阻效果越明显. 本文从含气率角度出发分析疏水表面的减阻现象, 为进一步探索疏水表面减阻机理提出了新的思路.     

Temperature hysteresis of the reflection coefficient of leucosapphire in vacuum

We have measured the temperature dependences of light reflection of leucosapphire single crystals upon cyclic variation of temperature in the range of 295–155 K. We have revealed an asymmetric temperature hysteresis of specular reflection, which is accompanied by a change in diffuse reflection. It has been found that the behavior of specular reflection is determined by the temperature dependences of the refractive index and topography of the surface. We assume that temperature changes in the reflection are related to structural phase transitions in the superficial layer.     

Influence of isotopic substitution on the diffusion and thermal diffusion coefficient of binary liquids

The mutual mass diffusion coefficient (D) and the thermal diffusion coefficient ( D _T) of the liquids acetone, benzene, benzene-d ₁, benzene-d ₃, benzene-d ₅, benzene-d ₆, benzene- ¹³C₆, n-hexane, toluene, 1, 2, 3, 4-tetrahydronaphtalene, isobutylbenzene, and 1, 6-dibromohexane in protonated and perdeuterated cyclohexane have been measured with a transient holographic grating technique at a temperature of 25 ^°C. The mass diffusion coefficient shows a pronounced concentration dependence. Perdeuteration of cyclohexane only leads to marginal changes of the mass diffusion coefficient. The Stokes-Einstein equation describes the limiting tracer diffusion coefficients well if the solute molecule is smaller than the solvent. It is not capable to describe the small isotope effect of a few percent. On the other hand, the isotope effect, which is independent of concentration, is in agreement with the Enskog theory, that does not provide the absolute value of the mass diffusion coefficient of the liquid mixtures. The thermal diffusion coefficient of all the binary mixtures shows a moderate and almost linear concentration dependence. Its isotope effect, which is the change of D _T upon deuteration of cyclohexane, varies with mole fraction. The thermophoretic force acting on any tracer molecule in cyclohexane changes by the same amount when cyclohexane is perdeuterated, irrespective of the magnitude of the thermophoretic force before deuteration. This change of the thermophoretic force is equal but of opposite sign to the difference between the thermophoretic forces acting on cyclohexane and perdeuterated cyclohexane as tracers in any of the above liquids.