自由汇流旋涡多相耦合输运演变机理

含自由液面的汇流旋涡抽吸演变中存在多相耦合、物质传输、能量剧烈交换等物理过程,其中所涉及的多相流体耦合输运机理是具有高度非线性特征的复杂动力学问题,多相黏滞耦合输运动力学建模与数值求解具有较高难度.针对上述问题,提出一种含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运建模与求解方法.基于水平集-流体体积耦合(CLSVOF)计算方法,结合连续表面张力模型和可实现(k-ε)湍流模型,建立含自由液面的汇流旋涡多相耦合输运动力学模型;利用一种有效的体积修正方案来计算高速旋转多相流,保证流场质量守恒和无散度的速度场;结合相间耦合求解策略对多相流体分布与多相界面进行精确追踪.基于旋流场多特征物理变量,得到多相耦合界面动态演变与跨尺度涡团输运规律,揭示了多相耦合输运过程与压力脉动特性之间的相互作用机理.研究结果表明:多相耦合输运过程是流体介质过渡的关键状态,旋涡微团受到不同时空扰动模式在界面处形成层层螺纹波形;旋涡多相耦合输运过程随着水口尺度增大而增强,且耦合能量激波引起非线性压力脉动现象.研究结果可为旋涡输运机理、涡团跨尺度求解、流型追踪等方面的研究提供有益借鉴.     

具有表面效应的压电半空间中的表面波

纳米科技的快速发展使压电纳米结构在纳米机电系统中得到广泛应用,形成了诸如纳米压电电子学等新的研究方向.与传统的宏观压电材料相比,在纳米尺度下压电材料往往呈现出不同的力学特性,而造成这种差异的原因之一便是表面效应.本文基于Stroh公式、Barnett-Lothe积分矩阵及表面阻抗矩阵,研究计入表面效应的任意各向异性压电半空间中的表面波传播问题,导出了频散方程.针对横观各向同性压电材料,假设矢状平面平行于材料各向同性面,发现Rayleigh表面波和B-G波解耦,并得到各自的显式频散方程.结果表明,Rayleigh表面波的波速小于偏振方向垂直于表面的体波,而B-G波的波速小于偏振方向垂直于矢状平面的体波.以PZT-5H材料为例,用数值方法考察表面残余应力和电学边界条件对表面波频散特性的影响发现:表面残余应力只对第一阶Rayleigh波有明显的影响;电学开路情形的B-G波比电学闭路情形的B-G波传播快.本文工作可为纳米表面声波器件的设计或压电纳米结构的无损检测提供理论依据.     

表面镀金SU-8微柱的低频电动旋转特征

依据传统Maxwell-Wagner界面极化理论, 金属微纳米粒子由于具有极高电导率, 在旋转电场作用下无明显电旋转运动. 然而, 本文针对镀金SU-8微柱开展实验研究, 发现镀金微柱在低频条件下的快速旋转运动现象. 据此, 通过考虑镀金微柱表面双电层效应, 理论分析并实验验证镀金微柱的低频电旋转特征. 首先, 建立电场中微柱的近似椭球模型, 分析固-液接触面双电层作用下的金属粒子极化机理, 推导旋转电场作用下镀金微柱的转矩公式及电旋转角速度公式. 其次, 搭建实验平台, 分别对镀金微柱在三种不同电导率溶液、100 Hz–30 MHz频率范围内的电旋转特征进行对比实验研究. 最后, 对实验结果进行分析和讨论, 并通过考虑镀金微柱与基底之间摩擦作用等因素, 验证实验研究与理论研究的一致性. 关键词： 表面镀金微柱 电旋转 双电层 微流控     

扫路机气力系统工作效率研究

本文旨在探讨提高吸式扫路机气力输送系统的效率,采用计算流体力学与离散单元法对圆柱颗粒在气体中的运动进行数值模拟,分别研究了颗粒密度、颗粒长径比、颗粒初始平面与吸入口的距离、吸入速度、颗粒所处圆周对于颗粒吸入效率的影响。研究结果表明：颗粒密度越大,颗粒的吸入效率越低;颗粒长径比对吸入效率的影响较小;颗粒初始平面与吸入口的距离与颗粒吸入效率为负相关;吸入速度增大有利于提高颗粒吸入效率,但是当吸入速度增大至一定程度时,其对吸入效率影响减小;颗粒所处圆周与吸入口圆周径向距离越小,颗粒的吸入效率越高。     

