电磁力诱导二次流对微流体混合效果影响的研究

设计了一种微流道中液体混合的方法, 基于电磁力的作用, 诱导微流道中二次流动 发生, 从而产生Dean涡, 使流道中流体出现往复运动及流体界面的弯曲延伸, 使不 同流体的接触面积大大地增加, 从而提高混合效率. 对3种结构的工况进行了比较. 建立了微流道混合系统的理论模型并进行了数值模拟,对流体混合过程进行了分析并对混合效率进行了评价. 进行了验证性的试验研究, 对模拟结果与试验结果进行了比较, 结果相吻合.     

一种新型主动微混合器及其流场的数值研究

设计一种通过交变电磁力作用,使液体得到有效混合的微混合器。基于微尺度的无滑移模型,建立了微型管道内液体流动及混合的模拟方法,并开发了计算程序,对微管道内流体的流动与混合过程进行数值模拟,得到了流场分布图。通过交变电压的作用而产生交变的电磁力,对流场产生扰动,从而提高了微型管道中不同流体的混合效率。分析比较不同交变周期下的混合方案,并对其混合效率进行了评价。     

扩展腔对方波型微混合器混合性能的影响研究

微混合器凭借节约试剂、混合强度高和易于集成等优点,在材料合成、医药制备和生化检测等领域中具有广泛的应用.为了进一步提高混合性能,保证混合过程的安全性及生化反应结果的准确性,设计了一种带扩展腔的新型方波型微混合器.在综合考虑混合强度和压降的前提下,通过实验研究和数值模拟分析了窄缝宽度、窄缝长度和扩展腔高度对微混合器混合性能的影响并得到了不同雷诺数Re条件下的最优结构参数.与方波型微混合器的混合性能进行比较,发现Re 5时,带扩展腔的方波型微混合器的混合强度更高,其中Re=20时两者混合强度相差最多,可达12%.在相同Re下,带扩展腔的方波型微混合器的压降要低于方波型微混合器.对带扩展腔的方波型微混合器进行内部流场分析,发现扩展腔结构能在流体层流状态的基础上引入涡流,使通道中流体的流动状态发生改变、对流增强,进而混合性能提高.     

扩展腔对方波型微混合器混合性能的影响研究

微混合器凭借节约试剂、混合强度高和易于集成等优点,在材料合成、医药制备和生化检测等领域中具有广泛的应用. 为了进一步提高混合性能,保证混合过程的安全性及生化反应结果的准确性,设计了一种带扩展腔的新型方波型微混合器. 在综合考虑混合强度和压降的前提下,通过实验研究和数值模拟分析了窄缝宽度、窄缝长度和扩展腔高度对微混合器混合性能的影响并得到了不同雷诺数\mathit{Re}条件下的最优结构参数. 与方波型微混合器的混合性能进行比较,发现\mathit{Re}=20时,带扩展腔的方波型微混合器的混合强度更高,其中\mathit{Re}时两者混合强度相差最多,可达12%. 在相同\mathit{Re}下,带扩展腔的方波型微混合器的压降要低于方波型微混合器. 对带扩展腔的方波型微混合器进行内部流场分析,发现扩展腔结构能在流体层流状态的基础上引入涡流,使通道中流体的流动状态发生改变、对流增强,进而混合性能提高.      

不同形状混合器中二元颗粒的分聚与混合研究

采用实验、模拟及理论的分析方法, 研究了在圆形混合器、椭圆形混合器、正方形混合器中, 不同转速和填充率条件下, 容器形状对二元颗粒体系分聚与混合的影响. 实验中通过改变转速与填充率, 可获得不同的颗粒分聚与混合图样, 对示踪颗粒运动轨迹的分析发现, 在圆形混合器中, 随着混合器转速的增大, 颗粒在径向的随机性减少;在正方形混合器中, 随着混合器转速的增大, 颗粒在径向的随机性增大.模拟结果发现颗粒流动分为两个区域, 在表面的快速流动和在整体的旋转运动. 通过理论分析发现颗粒分聚在圆形混合器中最明显, 在正方形混合器中最弱, 椭圆形混合器介于二者之间.      

圆筒容器内起旋和降旋过程中分层液体混合现象

针对旋转圆筒容器内的两种分层流体,应用平面激光诱导荧光与高速摄影技术对互溶与不互溶液体进行了实验研究.结果表明,上下层液体密度梯度与黏度梯度方向是产生界面不稳定的关键因素.当二者的梯度方向相同时,起旋过程不会发生剧烈混合,降旋过程中轻流体会冲击重流体;当二者的梯度方向相反时,起旋过程中形成抽吸效应,其后期发生界面破碎,降旋过程中重流体冲击轻流体.在旋转的3个过程中,降旋过程对混合的作用最大,无论梯度方向是否相同,都会发生液体间的界面不稳定.     

