水下多级微结构液气界面的稳定性和可恢复性研究

微结构表面浸没水下所形成的液气界面对减阻等应用具有重要意义.液气界面的稳定存在是结构功能表面发挥作用的前提. 因此,如何增强液气界面的稳定性以抵抗浸润转变过程, 以及在液气界面失稳之后,如何实现去浸润过程以提高液气界面的可恢复性能,均具有重要的科学研究意义和实际应用价值, 也是国内外研究关注的热点问题.本文针对具有多级微结构的固体表面,研究其在浸没水下后形成的液气界面的稳定性和可恢复性.通过激光扫描共聚焦显微镜对不同压强下液气界面的失稳过程和降压后的恢复过程进行原位观察,实验结果和基于最小自由能原理的理论分析相吻合.本文揭示了多级微结构抵抗浸润转变以及提高液气界面可恢复性能的机理:侧壁上的次级结构(纳米颗粒、多层翅片)通过增加液气界面在壁面的表观前进接触角增强了液气界面的稳定性;底面的次级结构(纳米颗粒和封闭式次级结构)可以维持纳米尺寸气核的存在,有利于水中溶解气体向微结构内扩散, 最终使液气界面恢复.本文的研究为通过设计多级微结构表面来获得具有较强稳定性和可恢复性的液气界面提供了思路.      

超疏水材料表面液—气界面的稳定性及演化规律

超疏水表面功能材料在防污、流动减阻等领域具有重要应用,其中液–气界面的稳定性是关系到该种材料性能发挥的关键因素.微结构液–气界面的稳定性主要体现在浸润状态转变过程,浸润状态恢复过程和气泡形态演化过程三个方面.在压强变化、气体扩散等多种因素作用下,液–气界面会发生失稳现象,并以不同的形态变化方式进行演化发展.该文首先总结了三类液–气界面稳定性问题.在不同的演化阶段,液–气界面具有不同的位置和形状,体现出不同的稳定性.然后,分别针对液滴系统和水下浸没系统,考虑了几种主要的影响因素,综述了目前国内外关于超疏水微结构液–气界面稳定性研究的主要进展,总结液–气界面的演化机制.最后,展望了该领域中存在的主要科学问题.     

Stability and evolution of liquid-gas interfaces on superhydrophobic surfaces

超疏水表面功能材料在防污、流动减阻等领域具有重要应用,其中液-气界面的稳定性是关系到该种材料性能发挥的关键因素.微结构液-气界面的稳定性主要体现在浸润状态转变过程,浸润状态恢复过程和气泡形态演化过程三个方面.在压强变化、气体扩散等多种因素作用下,液-气界面会发生失稳现象,并以不同的形态变化方式进行演化发展.该文首先总结了三类液-气界面稳定性问题.在不同的演化阶段,液-气界面具有不同的位置和形状,体现出不同的稳定性.然后,分别针对液滴系统和水下浸没系统,考虑了几种主要的影响因素,综述了目前国内外关于超疏水微结构液-气界面稳定性研究的主要进展,总结液-气界面的演化机制.最后,展望了该领域中存在的主要科学问题.     

超疏水材料表面液-气界面的稳定性及演化规律

超疏水表面功能材料在防污、流动减阻等领域具有重要应用,其中液–气界面的稳定性是关系到该种材料性能发挥的关键因素。微结构液–气界面的稳定性主要体现在浸润状态转变过程,浸润状态恢复过程和气泡形态演化过程三个方面。在压强变化、气体扩散等多种因素作用下,液–气界面会发生失稳现象,并以不同的形态变化方式进行演化发展。该文首先总结了三类液–气界面稳定性问题。在不同的演化阶段,液–气界面具有不同的位置和形状,体现出不同的稳定性。然后,分别针对液滴系统和水下浸没系统,考虑了几种主要的影响因素,综述了目前国内外关于超疏水微结构液–气界面稳定性研究的主要进展,总结液–气界面的演化机制。最后,展望了该领域中存在的主要科学问题。     

多级多层复合滑坡工程病害的试验研究

张家坪滑坡具有多级多层的复杂滑体结构,本文选取最典型的断面开展了大型地质力学模型试验,模拟了边坡的开挖过程,并采用均匀毛细浸润技术研究雨水作用下的坡体稳定性,通过有无支挡的两阶段试验对比,分析了多级多层复合滑坡的变形失稳机制和工程病害,以及相应抗滑支挡结构的加固效果。     

