黏弹性流体基铜纳米流体流动与传热实验研究

成功建立了流体流动阻力和换热性能测试实验台,在45℃的流体温度下,对不同铜粒子体积分数和基液浓度的纳米流体在湍流状态下的对流换热特性和流动阻力进行了实验测量。实验结果表明:黏弹性流体基液中添加纳米粒子后,在降低对应基液减阻率的同时能明显增强传热性能.例如,将1.0%体积分数的铜纳米粒子添加到质量分数为6×10~(-4)的基液中所形成的黏弹性流体基纳米流体其综合性能指数K=0.47,表现了很好的传热强化和减阻性能.     

各向异性渗流条件下弹性波的传播特征

研究了弹性波在非均匀裂纹孔隙介质中的传播特性,建立了各向异性喷射流模型.当弹性波通过裂纹孔隙介质时,由于波的扰动及裂纹和孔隙几何结构的不一致,导致在裂纹内部及裂纹与周边孔隙之间同时存在着流体压力梯度.此时的弹性波波动响应中包含着裂纹内连通性特征和背景孔隙渗透率信息.流体的动态流动过程使得介质的等效弹性参数为复数(非完全弹性),并且具有频率依赖性.当弹性波为低频和高频极限时,介质为完全弹性;当处于中间频段时,波有衰减和频率依赖.裂纹孔隙介质的各向异性连通性(渗透率)对应着各向异性特征频率(当渗流长度等于非均匀尺度时的弹性波频率),波的传播受到裂纹内连通性的影响.在一定频段内,随着裂纹厚度的增加,将出现第二峰值,峰值大小同时受到裂纹厚度和半径的影响.     

小尺度涡流发生器强化传热机理的研究

在矩形槽道内布置了不同高度的小尺度涡流发生器,采用湍流模型对流体在其中的流动与传热特性进行了数值模拟,并对流体在槽道中的传热和流动特性进行了对比研究.分析了小尺度涡流发生器诱导涡的特性及其对湍流相干结构的影响与作用,讨论了湍流相干结构对温度场的作用机理,解释了涡流发生器强化换热的机理.     

圆截面直流道中微粒黏弹性聚焦机理研究

微粒黏弹性聚焦技术近年来受到了广泛的研究重视, 但影响粒子聚焦特性的关键参数调控机理仍不清楚. 基于此目的, 本文量化研究了圆截面直流道中非牛顿流体诱导微粒黏弹性聚焦的行为, 给出了流速和流道长度对粒子聚焦特性的调控机理. 具体而言: 首先, 对比分析不同黏度牛顿流体(水和22 wt%甘油水溶液)和非牛顿流体(8 wt%聚乙烯吡咯烷酮水溶液)中粒子横向迁移行为, 发现非牛顿流体中粒子将在弹性力主导下聚焦至流道中心区域, 而牛顿流体中粒子则在惯性升力主导下迁移形成Segré-Silberberg圆环. 其次, 量化分析粒子尺寸和驱动流速对黏弹性聚焦效果的影响, 发现随着流速的增加, 粒子聚焦效果逐渐变好并最终趋于稳定, 且大粒子较小粒子具有更好的聚焦效果. 最后, 研究粒子沿流道长度的动态聚焦过程, 推导并验证了粒子聚焦所需安全流道长度的数学模型, 发现大粒子聚焦所需安全流道长度显著短于小粒子. 上述研究结果对于提升粒子黏弹性聚焦机理和过程的理解, 实现微粒聚焦特性的灵活控制具有非常重要的意义.     

颗粒介质弹性的弛豫

颗粒介质是复杂的多体相互作用体系, 其弹性源自内部的力链结构, 弹性能量处在亚稳态, 具有复杂的弛豫行为. 在常规作用下, 颗粒介质往往呈现明显的弹性弛豫. 应力松弛是应变恒定时应力的衰减现象, 弹性弛豫是应力松弛的主要原因. 在前期工作基础上, 从弹性势能面和双颗粒温度热力学角度分析了弹性弛豫的机理, 量化了弹性应力演化不可逆过程; 基于双颗粒温度热力学计算得到了弹性能、颗粒温度和应力的演化, 其中应力松弛的计算结果与实验结果基本一致, 讨论了颗粒温度初值和输运系数的影响. 指出, 开展力链结构及其动力学研究是揭示宏观弹性弛豫机理的关键.     

Ni53.2Mn22.6Ga24.2单晶的两步热弹性马氏体相变及其应力应变特性

对具有两步完全热弹性的Ni_53.2Mn_22.6Ga_24.2单晶的物性采用多种测量手段进行了表征,特别研究了不同温度下的应力-应变特性.研究表明,热诱发的中间马氏体相变应变远大于马氏体相变应变.在较低的形变温度下,沿单晶母相［001］方向的压应力诱发的是两步马氏体相变,材料表现出赝弹性;在较高的形变温度下,只能观察到一步马氏体相变,材料展现出完全超弹性特性.此外,利用热力学理论分别计算了诱发马氏体相变和中间马氏体相变的临界应力与形变温度的关系,与实验测量得到的结果相符. 关键词： 马氏体相变 形状记忆效应 应变 超弹性     