微流体驱动与控制技术研究进展

随着微流体系统,尤其是生物芯片和缩微芯片实验室(lab-on-a-chip)技术的发展,微米乃至纳米尺度构件中流体的驱动与控制技术越来越引起人们的注意.由于微流体流动的影响因素众多,它的驱动和控制技术,与宏观流体相比,更为复杂和多样化.本文首先结合流体的驱动和控制技术,并着眼于微观与宏观的不同,对微流体的流动特性进行了分析,然后对目前微流体驱动与控制技术的研究进展进行了总结,对各种微流体的驱动和控制技术进行了对比,并对他们各自的优缺点进行了分析和讨论.      

谐波减速器黏着磨损失效加速寿命模型研究

针对空间润滑谐波减速器黏着磨损失效的加速寿命试验方法问题,首先基于Johnson-Williamson的粗糙表面接触模型建立了混合润滑状态下的黏着磨损模型,模型表明磨损速率主要由粗糙表面微凸体接触承担的载荷比例决定.然后,对磨损部位进行考虑粗糙表面真实形貌与润滑剂流变特性的混合润滑数值分析表明,转速与载荷对微观界面接触与润滑分布状态的影响显著,温度的影响有限,因此传统提高转速并升高温度以保持油膜厚度一致的加速寿命试验方法已不适用.最后以增大转速、载荷并保持或增大混合润滑状态下微凸体接触承担的载荷为加速寿命试验准则,以微凸体承担载荷为加速应力建立了黏着磨损的加速寿命模型,并以不同工况的加速寿命试验与寿命分布统计对其准确性进行了验证.     

界面不稳定性引起混合过程的二维数值计算

在可压缩多介质流体动力学高精度欧拉计算方法多介质流体分段抛物方法(multi-fluid piecewise parabolic method, MFPPM)基础上,运用算子分裂技术,增加二阶空间中心差方法和两步Rung-Kutta时间推进方法计算动力学黏性以及热流部分对流场的影响,发展适用于NS(Navier-Stokes)方程的可压缩多介质黏性流体计算方法多介质黏性流体分段抛物方法(multi-viscousity-fluid piecewise parabolic method, MVPPM). 文中采用MVPPM对英国AWE(atomic weapons establishment)激波管实验进行二维计算,给出了与实验图像基本一致的计算结果;应用MFPPM和MVPPM分别对二维柱对称内爆动力学界面不稳定性及其后期混合过程进行数值模拟,给出内外界面演化、速度历史以及后期中心气穴不同半径内因RT(Rayleigh-Taylor)界面不稳定性引起的混合量分布情况,从计算结果比较可见黏性对物质界面处混合量的分布影响明显.      

Richtmyer-Meshkov不稳定性流体混合区发展的实验研究

使用矩形激波管，在马赫数分别为$M=1.5$和1.7的条件下实验研究了气/液界面 上(即Atwood数$A$接近1时)由Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的流体混合现象. 得到 了气/液界面上Richtmyer-Meshkov不稳定性后期流体混合区域宽度随时间的发展呈现出线 性关系的结果，即$h \propto t$. 比较了不同马赫数和初始扰动下的发展情况，发现当 马赫数增加时，同一时间混合区域 宽度随之增加，混合区域宽度增长变快；而相比于波长差别不大的弱多模态初始扰动(无人 为干扰界面), 当界面初始扰动获得随机外界干扰时，界面混合区域具有较大的宽度以及增 长速度. 并且增加激波马赫数和初始扰动多模态性，流体混合程度更为剧烈.     

流体混沌混合过程的可视化方法研究

为解决流体混沌混合的可视化问题，本文提出采用逆向庞加莱胞映射方法，来控制混沌系统数值模拟过程中的初始误差敏感，用插值胞映射的方法，来提高模拟效率。并用这一方法，成功地实现了扭转弯管中的混沌混合过程的计算机动画模拟，研究表明，本文所提出的逆向庞加莱胞映射和插值映射相结合，可以大幅度提高模拟精度和与速度，从而实现流体混沌混合的过程模拟。     

Influence of drag reducing additives on the structure of turbulence in a mixing layer

The structure of a free turbulent mixing layer in Newtonian and drag reducing fluids is discussed using results from visualization and LDA-techniques. Particular emphasis is placed on results for the turbulent shear stress and the time correlation function.     

