荷电液滴雾化演变过程的可视化研究

基于显微高数数码摄像技术对毛细通道荷电液滴雾化模式的演变过程进行了可视化研究。以不同乳化状态的生物柴油、无水乙醇、去离子水为研究介质,采用带有显微变焦镜头的高速数码相机对荷电液滴雾化的显微形貌进行了微距拍摄,探讨介质电导率、黏度及表面张力等对荷电液滴雾化模式演变的影响规律。实验结果表明:随着电导率的增加,维持滴状模式的荷电电压区间逐渐变窄,脉动模式的电压区间逐渐扩大,而锥射流模式的电压区间逐渐缩短。对于低表面张力的绝缘性液体,黏度的降低可获得亚微米级或纳米级的稳定多股射流喷射羽。而对于低黏度的绝缘性液体,表面张力的增加会导致荷电雾化的雾滴平均粒径偏大且不均匀。     

含有偏心球形微粒介质球的有效介电常量

对于处在均匀外电场中含有偏心球形微粒的介质球,利用分离变量法求出球内外的电场,给出了球外电偶极矩和电四极矩的近似表达式.首次引入含有偏心球形微粒介质球的有效介电常量,它不同于同心多层介质球的等效介电常量,不仅与介质球内的介质有关,而且与球外介质有关.数值结果显示了有效介电量数随偏心距和球外介质介电常量的变化情况.     

工业中粉体颗粒的荷电机理及数值模拟方法

工业过程中粉体颗粒不可避免地会相互摩擦碰撞而荷电. 荷电颗粒的存在可能会危害正常的工业生产过程, 也可能对工业过程起促进作用. 因此, 荷电粉体颗粒及其特性受到了广泛的关注, 但目前对粉体颗粒的荷电机理依然缺乏透彻的了解, 尤其是在气固两相流动中的粉体颗粒荷电现象. 事实上, 工业中存在的粉体颗粒的运动都受到流体的影响, 是典型的气固两相流系统, 流体对粉体颗粒的作用使粉体颗粒接触的荷电现象变得更为复杂, 因此从两相流动的观点来研究粉体颗粒荷电的物理本质就显得越来越重要. 本文介绍了工业过程中的几种不同类型的粉体颗粒荷电行为, 回顾了颗粒的荷电机理与描述颗粒荷电的数学模型. 对于工业过程中颗粒的荷电现象及颗粒在多相流体中的动力学行为, 介绍了研究颗粒受流体影响时荷电特性的数值模拟方法. 本文旨在对粉体颗粒的荷电机理、应用以及研究方法进行梳理与探讨, 为正确认识工业过程中粉体颗粒的荷电现象并加以控制利用提供理论借鉴.     

二维相对论运动等离子体的介电率张量

定义了相对论性运动等离子体的物理模型.利用荷流体的微扰理论，研究了该系统二维扰动现象及背景离子下的束-波互作用问题，导出了该系统的介电率张量.研究表明，相对论运动等离子体系统属复杂的色散荷流体介质并呈复杂的空间电磁不均匀性.数值模拟计算给出了相对论运动等离子体系统的介电率对波频率、电子能量以及空间坐标的响应. 关键词： 等离子体 荷流体 介质 电磁理论     

异性荷电液滴非聚合特性的实验研究

基于显微高数数码摄像技术对异性荷电液滴对撞行为的演变过程进行了实验研究。以不同离子浓度的盐酸水溶液为研究介质,精确捕捉了不同电压下异性荷电液滴的非聚合破碎形貌特征,探讨了介质电导率等对异性荷电液滴非聚合及破碎特性的影响规律。实验结果表明:低电导率液滴在较高电压下的动力学行为表现为非接触反弹。随着电导率的增加,液滴对撞过程的动力学行为表现为非接触破碎,液滴尖端的离子浓度在发生空气放电前达到瑞利极限。液滴破碎行为的剧烈程度与液体电导率成正比,高电导率液体在较低的电压区间便观察到液滴的破碎行为,且液滴拉伸速率及破碎体积对电场强度的变化更加敏感。     

