镓铟锡液滴撞击泡沫金属表面的运动学特性研究

常温下为液态的镓铟锡合金以其优异的导热性能在具有特殊要求的传热领域有着重要的应用价值,与传统流动介质相比较大的表面张力使得其产生的流动现象必有所区别.本文研究镓铟锡所形成的液滴撞击泡沫金属表面后所产生的铺展、回缩及回弹现象.采用高速相机拍摄液滴投影轮廓随液滴运动的变化过程,并通过图像处理获得不同撞击速度、底板表面孔径下的液滴铺展系数、中心位置轮廓高度以及液滴回弹后在空中的振动特性.研究结果表明:具有较高表面张力的镓铟锡液滴的铺展系数随无量纲时间的变化在铺展初始阶段仍满足常规流体的1/2次幂关系,只在铺展后期与底板的无量纲孔径有关系;液滴的最大铺展系数在较小无量纲孔径底板大于在光滑镍板,且随底板无量纲孔径增大而逐渐减小;在回弹过程,由于底板孔隙结构的存在使得液滴回弹后在空中的振动呈现3种形态:规则的横向和纵向振动、带旋转的横向和纵向振动以及旋转振动;最后,通过对振动频率的拟合和分析,进一步拓展了传统振动频率理论公式在非规则振动过程预测中的应用.      

GaN单晶衬底上同质外延界面杂质的研究

氮化镓单晶衬底上的同质外延具有显著的优势,但是二次生长界面上的杂质聚集一直是困扰同质外延广泛应用的难题,特别是对电子器件会带来沟道效应,对激光器应用会影响谐振腔中的光场分布。本文通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长的原位处理,实现了界面杂质聚集的有效抑制。研究发现,界面上的主要杂质是C、H、O和Si,其中C、H、O可以通过原位热清洗去除;界面Si聚集的问题主要是由衬底外延片保存过程中暴露空气带来的,其次是氮化镓衬底中Si背底浓度,在外延过程中,生长载气对氮化镓单晶衬底不稳定的N面造成刻蚀,释放的杂质元素会对二次生长界面产生影响,本文较系统地阐明了界面杂质的形成机制,并提出了解决方案。     

气井携液临界流量计算方法研究

目前水平井中气液两相流动携液临界流量的计算方法仅考虑了水平井段的携液情况而没有考虑直井段与斜井段对携液的影响,所以在直井段和斜井段中未完全携带出的残余流体还是会流到井底,从而在水平井中产生积液.本文对液滴在水平井中直井段,斜井段和水平段进行受力分析发现,在不同的井段液滴因为受力不同从而产生不同的形变,从而计算的携液临界流量也不相同。基于携液理论与气液两相流型理论,根据不同位置的受力情况分别推导了液滴处于直井段,斜井段和水平段时的携液临界流量公式.而水平井的携液临界流量应该为液滴从直井段,斜井段和水平段流过时携液临界流量的最大值。最后通过理论计算与实验结果验证了方法的正确性.     

物理和做物理的文化——一段经历的回忆与思考

<正>如何做物理是一种文化,这比较容易理解。按照牛津字典对culture的解释,第一条就是way of life,做物理当然是物理学家的way of life。既然是way of life,不同的个人和群体之间自然就存在差别。在加州大学LBL(现称LBNL,劳仑斯伯克利国家实验室)的那段经历,使我对此开始有了切身的体会。"文革"末期,我随胡济民先生     

液滴尺寸与表面张力

液体的滴数问题是化学实验等实际工作中经常遇到的界面问题.液滴体积与液体的表面张力有关,因此一定体积的液体所具有的液滴数也与表面张力有关.但若仅考虑表面张力的影响而忽视密度的作用,则有可能得出不正确的结论.本文从一道考题入手,讨论了表面张力、密度等因素对液滴大小的影响,对考题答案进行了分析.     