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

气体速度对液膜在预膜板表面流动形态影响的LBM模拟

为了探究气流剪切作用对航空燃油在气动雾化喷嘴预膜板上流动形态的影响,首先对基于相场理论的两相流格子Boltzmann模型进行修正,并通过经典算例验证了修正后模型的准确性和可靠性.随后利用该模型模拟了同向气流驱动下液膜在水平预膜板表面上的流动,分析了气流速度对液膜流动形态的影响规律.研究表明,该模型可准确追踪具有大密度比的气液相界面的形态变化;气液剪切速度差会诱发两相界面出现Kelvin-Helm-holtz不稳定性现象,因而当气体速度升高时,气液剪切速度差增大,不仅液膜流动速度随之增高,且在铺展阶段液膜会产生较高振幅的波浪面并加快铺展过程,自由表面波动增强.     

可压缩旋转气体中超空化射流的热稳定性

液体射流热稳定性研究是对射流稳定性问题的更深层次的探讨,可以进一步加深对液体射流分裂与雾化机理的认识,具有重要的学术意义和工程应用价值. 基于射流稳定性理论,在同时考虑射流周围气体旋转、射流和周围气体可压缩性以及射流液体中含空化气泡的条件下,建立了描述可压缩旋转气体中超空化射流热稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证分析;在此基础上,分析了液体射流表面与周围气体间温差及射流内部温度梯度同时作用下对射流稳定性的影响;并进一步探讨了超空化射流的热稳定性. 结果表明,射流表面扰动波的最大扰动增长率、最不稳定频率以及最大扰动波数皆随气液温差的增大呈近似线性增大趋势;射流内部温度梯度的存在使得气液温差对射流的失稳作用更加显著;射流内部温度梯度会抑制超空化对射流稳定性的影响,但气液温差会在一定程度上促进超空化对射流的失稳作用.      

颗粒介质固-流态转变的理论分析及实验研究

颗粒介质由大量离散的颗粒聚集而成,因而与传统固体和流体不同,运动过程中的颗粒介质中可能同时存在多种流态及其相互间复杂的转换过程. 颗粒介质弹性失稳机理、不可恢复应变量化是研究颗粒介质固态和流态及固-流态转变的关键. 在前期建立的双颗粒温度热力学(two-granular-temperature, TGT) 理论基础上,确定了颗粒介质的弹性稳定性条件,建立了不可恢复应变流动法则,搭建了描述颗粒固态-液态及其相互转化的简单模型. 颗粒堆积体坍塌过程是典型的颗粒介质固态和流态及其转变过程,因此本文首先开展了25 167 个陶颗粒堆积体坍塌过程的实验研究,并使用基于TGT 理论的物质点方法和离散元方法对物理实验进行了模拟. 结果表明,模型数值结果与物理实验在颗粒堆坍塌过程中的形态、速度分布等细节上吻合很好,同时也发现了现阶段所使用的物质点方法和TGT 理论的不足. 初步说明TGT 理论可以实现颗粒介质固态和流态,以及状态转变的描述.      

可压缩旋转气体中超空化射流的热稳定性

液体射流热稳定性研究是对射流稳定性问题的更深层次的探讨,可以进一步加深对液体射流分裂与雾化机理的认识,具有重要的学术意义和工程应用价值.基于射流稳定性理论,在同时考虑射流周围气体旋转、射流和周围气体可压缩性以及射流液体中含空化气泡的条件下,建立了描述可压缩旋转气体中超空化射流热稳定性的数学模型,并对数学模型及其求解方法进行了验证分析;在此基础上,分析了液体射流表面与周围气体间温差及射流内部温度梯度同时作用下对射流稳定性的影响;并进一步探讨了超空化射流的热稳定性.结果表明,射流表面扰动波的最大扰动增长率、最不稳定频率以及最大扰动波数皆随气液温差的增大呈近似线性增大趋势;射流内部温度梯度的存在使得气液温差对射流的失稳作用更加显著;射流内部温度梯度会抑制超空化对射流稳定性的影响,但气液温差会在一定程度上促进超空化对射流的失稳作用.     

基底弹性对蒸发超薄液膜去润湿过程的影响

研究了基底的弹性变形对蒸发超薄膜的稳定性和去润湿动力学过程的影响. 基于长波近似, 得到了关于液体薄膜厚度的演化方程. 运用线性稳定性理论和数值模拟两种方法, 研究了基底弹性、范德华力以及液体蒸发等因素对液体薄膜的稳定性和去润湿过程的影响. 研究结果表明增大基底的弹性系数或者减小液体的表面张力, 都能加速液膜的破碎, 并且能够影响气液界面波的波长; 液体蒸发能促进气液界面扰动的增长, 有助于液膜的破裂.      