脉冲电源与它在电晕荷电器中的作用

在电晕放电荷电器中，防止荷电颗粒沉积是一关键问题。用机械斩波的方法形成高压正负方波，其幅值、频率和脉宽均可调，并且波形不发生畸变，从而有效地控制了荷电颗粒在荷电器中的运动轨迹，并为荷电器荷电提供了准确的场强和荷电时间。本实验测试了颗粒荷电提供了准确的场强和荷电时间。本实验测试了颗粒荷电量和粒径的关系，实验值与理论计算值基本一致。结果表明，机械斩波的高压脉冲电源在颗粒荷电研究中是一种较好的装置。     

疏水表面单液滴荷电蒸发的特性研究

综合运用PIV、高速数码及图像处理技术,对不同电导率液滴在外加电场下蒸发的显微形貌特征及内部微流动进行了可视化研究。通过荷电液滴内部的速度云图及流线图,探究内部流动速度及流动状态与电场力、液体电导率等因素的关系,对液滴荷电蒸发过程的各个蒸发模式进行了定义。给出了液滴的内部微流动与电场力的关系,对疏水表面液滴荷电蒸发过程的变化趋势进行了标准化处理,给出相应方程,并与实验进行了对比。     

随机介质介电常量的涨落与光波的空间分布

采用随机介质统计模型和时域有限差分方法模拟了二维随机介质中光场的空间分布及其同介电常量涨落的关系。模拟中,散射微粒随机地分布在均匀介质中以增加光子在介质中滞留时间。不同随机强度α,形成不同空间结构的随机介质。通过小心地调节入射光波长,得到了不同随机介质中的场强分布。结果表明,随机介质介电常量的涨落导致在介质的某些区域形成一些特殊结构。这些结构延长了光子在其中的滞留时间,产生了光波的局域态,起到了光腔的作用,使得随机介质在抽运激励下能够产生激光辐射。这样的光腔在介质中是随机分布的,其数量与分布特征与介电常量涨落的强弱有关。     

用密立根油滴仪同时测量粉尘的粒径和荷电量

本文提出用密立根油滴仪同时测量粉尘的粒径和荷电量的方法，并对两种工业粉尘在离子荷电条件下粒径和荷电量的关系进行了测试和研究。将测试结果与荷电理论计算值进行了比较和分析。     

基于模糊辨识算法的蓄电池荷电状态测量方法与模块设计

针对蓄电池荷电状态在线监测中对准确度和测量速度的要求,本文提出采用模糊辨识算法对蓄电池进行系统辨识。并通过对蓄电池的荷电状态与内阻、端电压数据的分析,建立了蓄电池荷电状态的模糊规则模型,并以此进行蓄电池荷电状态的测量,得到均方误差为0.0052。测量结果表明基于模糊辨识算法的蓄电池荷电状态测量能够满足蓄电池在线监测的要求,且易于硬件实现。文章还使用DSP Builder设计了蓄电池荷电状态测量模块,其中内阻测量采用了特征分解谱估计的信号提取方法,荷电状态测量则实现了模糊辨识算法所得出的模糊规则模型的运用。     

Phase separation and super diffusion of binary mixtures of active and passive particles

Computer simulations were performed to study the dense mixtures of passive particles and active particles in two dimensions. Two systems with different kinds of passive particles(e.g., spherical particles and rod-like particles) were considered. At small active forces, the high-density and low-density regions emerge in both systems, indicating a phase separation. At higher active forces, the systems return to a homogeneous state with large fluctuation of particle area in contrast with the thermo-equilibrium state. Structurally, the rod-like particles accumulate loosely due to the shape anisotropy compared with the spherical particles at the high-density region. Moreover, there exists a positive correlation between Voronoi area and velocity of the particles. Additionally, a small number of active particles capably give rise to super-diffusion of passive particles in both systems when the self-propelled force is turned on.     

Distribution of micrometer-size particles in magnetic fluids in the presence of steady uniform magnetic field

In this paper, distribution of suspended micrometer-size particles in magnetic fluids is investigated. Microstructure formation of particles in magnetic fluids is simulated by using the discrete particle method based on the simplified Stokes dynamics. Not only magnetic particles but also nonmagnetic particles are rearranged in the field direction and form chain-like clusters due to the apparent magnetization in magnetic fluids in the presence of magnetic field. When the diameter of nonmagnetic particles is smaller than that of magnetic particles, nonmagnetic particles move into the empty space of microstructure of magnetic particles, and they are rearranged in the field direction. Uniformity of distribution of particles on the plane perpendicular to the field direction is maintained even after microstructure formation.     

