气泡流纳米流体的太阳能蒸腾特性研究

太阳能驱动水蒸发是光热利用的重要途径,光-热-蒸汽转化可通过纳米流体吸收太阳能生成蒸汽.本文提出光散射气泡耦合光吸收纳米颗粒强化光能转换的新思路,在太阳能纳米流体蒸发体系中引入气泡群,这些动态气泡作为光能散射与传递中心,延长了入射光路径并倍增了光通量;同时提供了极大的气液界面完成气泡吸湿,以及破水而出的炸裂扰动加速蒸汽...     

平板上蒸发液滴内表面张力作用下流动的研究

一、前言 相界面的传热、传质过程往往伴随着流体内部的对流运动。由界面张力(表面张力)驱动的流体流动,对于热、质交换的强化起着重要作用。人们对于平板上水平液膜,流体介质中的液滴等现象进行了广泛的研究,揭示了许多表面张力驱动流动的性质,以及它与传热、传质的关系。对于水平平板上厚度小于1mm的薄液膜,液膜内的流动主要是由于温差引起的表面张力梯度触发的Bénard细胞流。实验研究发现:在水平平板上蒸发的液滴内也会出现Bénard细胞流。但是,液滴与液膜存在形状上的差异,故内部流动形式也将不同。若把小接触角的液滴看作是各处厚度不等的液膜,可以预见滴内的细胞     

疏水表面振动液滴模态演化与流场结构的数值模拟

为了研究疏水表面垂直振动液滴的运动规律,本文建立了振动液滴的三维模型,考虑了振动液滴的动态接触角变化过程,通过流体体积函数和连续表面张力(volume of fluid-continue surface force, VOF-CSF)方法实现了液滴受迫振动的数值模拟,得到了液滴的四种模态(2, 4, 6和8)动态演化过程、内部流场结构以及动态接触角的变化规律.随着振动加速度的改变,液滴可表现出丰富的模态,而具体模态依赖于振动加速度的频率变化.以此为基础,本文对液滴的内部流场结构做了进一步的分析.在模态2和模态4时,液滴内部流动从底部向上产生"Y"型流动,而在模态6和模态8时呈现对称的涡流动.且共振模态阶数越高,液滴内部速度平均值越大.液滴振动时的动态接触角明显偏离静态接触角,表明液滴振动模型有必要考虑动态接触角.模拟结果与文献中的实验结果做了对比,结果符合良好.     

基于非结构化网格的多相流场求解与表面张力优化

本文推导了基于非结构化网格的投影法,将其与基于非结构化网格的PLIC方法进行耦合,实现了多相流动相界面的精确构造。从CSF模型出发,对相界面表面张力在非结构化网格上进行了优化,实现了表面张力的精确计算。对静态液滴算例进行了模拟,分别验证了方法的静态和动态准确性。最后模拟和分析了方腔顶盖反向驱动剪切流场中的液滴变形和破裂过程,发现两相流体的黏度比与液滴破裂的临界毛细数呈分段线性关系;液滴半径与临界毛细数之间呈线性关系。     

表面活性剂对气-液界面纳米颗粒吸附规律的影响

通过测定及分析纳米颗粒和表面活性剂-纳米颗粒复配体系在自由吸附过程与动态收缩过程中表面张力的变化,总结了纳米颗粒在气-液界面的吸附排布规律以及表面活性剂对其吸附规律的影响.实验结果表明,自由吸附过程中,随矿化度增加、阳离子活性剂浓度增加,平衡表面张力降低,这与颗粒吸附密度增加及颗粒润湿性改变有关.浓度低于临界胶束浓度(CMC)时,阳离子活性剂体系与混合体系的表面张力差异证明了阳离子活性剂可以通过静电作用吸附于纳米颗粒表面,进而部分溶解于水相;而阴离子活性剂与纳米颗粒相互作用力较弱,对表面张力影响较小.纳米颗粒体系在液滴收缩过程中,表面张力从自由吸附平衡态进一步降低大约9 m N/m,说明自由吸附过程中纳米颗粒不能达到紧密排布;同时表面张力呈现为缓慢降低、快速降低和达到平衡三部分,表面压缩模量可达70 m N/m,满足了液膜Gibbs稳定准则,这将有助于提高泡沫或者乳液稳定性.纳米颗粒-表面活性剂体系在液滴收缩过程中表面张力降低值随活性剂浓度增加而减小;表面压缩模量由高到低依次为:纳米颗粒>阳离子活性剂-纳米颗粒>阴离子-纳米颗粒>表面活性剂.     

