冲击波作用下微米尺度金属颗粒群的动力学行为

基于平面化爆驱动飞片高压加载技术和激光测速技术,研究了冲击波加载不同粒径锡颗粒群的微喷射行为以及在空气中的减速规律.实验结果表明,锡颗粒的最快喷射速度随粒径增大而显著增大.通过对微喷射形成过程的三维光滑粒子流体动力学方法数值模拟发现,大粒径锡颗粒之间存在较大的空隙结构,冲击波与空隙结构的相互作用诱导产生高速汇聚射流,空隙结构越大对应的喷射速度也越高.此外,通过研究不同粒径颗粒在复杂流场中的减速规律,进一步深化了对微喷射破碎后的颗粒尺度状态以及混合输运特性的认识.研究结果对于预测和分析冲击波加载微米颗粒群的微喷混合特性具有一定价值.     

强磁场作用下Cu熔体中富Fe颗粒的迁移与排列

凝固界面前沿颗粒间的相互作用决定了颗粒的运动轨迹、分布和材料的性能,控制熔体中颗粒的迁移可用于材料的净化和提纯.在Cu-30%Fe合金液固两相区施加不同的强磁场条件,富Fe颗粒的分布和排列不尽相同.当无强磁场作用时,富Fe颗粒较均匀地分布在Cu熔体中;随着施加稳恒强磁场磁感应强度的增加,富Fe颗粒向远离重力方向的试样上端迁移,样品底部几乎无富Fe颗粒;而施加向下的梯度磁场作用后,富Fe颗粒沿重力方向向下迁移.结合强磁场作用下颗粒的受力情况,分析了Fe颗粒的迁移行为.不同磁场条件和不同区域的颗粒直径统计分析表明,随磁感应强度增加,Fe颗粒聚合增加,但施加梯度强磁场后颗粒的团聚又逐渐减弱,对此从影响颗粒运动的Stokes和Marangoni凝并速度进行了讨论.从能量最低的角度解释了富Fe相沿平行磁场方向的取向排列.     

三维射流中颗粒与流体的双向耦合作用

采用基于欧拉一拉格朗日的双向耦合模型对三维气固两相平面射流中颗粒与流体的双向耦合作用进行了直接数值模拟.在考虑颗粒相的反作用后,气相运动采用直接耦合求解,计算颗粒场时,选取Stokes数为0.1的较小颗粒,采用Lagrangian方法跟踪其运动.重点考察了颗粒相与流体相之间的相互作用,分析了不同固相载率的颗粒对流场特性以及对自身扩散的影响.模拟结果表明由于颗粒的影响,在射流入口处流场最初生成的两个大涡沿横向被拉伸,而在射流下游区域,涡结构则沿流向被拉伸;在射流的下游,颗粒降低了流场中心区域的流向平均速度,削弱了流场中心区域的湍流强度.此外,跟单向耦合相比,双向耦合情况下的颗粒分布更加均匀,并且均匀程度随固相载率的增加而增大.     

简单流体迁移性质分子动力学模拟研究

通过平衡分子动力学方法和Lennard-Jones势能模型,本文对简单流体氖、氩、氪和氙的迁移性质进行了模拟研究,得到了其随温度变化的关系图.并将模拟结果与NIST推荐的数据进行了比较,除氖以及氙高温度区外,得到的黏度和导热系数的相对偏差皆在±15%之内.同时分析了几种影响简单流体迁移性质分子动力学模拟结果的主要因素.     

纳米受限效应下流体自扩散机理及规律研究

当固体壁面间距仅有几个纳米时,纳米受限效应使得流体自扩散系数降低1²个数量级,孔径、温度和压力的影响显著且复杂。分析受限流体扩散机理和规律,建立简洁的关联式具有重要意义。本研究从分子模拟出发,经过仔细计算和分析,获得了大量纳米孔隙中流体自扩散系数数据。分析了壁面吸附作用对流体扩散的影响机理和规律,提出了可简单描述流体扩散行为的无量纲扩散系数,从而与努森数建立相应关联式,具有较强的适用性。     

颗粒气体团簇行为实验研究

颗粒体系由于非弹性碰撞和摩擦等内秉的能量耗散特性,由宏观粒子形成的颗粒气体体系经常会有局部凝聚现象,这是颗粒气体体系与分子气体体系的最大区别之一.理解和预测这一现象的发生将有助于人们对远离平衡态体系的复杂现象,如有序结构、斑图和团簇形成的认知.这种局部凝聚现象可以类比于分子气体中亚稳分解形成的液滴,将气液相分离用于解释和寻求局部凝聚现象的此模型得到了分子动力学模拟的校验.但是实验的校验却由于宏观粒子运动受重力作用的影响难以在实验室中实现.作为实践十号卫星的前期实验,本文利用国家微重力实验室落塔装置,以水平激振装有不同尺寸和数目的颗粒样品,在短时微重力条件下,成功观察到颗粒气体团簇的形成;并将实验结果与颗粒气体类范德瓦耳斯气体分子相分离模型对比,由形成团簇样品的颗粒数密度条件,来实验确定了所选颗粒的恢复系数,得到直径为0.5 mm的钛珠颗粒的恢复系数在0.6—0.8之间,直径为1 mm的钛珠颗粒的恢复系数约为0.8,直径为2.5 mm的钛珠颗粒的恢复系数应大于0.8.     