利用激光光梯度力消除气溶胶雾霾粒子的机理研究

针对气溶胶雾霾粒子在大气流中所受力的平衡体系(旋转升力平衡重力, 粒子与粒子之间依靠斥力形成稳定的网状的力平衡体系)的问题, 提出了用激光光梯度力破坏力平衡进而消除雾霾的新机理. 首先, 根据牛顿第二定理, 得到了粒子所受力的非线性方程组, 应用Runge-Kutta 法积分求解了雾霾颗粒在大气流中所受的主要力(空气曳引阻力、范德瓦耳斯斥力、旋转升力)的数值, 成功验证了西安市2013年12月17-25日、2014年2月20-26日两次雾霾检测试验结论: 在雾霾过程中, 粒径在0.5-0.835 μm径段的粒子数浓度增加最明显. 其次, 在雾霾粒子形成的均匀介质中, 计算了激光光梯度力的大小. 研究发现, 激光光梯度力的数量级恒大于雾霾颗粒所受主要力的数量级, 激光光梯度力完全可以破坏雾霾颗粒所受力的平衡体系. 因此, 用激光光梯度力消除雾霾是可行的, 这种新的解决雾霾的方法对人们的实际生活、环保及创建美丽的蓝天具有非常重要的意义.     

Projectile spectator proton production in 84Kr- emulsion interactions at 1.7 A GeV

The multiplicity distribution of projectile protons and multiplicity correlations between black particles, grey particles, shower particles, compound particles, heavily ionized track particles, projectile helium fragments and projectile spectator protons in ⁸⁴Kr-emulsion collisions at 1.7 A GeV are investigated. It is found that the projectile spectator proton multiplicity distribution becomes broader with increasing target mass. The average multiplicity of shower particles and compound particles strongly depends on the number of projectile spectator protons, but the average multiplicity of black particles, grey particles and heavily ionized track particles weakly depends on the number of projectile spectator protons. The average multiplicity of projectile helium fragments increases linearly with increasing numbers of projectile spectator protons. Finally, the multiplicity distribution of projectile spectator protons obeys a KNO type of scaling law.     

Projectile spectator proton production in 84Kr-emulsion interactions at 1.7 A GeV

The multiplicity distribution of projectile protons and multiplicity correlations between black particles, grey particles, shower particles, compound particles, heavily ionized track particles, projectile helium fragments and projectile spectator protons in <'84>Kr-emulsion collisions at 1.7 A GeV are investigated. It is found that the projectile spectator proton multiplicity distribution becomes broader with increasing target mass. The average multiplicity of shower particles and compound particles strongly depends on the number of projectile spectator protons, but the average multiplicity of black particles, grey particles and heavily ionized track particles weakly depends on the number of projectile spectator protons. The average multiplicity of projectile helium fragments increases linearly with increasing numbers of projectile spectator protons. Finally, the multiplicity distribution of projectile spectator protons obeys a KNO type of scaling law.     

随机取向群聚椭球粒子光散射特性研究

利用离散偶极子近似方法,考虑单元粒子之间的电磁相互作用,数值计算了随机取向的不同尺度参数、不同纵横比的群聚椭球粒子的缪勒矩阵元素,给出了各个缪勒矩阵元素的角分布曲线,探讨了随机取向的群聚椭球粒子的尺度参数、纵横比、基本粒子相对位置对其缪勒矩阵元素的影响。并将随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与单个等效球形粒子的数值结果进行了比较。结果表明,随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与等效球形粒子的光散射特性存在很大差别,基本粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大; 随机取向群聚椭球粒子中椭球粒子的纵横比和相对位置对整个群聚粒子的缪勒矩阵元素存在不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的增大而变得更加显著。     