丁二酸-水纳米气溶胶液滴表面张力的分子动力学研究

表面张力在纳米气溶胶颗粒的吸湿生长研究中具有重要意义,然而现有实验方法不能对其准确测量.本文基于分子动力学方法模拟了丁二酸气溶胶颗粒吸湿生长形成稳定液滴的动力学过程,在此基础上,建立模型计算了液滴的表面张力,进而探究了温度、粒径和丁二酸浓度对纳米液滴表面张力的影响机制.结果表明,随着温度从260 K升高到320 K,液滴内分子间作用力的减弱导致了液滴表面张力的减小,且表面张力的减小程度随丁二酸浓度的增大而增大,究其主要原因在于液滴中丁二酸分子的径向分布随温度和丁二酸浓度变化的差异;随着粒径的增大,液滴表面张力先增大后趋于定值,且粒径对表面张力的显著影响区间随着丁二酸浓度的增大而缩短;研究还发现,丁二酸分子的表面活性导致液滴表面张力随着丁二酸浓度的增大而减小,且减小趋势符合对数函数形式,尤其是在粒径小于6.12 nm时,同时,基于Szyszkowski公式对液滴的表面张力进行了拟合.本文研究成果能为气溶胶颗粒的吸湿生长和相关动力学过程预测理论及模型的改进提供参数依据.     

润湿性梯度驱动液滴运动的格子Boltzmann模拟

运用考虑了固体与液体间分子作用力的格子Boltzmann方法,数值研究了由于固液界面上表面张力梯度引起的Marangoni效应驱动的液滴运动.当表面张力梯度较小时,计算结果和前人的理论预测符合较好.而表面张力梯度较大时,由于液滴不变形和准平衡态等假设不再满足,理论预测的液滴运动速度高于数值模拟的结果.计算结果显示,在向亲水端运动过程中液滴内部出现旋涡结构,当润湿性梯度较大时,其前进速度和接触角随时间变化出现振荡.     

含颗粒液滴蒸发的沉积和内部流动特性

含颗粒液滴蒸发是自然界和工业生产中常见和重要的热质传递现象,其蒸发流动和沉积特性机理尚有待深入揭示。本文直接采用荧光示踪纳米颗粒,研究含颗粒的去离子水液滴在不同颗粒浓度和乙醇浓度条件下的蒸发特性和沉积特性。同时,借助纳米PIV技术获得液滴近壁区尤其是三相接触线附近的速度场。实验结果表明,随颗粒浓度和乙醇浓度的改变,液滴的内部流场发生很大的变化,最终沉积图案也有明显差异。最后,通过初步的理论分析解释了其内部流场和最终沉积变化的原因。     

锥形纳米孔内的电压整流及流体流动

文章以生物纳米通道及纳米孔中的离子传输及化学反应为背景,以离子流整流、电渗流整流、离子积累耗散模型为理论基础,使用有限元数值计算方法研究压力及电场交互作用下的锥形纳米孔孔内离子浓度分布及速度场分布现象.分析了不同电压下压力和电场的交互作用对锥形纳米孔中速度场、流场及浓度分布的影响.结果表明纳米孔孔内氢离子运动方向主要受电场方向影响.由于静电吸附效应,沿着孔壁流动的电渗流中的氢离子浓度会高于体溶液中的氢离子浓度.当电压较小时,流场方向主要受压力流的影响,当电压较大时,流场流动方向由电渗流带动的流体流动和压力驱动的流体流动共同决定.      

润湿性梯度驱动液滴运动的格子Boltzmann模拟

运用考虑了固体与液体间分子作用力的格子Boltzmann方法,数值研究了由于固液界面上表面张力梯度引起的Marangoni效应驱动的液滴运动.当表面张力梯度较小时,计算结果和前人的理论预测符合较好.而表面张力梯度较大时,由于液滴不变形和准平衡态等假设不再满足,理论预测的液滴运动速度高于数值模拟的结果.计算结果显示,在向亲水端运动过程中液滴内部出现旋涡结构,当润湿性梯度较大时,其前进速度和接触角随时间变化出现振荡. 关键词： 润湿性 格子Boltzmann方法 Marangoni效应 液滴     

Directional Motion of Droplets in a Conical Tube or on a Conical Fibre

Manipulating the directional movement of liquid droplets is of significance for design and fabrication of some microfluidic devices, An energy-based method is adopted to analyse the directional movement of a droplet deposited in a conical tube or on a conical fibre. We perform an experiment to investigate the directional motion of a droplet in an open conical tube. Our theoretical analysis and experimental observations both demonstrate that surface tension can drive the droplet to move in the conical tube. The critical condition of the liquid moving in the conical tube is presented. We also analyse a droplet on a conical hydrophilic fibre, which can move from the thinner to the thicker end.     