CFRP层合板低速冲击响应及损伤特性研究

为了研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics,CFRP)层合板低速冲击力学性能,开展了铺层顺序为[45_4/–45_4]_(4T)的CFRP层合板落锤低速冲击试验。研究了条形冲锤冲击角度和半球形冲锤直径两个影响因素下的CFRP层合板低速冲击力学响应,同时通过凹坑深度和分层损伤面积研究了层合板低速冲击损伤特性。试验结果表明:当条形冲锤冲击角度与层合板表面纤维方向平行时以及以较小直径的半球形冲锤冲击时,最大中心位移和能量耗散较大,凹坑深度和分层面积也较大;在冲锤直径和冲击角度两个单因素变量下,凹坑深度与分层损伤面积成正相关;直径为10 mm的半球形冲锤冲击层合板时,在凹坑区域存在明显的纤维断裂;14 mm和16 mm半球形冲锤冲击时,损伤虽目视可见,但未见明显纤维断裂。     

INVESTIGATION OF BUBBLE-BUBBLE INTERACTION EFFECT DURING THE COLLAPSE OF MULTI-BUBBLE SYSTEM

通过直接数值模拟方法对多泡在压力驱动下的溃灭过程进行了研究。气相满足理想气体正压模型,液相为不可压 流体,采用基于压力的方法求解多泡的两相流场。数值研究表明,在多泡流场中,中心气泡的溃灭过程明显不同于单泡,存在总体溃灭延迟现象和后期加速现象。随着周围气泡数的增多或气泡间距的减小,中心气泡的溃灭时间增长,溃灭时的压力峰值增大。结合理论定性分析发现,气泡运动不仅受远场压力的驱动,还受周围气泡诱导压力场的影响。周围气泡的诱导压力经历先减小后增大的过程,从而使受其影响的中心气泡产生先延迟后加速的特征。     

离心泵停机过程非定常流动的数值模拟

为解决离心泵停机过程数值模拟时施加边界条件的困难,建立了一个包含离心泵在内的封闭循环管路系统从而实现自耦合求解。结果显示:停机过程中流量下降历程滞后于转速下降历程,而扬程下降则较为迅速;液流角或叶片冲角的持续改变是内部流动出现持续变化的直接原因;动静干涉效应使得稳定运行工况下的流量呈现微小波动特征,而非恒定值;停机过程表现出明显的瞬态效应,准稳态假设无法适用于停机过程精确瞬态行为预测。借助于CFD技术初步揭示了离心泵停机过程中的瞬态特性,为其它叶轮机械的瞬态行为研究提供了很好的借鉴与参考。     

PVA在提高TiO2/CdSe异质结光催化活性与抗光腐蚀性能方面的应用及机理

通过阳极氧化法和电化学沉积制备了TiO_2/CdSe异质结膜,并通过旋涂结合后续热处理的方法,在TiO_2/CdSe异质结膜上制备适量脱水态的聚乙烯醇(PVA)来提高TiO_2/CdSe异质结抗光腐蚀性能。采用XRD,SEM,FTIR,UV-Vis,PL,电化学测试,光催化降解罗丹明B等方法对样品的晶体结构、微观形貌、光电化学性能、光催化性能等进行了表征,并通过测定光降解体系中Cd2+的浓度,研究了纳米复合材料的抗光腐蚀性能。结果表明,与TiO_2/CdSe相比,TiO_2/CdSe/PVA纳米复合材料不仅具有更好的可见光光催化活性,还具有良好的可见光光催化稳定性和抗光腐蚀性能。同时,PVA的存在对光催化反应中的二次污染物Cd2+也有抑制作用。     

TiSiN/Ag纳米多层涂层海水环境磨蚀性能研究

本文中采用多弧离子镀系统在Ti-6Al-4V合金(TC4)上沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层. 使用X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和扫描型电子显微镜(SEM)表征涂层的成分和结构，并使用纳米压痕测试其硬度. 用Rtec MFT500摩擦磨损试验机对涂层在海水环境中的摩擦磨损性能进行测试. 结果表明:涂层具有致密的结构和清晰的多层界面，TiSiN层与Ag层交替沉积，涂层中包含TiN、Ag和Si₃N₄相，非晶Si₃N₄包裹纳米晶TiN. 相比TC4合金基体，沉积TiSiN/Ag纳米多层涂层后，摩擦系数在大气环境和海水环境均能下降0.15以上，磨损率降低两个数量级. 人工海水中摩擦状态下材料出现腐蚀摩擦交互作用，主要损耗形式为腐蚀对磨损的促进，TiSiN/Ag纳米多层涂层的耐磨蚀性能远优于基体材料.