碳酸钙纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的摩擦学性能研究

采用碳酸钙纳米颗粒与全氟聚醚型超分子凝胶复合得到了一种新型的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂. 超分子凝胶具有错综复杂的网络结构,有效地提高了碳酸钙纳米颗粒在全氟聚醚润滑油中的分散稳定性. 此外,碳酸钙纳米颗粒作为添加剂极大地提高了超分子凝胶的润滑性能,使其表现出较好的耐高温性能,以及较高的承载力. 采用差式扫描量热仪、热重分析仪和流变分析仪对该复合润滑剂的热力学性能进行表征,结果显示该复合润滑剂具有很好的热稳定性以及较好的力学性能. 最后,通过X射线光电子能谱(XPS)对其摩擦机理进行表征,结果表明碳酸钙纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂优异的摩擦学性能可归因于碳酸钙纳米颗粒在摩擦副表面形成了易剪切的薄膜,以及小尺寸的纳米粒子在摩擦过程中对摩擦表面进行的自修复效应.      

基于气泡形态影响的水下气幕对冲击波衰减效果分析

气泡帷幕是水下爆炸冲击波防护的重要手段,对其作用机理及技术参数的深入研究对水下爆破安全与应用具有重要意义。采用高速摄影技术对室内小型水下气泡帷幕模型拍摄发现气幕在形成过程和与水下爆炸冲击波相互作用过程中均具有高度非连续性和非均匀性,且气幕区域内气体与液体混杂,界面轮廓复杂多样。在此基础上,考虑气泡形状及界面影响下,通过LS-DYNA有限元软件自带的APDL语言进行编程,实现了在设定的气幕区域内,通过设定气泡直径变化范围及气泡直径之间的最小差异值随机投放一定数量不同直径的气泡来模拟真实气幕中气泡的分布,并通过改变固定区域内气泡个数来模拟不同气压值工况下的气幕效果。分析发现该方法能够更加真实反映气幕在冲击波防护过程中的防护机理,随着单位区域内气泡数量的增大,防护效果越明显,但当气泡数量达到一定数量后气幕整体连续性及稳定性基本固定,防护效果也趋于稳定。     

纳米碳酸钙作为润滑脂添加剂的摩擦学性能及流变行为研究

使用碳化法制备出三种具有不同粒径的纳米碳酸钙颗粒,利用透射电镜(TEM)和X射线衍射仪(XRD)对其形貌及结构组成进行表征.通过UMT-2摩擦学试验机及RS6000流变仪分别考察了纳米颗粒作为润滑脂添加剂的摩擦学性能及流变学行为,并通过X射线多功能电子能谱仪(XPS)对磨斑表面进行分析.结果表明:所制备的三种纳米颗粒均为方解石结构,可以显著提高基础脂的减摩抗磨性能;添加剂浓度及添加剂尺寸均会影响润滑脂最终的摩擦学性能;在最佳添加浓度和尺寸条件下,能够同时获得最佳的抗磨减摩性能;过高的添加剂浓度会影响润滑脂的结构稳定性,进而影响其摩擦学性能;三种纳米添加剂在磨斑表面形成以碳酸钙为主要成分的润滑膜,纳米颗粒物理性质的差异可能导致其摩擦学性能的差异.     

页岩黏土孔隙含水饱和度分布及其对甲烷吸附的影响

考虑储层原始含水特征,甲烷在页岩的吸附特征属于气液固三相复杂作用结果,水分在很大程度上影响页岩吸附能力,将成为制约页岩气资源量评估可靠性的主要原因之一.鉴于页岩水分主要分布于黏土等无机矿物孔隙内部,分析了甲烷-水膜-页岩黏土三相作用特征,结果表明:甲烷在干燥黏土表面吸附满足气固界面Langmuir吸附特征,在黏土水膜表面吸附满足气液界面Gibbs吸附特征,在气液固三相作用下满足"气固"与"气液"界面混合吸附特征;同时研究还发现:不同尺度孔隙内含水饱和度分布特征存在差异,部分小孔隙可以被水分充满,而大孔隙仅吸附一定厚度水膜.因此,水分对甲烷吸附能力的影响主要表现为两个方面:小孔隙被水分阻塞而失去吸附能力;大孔隙表面水膜改变甲烷吸附特征(气固界面吸附转变为气液界面吸附),以黏土样品为例,两者综合效应可以致使甲烷吸附能力降低约90%.从微观角度揭示了水分对页岩吸附能力的影响机理,将为建立合理评价页岩吸附气含量的方法奠定理论基础.     