基于拟颗粒的气固两相曳力模型研究

为了研究气固两相流动大涡模拟中合适的曳力计算模型,本文引入拟颗粒和拟颗粒表面能的概念,通过拟颗粒表面能与外界输入能量之间的平衡关系来确定拟颗粒的粒径。根据拟颗粒粒径,得到运算量较小且考虑颗粒团聚效应的曳力计算模型。应用本文的曳力计算模型对二维竖直槽道内稠密气固两相流动进行了大涡模拟,结果表明颗粒的浓度分布具有上稀下浓,壁面附近浓中心稀及颗粒聚集等特点。这与实验结果在定性上是一致的。对气相和颗粒相的瞬时速度场进行了分析,发现气相和颗粒相速度场分布的非对称性是形成颗粒浓度分布壁面附近浓中心稀的重要原因之一。     

溶液液滴蒸发变干的环状沉积

液体蒸发驱动的颗粒自组装现象在许多的工业技术中有重要应用. 本文利用显微镜观测含有颗粒物质的液滴变干后留在固体表面的颗粒形成的环状沉积图案. 采用微米粒径的SiO₂小球水溶液液滴蒸发变干模拟咖啡环的形成过程, 结果发现液滴蒸发过程中接触线的钉扎是环状沉积的必要条件. 在液滴蒸发过程中颗粒随着补偿流不断的向液滴边缘移动, 聚集在接触线处形成环. 液滴蒸发变干后残留在液滴内部的颗粒数随颗粒质量分数的增加而增加, 可以达到单层的颗粒排列. 而玻璃衬底上的颗粒环在颗粒质量分数很小时, 形成单层排列, 且一排一排地生长. 蒸发过程中颗粒环由于液滴边缘的尺寸限制向液滴中心缓慢移动. 这会导致液滴中不同大小颗粒的分离. 关键词： 液滴 接触线 蒸发 颗粒     

水滴结冰结霜及合成双射流的防霜防冰实验

对水滴结冰结霜过程及合成双射流作用时水滴结冰结霜过程分别进行了实验研究.实验中将半导体制冷片作为实验板将温度从室温降低到-30℃,采用电子显微镜观测无合成双射流和开启合成双射流作用的水滴凝固结冰结霜过程.结果显示:水滴从下部向上逐渐凝固,并且水滴表面凝固速度大于内部凝固速度.由于水凝固为冰,密度减小、体积增大,使得水滴形态改变,顶端突出,变成锥形.由于合成双射流强迫产生对流换热,凝固水滴不会像无激励器作用时在表面生成针叶状的霜,而是在水滴表面均匀形成一层白色的颗粒状霜.随着时间推移,霜的厚度并没有增加,并且水滴的高度降低,凝固水滴的锥形尖端逐渐变得平坦,水滴与冷板平面的接触面积增加.      

3-D PTV measurement on turbulence modification due to an oil droplet in a plane Couette water flow

Three-dimensional particle tracking velocimetry (3-D PTV) measurements with a two-camera system have been conducted for a turbulent water plane Couette flow with an oil droplet in order to understand the modification of shear-dominant turbulence by the droplet. The parameters of the stereogrammetry, which are crucial for calculating the spatial coordinate of tracer particles from 2-D images of two cameras, have been determined with a careful calibration. The experimental results show that the axial and wall-normal turbulence intensities and the turbulent kinetic energy are enhanced locally in the confluence regions where axial main flow over the interface meets the secondary flow along the interface in the wall-normal direction. The secondary flows were observed only around the equator of the droplet. The wall-normal and transverse turbulence intensities are found to increase in the region above the droplet. This is due to the change in the direction of the primary flow over the top of the droplet. The turbulence in the other region is attenuated mainly because of the attenuation of the generation and evolution of the coherent structure in the neighbourhood of the droplet.     

Threshold onset of Marangoni convection in narrow channels

There are several experimental studies where the Marangoni convection begins only at a certain difference in the surface tension, i.e. in a threshold way. This effect contradicts a traditional point of view according to which the surface flow in Newtonian fluids should begin at an arbitrary small difference in surface tension. To explore this phenomenon in detail we investigated the initiation of the Marangoni convection at a free liquid surface caused by injection of a droplet of surfactant. It was found that the surface motion occurs in a threshold manner, i.e. when a surfactant concentration in the droplet approaches a certain critical value. The described phenomenon is more important in narrow channels and essentially depends both on the purity of the basic liquid and on the surfactant used. Based on the experimental results, a hypothesis about an important role of residual impurities contained in basic liquids which can thoroughly change a surface rheology was suggested. The theoretical model taking into account special rheological properties in the free surface is considered. The results of the numerical simulation are in a good agreement with the experimental observations.     

Formation mechanism of a circumferential roller in a drying biofluid drop

Using the methods of theoretical thermohydromechanics, a model of protein roller formation at the periphery of a drying biofluid drop is constructed. As basic mechanisms of mass transfer-, temperature-, concentration-, and gravity-induced convections are considered, which produce a global toroidal flow with an ascending fluid filament at the center, dipping fluid along the free surface, and compensatory centripetal flow at the bottom. The shape of the protein roller is analyzed under the assumptions that the material deposition rate is proportional to the (i) material concentration and (ii) material flux.     

纳米流体研究的新动向

纳米流体近年来成为多个领域内的研究热点，特别是在流体物性测试、机理分析及新的应用上均取得长足进展．文章以该方向上最新完成的几类富有启发性的工作，如纳米流体热管、基于纳米液滴的纳米流体、纳米金属流体及借助于纳米颗粒控制纳米流体流动等进展予以剖析，归纳出了其中有待解决的一些重要科学问题，并指出一些可能的新应用。