亚微米颗粒湍流团聚特性的实验研究

燃煤电厂亚微米颗粒物排放是造成大气环境污染和影响人体健康的重要因素。本文搭建亚微米颗粒湍流团聚实验平台,通过场发射扫描电镜(FESEM)对亚微米颗粒的团聚形貌进行微观表征以及扫描电迁移率粒径谱仪(SMPS)对亚微米颗粒团聚前后的粒径分布特性进行宏观测量。结果表明:亚微米颗粒湍流团聚形成多分叉颗粒树聚团结构,进口流速为0.8?5.3m/s条件下,PM1和PM0.1的脱除效率分别为5.6%?18.6%和7.0%?21.4%,且PM1和PM0.1的脱除效率曲线随速度变化呈现二次函数规律。     

我国静电生物学效应机理研究新进展

文章综述了静电处理作物种子及诱发的生物学效应，研究了电场阈值、电场极限值和电场作用时间等电场剂量问题。通过生理指标分析了电场对作物发芽势、发芽率、芽长、根长、叶片自然鲜重、种子简化活力指数、植物代谢及营养吸收的影响。从大量的应用研究中广泛探索了电场对植物细胞膜完整性的影响及对酶活性的改变，希望用物理学方法研究对酶蛋白分子构象的影响，总结了电场在改善植物抗逆性研究方面的最新进展，以期在细胞和分子水平上探讨其作用机理，为静电在农业上的进一步广泛应用奠定理论基础。     

微米颗粒与固体表面相互作用的AFM测量

基于原子力显微镜(AFM)测量了单个典型电站微米飞灰颗粒(粒径6μm)与石墨表面间的粘附力和静电力相互作用,获得了颗粒的表面能并考查了相对湿度对静电力的影响.在环境气氛下基本检测不到静电作用,而在真空下静电吸引作用显著.静电力主要来自颗粒一表面间的接触荷电,作用特性可以用一个简化的点电荷模型很好地定量描述.     

长形颗粒静电发生的实验研究

在颗粒输气力送过程中,由于颗粒和管道壁面接触产生静电,给工业生产带来了很多问题和安全隐患。目前颗粒形状对静电产生影响的研究十分有限。本文研究颗粒形状因素对静电产生的影响。颗粒粒径2.0~5.0 mm,分别以长方形和半圆形作为摩擦面,沿着倾斜金属平板多次滑行,直接测量获得颗粒滑行产生静电电量。研究发现颗粒面积、长宽比、滑行方向、速度、角度,对静电发生均有明显影响。该研究为工业静电的评估及防护提供了重要的科学依据。     

循环流化床内颗粒团流动的研究

循环流化床颗粒相流动具有多尺度效应:单颗粒运动的微尺度、颗粒团运动的介尺度和固相运动的宏尺度。颗粒相流动参数受单颗粒运动和颗粒聚团运动的制约,同时影响气相流动。基于气体分子运动论和颗粒动理学,建立相平均稠密气固两相流流动模型。介尺度模型考虑颗粒团与单颗粒之间、颗粒团与气相之间的动量和能量的传递和耗散。模拟计算颗粒容积份额、速度等参数与实测值相吻合。     

湿颗粒喷动床颗粒聚团特征的实验研究

建立了内径140 mm、锥角60的可视化锥柱喷动整床和半床实验系统,研究了液含量、颗粒粒径、形状等对床内湿颗粒聚团的影响规律。实验表明:湿颗粒喷动床内有块喷动、死床和非均匀结块三种聚团类型,聚团的出现类型与粒径dp有很大的关系;当dp1 mm,液体饱和度S0.2时,容易出现块喷动;当dp1 mm,S0.05时,容易出现死床、非均匀结块。在此基础上,从微观颗粒受力分析出发,提出了一种预测湿喷动床内聚团倾向的方法。     