非牛顿流体在介质中的自然对流与传热

基于修正的Darcy定律,数值模拟了上端开口,从底部等温加热的多孔介质中黏弹性流体的自然对流与传热,其中使用了特征松弛时间λ和迟滞时间ε来表征黏弹性流体的性质。我们选择了三组不同的λ和ε.发现与牛顿流体中对应的情况相比,黏弹性流体的传热特性有很大不同。另外,上端开口多孔介质中的黏弹性流体比上端闭口多孔介质中黏弹性流体的自然对流与传热也有很大不同.在不同的Ra数范围,传热规律服从不同的标度律。     

非对称弯曲微流道中粒子惯性聚焦动态过程及流速调控机理研究

设计制作了一种具有非对称弯曲微流道结构的微流控芯片, 搭建实验平台定量表征聚苯乙烯粒子和血细胞沿流道的动态惯性聚焦过程, 并系统研究了流体流速和粒子尺寸对粒子聚焦特性的调控机理. 通过分析粒子荧光图谱和对应量化强度曲线, 将粒子沿流道长度的横向迁移过程分为形成聚焦和平衡位置调整两个阶段, 指出在整个聚焦过程中具有小曲率半径的流道结构起主导作用. 根据全流速段内粒子聚焦特性的演变, 重点分析潜在惯性升力和Dean 曳力的竞争机制, 提出了阐述粒子聚焦流速调控过程的三阶段模型. 进一步比较两种尺寸粒子聚焦位置和聚焦率随流速与流道长度的变化规律, 发现大粒子具有更好的聚焦效果和稳定性, 且两种粒子的相对位置可通过流速进行调整. 最后, 通过分析血细胞在非对称弯流道中的横向迁移特性, 验证了粒子惯性聚焦机理在复杂生物粒子操控方面的适用性. 上述结论为深入研究微流体环境下粒子的运动特性以及开发微流式细胞术等临床即时诊断器件提供了重要参考.     

惯性颗粒所见被动标量统计特性的直接数值模拟研究

本文采用直接数值模拟方法,对惯性颗粒所见均匀各向同性湍流中具有平均标量梯度的被动标量场统计特性进行了研究。模拟结果表明:与颗粒所见流体速度的自相关特性不同,颗粒所见标量的自相关特性随颗粒惯性的增加而单调减少;颗粒所见标量脉动能随颗粒惯性的增加先减少再增大,在St≈1.0的临界颗粒附近达到最小值,而颗粒所见标量耗散率随颗粒惯性的变化行为与颗粒所见标量脉动能的变化行为相反;数值模拟的结果进一步揭示,在St≈1.0时颗粒所见流体标量脉动能和耗散率的极值是因为St≈1.0的临界颗粒聚集于低涡量、高应变区域和标量场在高应变区域形成强耗散的片状结构所致。     

基于热质理论的广义热弹性动力学模型

具有微尺度传热特征的超常传热过程中,热流矢与温度梯度之间存在延迟效应,且热流的运动受到空间效应的影响.基于热质概念的普适导热定律,结合Clausius不等式和Helmholtz自由能公式,构建了计及热流矢和温度对时间和空间惯性效应的广义热弹性动力学模型,推导了各向同性材料超常传热行为的热弹性控制方程组.通过与已有广义热弹性动力学模型进行对比分析可得,当热流密度不大的条件下,热流矢与温度对空间的惯性效应可忽略时,基于热质概念的广义热弹性模型可分别退化为L-S,G-L和G-N的模型;对于尺度微观、稳态导热条件时,热流矢与温度对空间的惯性效应不可忽略,此时导热系数将受到热质运动惯性效应的影响,利用所建模型可揭示稳态导热时呈现的非傅里叶现象,并可避免基于已有广义模型得到的导热系数随结构特征尺寸变化的非物理现象.     

电磁力控制湍流边界层分离圆柱绕流场特性数值分析

在亚临界区高雷诺数Re=1.4×105下,采用脱体涡模拟结合湍流分离的方法对弱电解质中电磁力作用下湍流边界层分离圆柱绕流场及其升(阻)力特性进行了数值模拟和分析.结果表明,电磁力可以提高圆柱体湍流边界层内的流体动能,延缓圆柱体湍流边界层的流动分离,减弱圆柱体湍流绕流场中在流向和展向上大尺度漩涡的强度,减小圆柱体阻力时均值及其升力脉动幅值.当电磁力作用参数大于某个临界值后,湍流边界层流动分离消失,在圆柱体尾部产生射流现象,从而电磁力对圆柱体产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值接近于零,出现圆柱体升力消失现象.     

双层弹性支撑板的水下宽带隔声

为实现水下宽带隔声,提出了一种由弹性元件支撑两块刚性端板构成的双层弹性支撑板结构。采用弹簧振子振动分析法和声传播理论,建立了平面波入射的水下隔声理论模型,分析了结构参数对隔声量的影响规律,结果表明足够小的弹性元件单位面积弹性系数或足够大的端板单位面积质量都可以连续一致地提高隔声量.仿真分析了双层弹性支撑板的振动位移和声输入阻抗,比较了双层弹性支撑板与连续介质层的隔声特性,结果表明,降低弹性元件质量,有助于在低频段消除半波全透射现象.在同厚度、同质量、同静态压缩率条件下,双层弹性支撑板能更好的降低两侧流体的振动及声耦合,隔声频带更宽,带内一致性更好,隔声量更大.      