激波与椭圆形重气柱相互作用的PLIF实验

在水平激波管中,采用平面激光诱发荧光(planar laser-induced fluorescence, PLIF)方法对椭圆形重气柱界面的Richtmyer-Meshkov不稳定性进行实验。气柱由SF₆混入一定比例的丙酮蒸气构成,环境气体为空气。通过改变椭圆形气柱的长短轴比值,得到了激波马赫数为1.25时,3种初始界面的演化形态。通过相对体积分数标定,得到了界面失稳演化过程中的相对体积分数分布,观察到了激波作用后界面气体聚集、转移、消散等现象。实验结果发现,对于流向轴长与展向轴长之比较大的气柱界面,初始界面产生的涡量更大且分布更广,其界面不稳定性发展得越迅速和剧烈。失稳发展迅速的界面甚至出现涡对碰撞并产生尾部射流结构的现象。初始界面直接决定了失稳发展初期形成的涡对强度和间距,并对后期演化有重要影响。     

河北平原地裂缝产生的微观机理研究

分析了降雨和微结构失稳诱发的河北平原地裂缝机制。根据研究发现:(1) 根据近40a来华北平原的降雨量曲线图与地裂缝发生的时间图对比发现地裂缝多干旱年份的6-8月,地裂缝与农业灌溉用水密切相关。 (2)通过微结构突变失稳理论发现当应力状态满足孔隙微结构失稳判别式时,微结构元的变形状态将产生一个"跳跃",即会诱发微结构失稳崩塌。(3)地下水的抽取造成原饱和带土体颗粒之间有效接触力的增加,同时造成地下隐裂隙和空洞的形成。同时灌溉入渗引起的非饱和带土体含水量增加,不仅改变了颗粒的受力情况,更重要的是导致了颗粒间连接刚度的降低,导致微结构的失稳。     

磨损增强型超疏水材料的制备及性能研究

通过在有机硅烷中掺杂微纳米级尺度的SiO2颗粒,利用硅烷的水解和聚合成功地制备了1种具有优异耐磨性能和稳定性的超疏水材料.通过该方法所制备的超疏水材料不仅具有良好的耐磨性,而且其超疏水性能可在一定条件下通过表面的磨损得到增强或恢复.该超疏水材料在较苛刻的环境下仍能保持良好的化学稳定性.扫描电镜分析表明贯穿于整个材料且构成材料厚度的微纳米聚合物复合层是赋予该超疏水材料耐磨损性能的主要原因.     

曲面薄膜结构褶皱失稳力学

薄膜结构褶皱失稳在微观和宏观尺度会出现相似的形貌, 在过去二十年里引发了学者们极大的研究兴趣. 而几何曲率对薄膜结构的失稳临界、形貌选择和后屈曲演化起着至关重要的作用. 本文回顾近二十年来平面和曲面薄膜结构褶皱失稳力学研究进展, 聚焦曲率影响下的薄膜拉伸和膜基结构在各种激励下的稳定性问题. 有限应变板壳理论模型和数值计算方法的发展推动了对曲率影响下薄膜结构表面形貌多重分岔转变的定量理解、预测和追踪, 不仅推进了对薄膜结构失稳机理的深入理解, 也为抑制褶皱或利用失稳实现多功能表面制造提供了理论基础, 可促进拓扑形貌相关的功能性膜结构的设计及优化.      

双层薄膜与弹性梯度基底三层结构表面失稳分析

硬薄膜/软基底结构的表面失稳问题一直是柔性电子器件的难题,基于此,本文考虑了双层结构与弹性梯度基底间的界面剪切力,建立了双层薄膜/弹性梯度基底模型;利用位移协调条件,理论推导得到了双层薄膜/弹性梯度基底结构的临界应变和失稳波长的表达式并通过有限元仿真,验证了本研究解析解的有效性。在此基础上,应用此解析解进一步研究了弹性梯度基底的材料、双层薄膜结构厚度比等参数对临界应变和波长的影响。结果表明：减小器件层的厚度或者增加封装层的厚度,可以提高双层膜/弹性梯度基底结构的稳定性;当弹性梯度材料基底表面“较软”或器件层“较硬”时,器件层与基底界面的剪切力的影响较大,可以提升三层膜/基结构抵抗界面破坏的能力。本研究成果将为硬薄膜/弹性梯度基底结构的柔性电子器件的制备提供理论支撑。