全尺度方法对颗粒与流体之间相交换量研究

本文采用了内嵌边界多重直接力算法全尺度计算研究了三维空间中颗粒群在重力作用下沉降时,颗粒群与流体之间的相互作用过程。结合多相流的欧拉-欧拉双流体模型方法中对颗粒群与流体之间相互作用力的处理方式,分析了颗粒与流体之间的相交换量。并把全尺度计算得到的颗粒群与流体之间的相交换量与本文中提到的单颗粒受力模型(SPM)和颗粒群受力模型(GPM)对相互作用力进行了比较分析。     

颗粒无序堆积床内颗粒-流体对流传热系数的研究

本文采用萘升华热质比拟实验方法测量了颗粒无序堆积床中颗粒流体之间的对流传热系数。文章首先针对堆积床中的入口效应进行了研究,发现入口处传热系数低于内部传热系数,其影响存在于几个颗粒直径范围内,并在6~8倍颗粒直径后达到传热充分发展区。其次对比了充分发展区的传热系数和Wakao公式的预测值,其平均偏差为11.83%。最后从孔隙率对传热的影响出发,对Wakao公式的适用性进行了探讨。     

航空发动机尾气静电带电机理分析与试验研究

航空发动机工作时燃烧室内发生复杂的物理化学变化,生成大量带电粒子,导致发动机尾气静电带电;理论分析了发动机喷流尾气中带电粒子产生演化过程和带电影响因素,讨论对比了多种测试原理与传感器方案,确立了非接触式静电感应测试方案,研制了共轴喇叭状静电传感器和静电监测系统,开发了自动测试软件并对某型航空发动机进行了机载尾气静电带电试验研究,验证了测试平台的有效性,成功获得了大量喷流尾气静电信号;研究结果表明:航空发动机正常工作时喷流尾气中带电粒子总体显正极性,平均体电荷密度约为0.077 nC/m³,发动机等效充电电流为2.26 nA。     

煤粉燃烧火焰区域内形成的亚微米颗粒电镜研究

煤粉燃烧火焰区域是燃烧过程中温度最高的区域,同时也是温度梯度、组分浓度梯度最高的地方,以及还原和氧化气氛交错存在等复杂环境,这种环境对亚微米颗粒初始形成阶段有着重要的影响,对该区域形成的PM1进行研究有助于深入理解PM1的形成机理.本文基于25 kW一维下行炉内对自维持燃烧的煤粉火焰区域,通过两级稀释水冷等速取样系统和ELPI(荷电低压撞击分离器)系统对颗粒物进行分级收集,以及电镜分析技术,获得PM1的质量和数浓度粒径分布,以及各粒径主要成分分布,并进行单颗粒分析.结果表明火焰区域中形成的亚微米颗粒以含碳物质为主,碳烟、碱金属和硫对超细颗粒有富集的趋势.该区域的亚微米颗粒同时存在多种复杂的形成机理.     

孤立碳颗粒聚团燃烧过程的研究

数值模拟气体流过孤立碳颗粒聚团的燃烧反应过程。计算表明穿过颗粒聚团的气体流量主要与颗粒聚团空隙率有关。当颗粒聚团空隙率小于0．8时,穿过颗粒聚团的气体流量可忽略不计。碳颗粒聚团内温度呈现迎来流面低、背流面高,两侧低中间高; CO和CO2含量呈现迎来流面低、背流面高,两侧低中间高的变化趋势;而O2含量迎来流面高、背流面低,两侧高中间低。颗粒聚团内不同位置的颗粒消耗的碳量不同。颗粒的相互团聚将降低碳的消耗量,同时也抑制碳颗粒燃烧过程NO和N2O的生成。     

激光作用下甲醇团簇多光子电离质谱研究

YAG脉冲激光的三倍频输出(355 nm)3光子共振电离由脉冲分子束超声膨胀产生的甲醇团簇,观测到质子化的团簇离子序列(CH3OH)nH (n=1~15),其中n=1~3的团簇离子强度明显大于其他尺寸的团簇离子,而n>3的强度随n的增大依次减小,且这种强度分布特征与电离激光相对于脉冲分子束的延时无关,同时对团簇离子的产生受实验条件的影响作了探讨。结合密度泛函密度泛函理论中的B3LYP杂化方法加6-31G 基组水平上的计算,推测了质子化甲醇离子的结构及稳定性,并讨论了甲醇团簇电离后的质子转移反应生成质子化团簇的机理。而对于另一个水合质子化团簇序列H (H2O)(CH3OH)n,由于溶剂化的影响只在较大尺寸时才出现。     

等热流条件下潜热型功能热流体换热强化机理研究

本文分析了潜热型功能热流体强化换热的物理机制，并基于等效比热模型，对等热流条件下圆管内该类流体层流流动换热强化的各因素进行了敏感性分析．同时，改进了内部流动传统的Ｎμ定义，使之能更有效地表征功能热流体换热强化程度