受限空间内甲醇喷雾液滴形成及其爆炸特性

为防控工业喷雾爆炸和完善喷雾爆炸测试方法,在20 L球形喷雾爆炸测试系统内，实验研究了不同环境压力、喷射压力及浓度下的甲醇喷雾液滴形成及爆炸特性规律。结果表明:增大喷射压力更易致使甲醇破碎成微小液滴，甲醇喷雾液滴爆炸极限范围变宽；环境压力的增大导致甲醇喷雾液滴粒径变大，喷雾液滴爆炸极限范围变窄，一定程度上可以有效抑制甲醇泄露可能导致的次生衍生事故发生。当爆炸容器内环境压力为0.1 MPa、喷射压力为2.1 MPa、甲醇喷雾浓度为356.4 g/m3、甲醇液滴索太尔平均直径为2.5 μm时，爆炸特性参数（最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率及层流燃烧速度）在上述拐点处取得最大值；小粒径（1～15 μm）的液滴在外界能量作用下，更易被点燃，且爆炸过程中瞬态物理化学反应更为迅速和剧烈；较大粒径(22 μm以上)的液滴会出现点火困难现象，然而点火成功后，爆炸特性参数均随甲醇喷雾浓度增加而增加，呈现近似线性规律，此时液滴粒径对上述爆炸特性参数的影响可以忽略。研究结果有助于理解喷雾液滴爆炸规律、完善相应测试方法和安全设计。     

高超声速流动中液滴蒸发对流动参数的影响研究

采用带有非平衡相变模型的数值方法对高超声速流动中液滴蒸发的影响进行了研究,重点探讨了液滴蒸发对斜激波下游区域流场和劈面参数的影响。研究结果表明:液滴在激波后区域的蒸发存在弛豫现象,蒸发弛豫过程与激波强度相关,并影响模型表面气动参数的均匀性;当偏转角从3°增大至16°时,研究发现特别是偏转角为10°时,激波强度刚好能使液滴在整个激波下游区域完全蒸发,此时蒸发引起的流场参数不均性影响最大,与不考虑蒸发时相比,液滴质量含量、压强、静温减小幅度分别达到27.2g/kg、401Pa、54K,该三项参数变化量的比分别达到96.8%、4.8%、14.2%。     

二氧化碳对同质外延生长单晶金刚石内应力的影响

本文研究了在反应气体中引入不同浓度的CO₂对微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)法同质外延生长单晶金刚石内应力的影响，并对其作用机理进行了分析。研究发现，随着CO₂浓度增加，单晶金刚石内应力逐渐减小，这是由于添加的CO₂提供了含氧基团，可以有效刻蚀金刚石生长过程中的非金刚石碳，并能够降低金刚石中杂质的含量，从而避免晶格畸变，减少生长缺陷，并最终表现为单晶金刚石内应力的减小，其中金刚石内应力以压应力的形式呈现。此外反应气体中加入CO₂可以降低单晶金刚石的生长速率和沉积温度，且在合适的碳氢氧原子比(5∶112∶4)下能够得到杂质少、结晶度高的单晶金刚石。     

微液滴在仿蛛丝结构TiO2纤维表面的定向运动与粘附

制备了具有响应性的仿蛛丝周期纺锤节TiO₂纤维。通过改变纤维表面微观结构、紫外光照和超声波等手段,仿蛛丝结构TiO₂纤维表面浸润性会发生响应性变化。纤维表面的这种浸润性变化,不仅实现了水滴从纺锤节两端到中心处的定向运动,而且可以使得水滴被纤维纺锤节粘附。当仿蛛丝结构TiO₂纤维表面为亲水状态时,无论纺锤节光滑还是粗糙,水都是从纺锤节两端向中心方向运动;当仿蛛丝TiO₂纤维表面疏水时,水滴会被具有粗糙表面的纺锤节两端粘附。     

平面激波冲击并排液滴的三维数值模拟研究

采用三维守恒清晰界面数值方法, 研究平面激波冲击并排液滴的动力学过程. 研究的焦点在于激波接触液滴后的复杂波系结构生成, 以及并排液滴相互耦合作用诱导的单个液滴非对称界面演化. 首先, 分析并排液滴之间界面通道内的波系结构发展, 发现在冲击初期由于反射激波相交而形成新的反射激波以及马赫杆; 这些流动现象与液滴另外一侧 (非通道侧) 由激波反射所形成的弯曲波阵面截然不同, 而且所导致的液滴横向两侧流场差异是中后期冲击过程液滴两侧界面非对称演化的主要原因. 其次, 研究冲击中期时, 特别是入射激波已运动至液滴下游并远离并排液滴, 界面形态的演化过程和规律, 揭示通道下游出口处由于气流膨胀导致的界面闭合、以及随后气流阻塞导致的界面破碎等新的流动现象. 最后, 研究液滴间距对并排液滴相互作用的影响规律, 发现液滴间距大小与通道内压力峰值具有明显的关联关系. 研究表明, 更小的液滴间距不仅带来更大的压力峰值, 而且使得峰值出现的时间更早.