Optimization of Viscous Mixing in a Two-Dimensional Cavity Transfer Mixer

Following up ideas put forward by J.M. Ottino and colleagues, the possibility of designing a computational tool to optimize the mixing of viscous fluids in industrial devices is studied. It is shown that an efficient method to characterize and quantify a mixing process is to apply the statistical measures introduced by Danckwerts (e.g., intensity of segregation and scale of segregation) on the coarse-grained density distribution of points in Poincaré sections and advection patterns, that can be obtained by tracking the positions of marked fluid elements numerically. This method is not computationally excessively costly and, as is demonstrated here, can be applied easily to experimental dye advection studies. The model system used is the Stokes flow in a two-dimensional cavity transfer mixer: two rectangular cavities which are periodically driven by a solid wall and by the passage of the cavities over each other. This system shares with many industrial devices the complexity that the geometry of the flow is time-dependent. These changes in the geometry of the flow impose difficulties on the techniques of calculating the fluid velocity field (a boundary element method) and the advection of marked fluid elements. Ways of overcoming these difficulties are described.     

Two-fluid mixing in a microchannel

A numerical study of the mixing of two fluids (pure water and a solution of glycerol in water) in a microchannel was carried out. By varying the glycerol content of the glycerol/water solution, the variation in mixing behavior with changes in the difference in the properties of the two fluids (e.g., viscosity, density and diffusivity) was investigated. The mixing phenomena were tested for three micromixers: a squarewave mixer, a three-dimensional serpentine mixer and a staggered herringbone mixer. The governing equations of continuity, momentum and solute mass fraction were solved numerically. To evaluate mixing performance, a criterion index of mixing uniformity was proposed. In the systems considered, the Reynolds number based on averaged properties was Re=1 and 10. For low Reynolds number (Re=1), the mixing performance varied inversely with mass fraction of glycerol due to the dominance of molecular diffusion. The mixing performance deteriorated due to a significant reduction in the residence time of the fluid inside the mixers.     

Evaluation of unsteadiness in effervescent sprays by analysis of droplet arrival statistics - The influence of fluids properties and atomizer internal design

The ideal spray theory of Edwards and Marx was used to investigate the dependence of effervescent spray unsteadiness on fluid properties and atomizer internal design. Results demonstrate that fluid properties and internal design of atomizer directly affect the two-phase flow pattern inside the atomizer which consequently affects the spray unsteadiness of the atomizer. Water sprays are more unsteady when the air to liquid ratio (ALR) increases, whereas, more unsteady is observed for using glycerol/water mixture (high-viscosity Newtonian fluid) or glycerol/water/xanthan (non-Newtonian fluid) mixture as ALR reduces. In addition, sprays using low-viscosity or strong non-Newtonian fluids usually are more unsteady, regardless of ALR.A short mixing chamber results in less unsteady for water but has no effect on spray unsteadiness for high-viscosity or non-Newtonian fluids at ALR of 0.15. Otherwise, the influence of mixing chamber distance on the spray quality is weak at ALR of 0.15. Large diameter of inclined aeration holes shows the low spray unsteadiness and good spray quality for water but causes more unsteady for glycerol/water/xanthan mixture at ALR of 0.15. Furthermore, the diameter of the inclined aeration holes has little influence on spray unsteadiness for glycerol/water mixture. Spray unsteadiness and quality are not affected by the angle of aeration holes for three fluids at ALR of 0.15.     

超声速混合层中扰动增强混合实验

以基于纳米技术的平面激光散射(nano-based planar laser scattering, NPLS)流动显示技术定性研究了隔板扰动对超声速混合层($Mc=0.5$)的混合增强效果. 首先通过系列实验优化设计了扰动参数. 实验结果表明,超声速混合层对于从隔板引入的扰动非常敏感. 二维扰动的混合强化机制是提前混合层失稳位置,增厚混合层;而三维扰动的混合强化机制主要是通过诱导流向涡和展向运动,促进流动三维性质的发展. 总体而言,三维扰动的混合强化效果优于二维扰动. 由于是超声速混合层,隔板上的扰动片虽然很薄,但同样会引起激波的产生,是该方法中总压损失的主要原因.      

含能气体射流与液体相互作用的实验研究

为了研究整装式液体发射药的燃烧稳定性的控制方法,设计了点火喷射模拟装置及4种多级渐扩型观察室,利用数字高速摄像系统,观察含能气体射流在液体模拟工质中的扩展过程,并对实验中出现的喷孔壅塞现象进行了分析.结果表明:射流在渐扩型结构中扩展稳定,喷射压力、喷孔直径和渐扩结构对射流扩展形态和气液掺混过程有显著影响,通过合理调整这些参数,可以实现对射流扩展过程的有效控制;喷孔壅塞时射流扩展形态非对称,影响气液掺混,不利于控制射流的稳定性.     

超音速混合层稳定性分析及增强混合的研究

利用流动稳定性提高超音速混合层的混合效率,对于提高超音速流的高效混合是一个有效途径。研究结果表明,有展向曲率的三维混合层中,三维扰动的增长率很大,且法向的掺混能力也较强,可以有效地增强混合。对于高马赫数来流的超音速混合层,这一特性依然存在,这将有利于提高高超音速混合层的混合能力。