海洋混合悬浮颗粒对蓝绿激光的散射特性研究

激光在水下的传输很大程度上会受到海水中悬浮颗粒物的影响,而目前对于海洋中悬浮颗粒物光散射的理论研究大多是针对单一成分的悬浮粒子而进行的,但是在真实海洋中悬浮颗粒物都是以多种成分混合的颗粒群形式而存在的,因此研究真实海洋中混合悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性具有重要意义。该研究选取了对蓝绿激光传输产生较大影响的浮游藻类植物、悬浮泥沙、碎屑、悬浮气泡和矿物质这五种常见的悬浮颗粒物作为研究对象,充分考虑真实海况中这五种悬浮颗粒物的不同混合情况,构建了海水中混合球形悬浮颗粒物对蓝绿激光的散射特性模型。数值计算了海水中五种物质混合的球形悬浮颗粒物对532 nm蓝绿激光的统计平均光散射参量和平均散射相函数,分析不同混合悬浮颗粒物的混合比对平均散射、吸收和消光系数以及单次反照率随着粒子有效半径和粒子数浓度变化的影响,同时分析了不同粒子尺寸下的不同混合比对混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着角度变化的影响。数值结果表明,当悬浮泥沙在整个混合模型中占比越大时,平均散射系数越大,而当悬浮藻类粒子在整个混合模型中占比增大时,平均吸收系数增大,由此可知海洋中对光造成主要影响的五种常见悬浮颗粒物中,悬浮泥沙对光散射作用影响最大,悬浮藻类粒子对光吸收作用影响最大。随着悬浮颗粒物浓度的增大,混合粒子的单次反照率保持不变,由此可知混合悬浮颗粒物的平均光散射参量随着粒子浓度的增长速率是一致的。海洋中混合悬浮颗粒物的平均散射相函数随着粒子的有效半径的增大而增大,散射作用最大的混合比下的悬浮颗粒物其平均散射相函数最大,悬浮颗粒物的前向散射较强。该工作对蓝绿激光在海水中传输、信道建模,水下无线光通信的研究以及激光探测都具有重要的理论指导意义。     

Two-dimensional Monte Carlo simulations of structures of a suspension comprised of magnetic and nonmagnetic particles in uniform magnetic fields

The structures of suspensions comprised of magnetic and nonmagnetic particles in magnetic fields are studied using two-dimensional Monte Carlo simulations. The magnetic interaction among magnetic particles, magnetic field strength, and concentrations of both magnetic and nonmagnetic particles are considered as key influencing factors in the present work. The results show that chain-like clusters of magnetic particles are formed along the field direction. The size of the clusters increases with increasing magnetic interaction between magnetic particles, while it keeps nearly unchanged as the field strength increases. As the concentration of magnetic particles increases, both the number and size of the clusters increase. Moreover, nonmagnetic particles are found to hinder the migration of magnetic ones. As the concentration of nonmagnetic particles increases, the hindrance on migration of magnetic particles is enhanced.     

随机取向群聚椭球粒子光散射特性研究

利用离散偶极子近似方法,考虑单元粒子之间的电磁相互作用,数值计算了随机取向的不同尺度参数、不同纵横比的群聚椭球粒子的缪勒矩阵元素,给出了各个缪勒矩阵元素的角分布曲线,探讨了随机取向的群聚椭球粒子的尺度参数、纵横比、基本粒子相对位置对其缪勒矩阵元素的影响。并将随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与单个等效球形粒子的数值结果进行了比较。结果表明,随机取向群聚椭球粒子的光散射特性与等效球形粒子的光散射特性存在很大差别,基本粒子的形状越偏离球形,这种差别就越大; 随机取向群聚椭球粒子中椭球粒子的纵横比和相对位置对整个群聚粒子的缪勒矩阵元素存在不同程度的影响,并且此影响随着粒子尺度参数的增大而变得更加显著。     

非球形椭球粒子参数变化对光偏振特性的影响

针对自然界中多数沙尘、烟煤粒子的非球形问题, 在球形粒子偏振特性的基础上, 进一步研究非球形椭球粒子的折射率、有效半径、粒子形状等参数变化对光偏振特性的影响, 采用基于T矩阵的非球形粒子仿真方法, 模拟非偏振光经椭球粒子传输后光的偏振特性及其与球形粒子间的差异, 并以实际沙尘、海洋、烟煤三种气溶胶粒子为例说明结果的正确性. 结果表明: 当折射率实部越小, 虚部越大时, 球形粒子与非球形粒子的偏振差异越不明显; 当粒子有效半径增加时, 球形粒子偏振度的变化比非球形粒子更为明显, 且最大值分别出现在散射角为150°和120°的位置; 当粒子形状不同时, 不同形状椭球及球形粒子的差异在散射角小于60° 时并不明显, 且当椭球粒子纵横比互为倒数时, 两种粒子的偏振特性近似相同. 通过以上分析可知, 在光传输过程中, 椭球粒子多数情况下无法被近似为球形粒子进行计算.