基于Biot-喷射流统一模型Maxwell流体饱和孔隙介质中的弹性波

推广Biot-Tsiklauri声学模型的同时借鉴Dvorkin和Nur的工作,建立了具有任意孔径分布并顾及喷射流动机制的非牛顿流体饱和孔隙介质声学模型,研究了非牛顿流体(Maxwell流体)饱和孔隙介质中的弹性波的衰减和频散特性.着重讨论充孔隙Maxwell流体的非牛顿流效应对弹性波的频散和衰减的影响.研究表明,饱和流体的非牛顿流效应和喷射流动机制均是引起弹性波波频散和衰减的重要因素.依据非牛顿流体(Maxwell流体)饱和各向同性孔隙介质的Biot-喷射流声学模型,喷射流动只影响纵波的频散和衰减,而饱和流体的非牛顿流效应不仅影响纵波,而且还影响横波的频散和衰减.     

压缩拐角激波/湍流边界层干扰特性分析

用大涡模拟方法对Mach数3.0下的压缩拐角激波/湍流边界层干扰问题进行数值研究.对拐角上游平板区域边界层转捩及湍流进行模拟,设定平板区域长度,使得转捩过程于平板区域发生并充分完成,从而在拐角处产生激波/湍流边界层相互干扰,研究激波/湍流边界层的作用机理.研究表明:流场能够在非定常扰动激励下迅速转捩,并于平板区发展为完全湍流;湍流边界层与激波相互作用过程中,拐角附近分离区较层流情况明显减小;展向不同区域分离区大小差异较大,局部区域分离现象消失.     

大曲率弯管中拟塑性流体的流场测量

本文利用超声多普勒测速仪和动态压力测量方法,研究90°矩形截面弯管中拟塑性流体(浓度为0.1%和0.2%的羧甲基化纤维素溶液,CMC)的流场特性,在三种来流速度条件下,测量了沿流向截面内的主流速度和壁面测点的压力脉动特性。在介质的流变性参数测量的基础上,实验观察了层流和湍流状态下弯道截面内拟塑性流体流动不均匀性的特征,并与牛顿流体流动的经典实验进行了对比分析。动态压力测量则显示了在湍流状态下,拟塑性流体仍具有牛顿流体湍流流动的多尺度特征。     

方形颗粒在黏弹性流体中的沉降特性

采用有限元任意拉格朗日-欧拉(ALE)法对方形颗粒在黏弹性流体中的沉降特性进行研究。通过直接数值模拟得到了不同弹性数下方形颗粒的稳定取向角的变化情况,并讨论了颗粒长宽比和通道宽度对其沉降特性的影响。结果表明,当方形颗粒在黏弹性流体中沉降时,弹性数存在一个临界值。当弹性数小于临界值时,颗粒的稳定取向为长轴方向垂直于重力方向;当弹性数大于临界值时,颗粒的稳定取向为长轴方向平行于重力方向。颗粒长宽比和通道宽度对其沉降特性都有一定的影响。长宽比大的颗粒在沉降过程中的取向角和横向漂移的振幅更大。弹性数的临界值随着长宽比的增大而减小,随着阻塞比的增大而增大。     

两粒子二维完全弹性碰撞问题的相对论力学分析

用相对论力学考察两个小球的二维完全弹性碰撞过程.通过比较相对论力学与经典力学所得到结果的差异,显示了相对论力学的特性.     

国外物理科普杂志精文提要

 1990年《Physics Today》(今日物理)U.弗里希.S.奥斯萨格《湍流:理论和实验的难题》1月号高雷诺数流体随处可见,人们已从现象上了解了这类流体的许多特性,但是要想建立一套描述这些流体的详细特性的系统理论,则需要做许多新奇的实验。     

惯性颗粒所见被动标量统计特性的DNS与模型研究

本文采用DNS方法,对惯性颗粒所见各向同性湍流中具有平均标量梯度的被动标量场统计特性进行了研究。结果表明：惯性对颗粒温度脉动强度,两相温度关联,自相关特性以及颗粒热流与两相交叉热流的统计特性具有明显的影响。在PDF方法的框架下,系统地推导了非等温气固两相流的PDF方程,且基于朗之万随机体系对方程进行了封闭,并利用前面的...     

非等温气固两相各向同性湍流的直接数值模拟

本文对非等温气固两相各向同性湍流中颗粒及颗粒所见流体温度的统计行为进行了直接数值模拟研究,系统地讨论了颗粒惯性的影响。对于Tp/Tk<1的颗粒,其温度脉动随惯性增大而减弱;对于Tp/Tk>1的颗粒,其趋势相反。颗粒及颗粒所见流体温度的自相关都随颗粒惯性的增加而减弱,而且随颗粒惯性的增加,颗粒所见流体温度的自相关比颗粒自身温度的自关联下降得快。