固液两相流体中的空泡溃灭计算

本文导出了固液两相流体中球空泡溃灭的运动方程,计算并讨论了空泡溃灭过程中的颗粒运动和颗粒对空泡溃灭的影响,得到了固相浓度、颗粒尺寸等因素与空泡溃灭之间的定性关系。在分析过程中,考虑了液体与固体颗粒之间的阻力耦合作用。     

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通过实验方法研究了加入TiO2纳米颗粒的相变悬浮液流变特性. 研究表明,加入纳米颗 粒的相变悬浮液仍可被视为牛顿流体,温度对悬浮液的黏性系数有显著影响,其黏性系数随 温度变化的趋势与基液一致. 悬浮液的黏性随纳米颗粒浓度增加以非线性方式增加,当纳米 颗粒的质量浓度为5{\%}时,黏性的增量大约为23%.     

基于粗粒化水分子模型的Cu-H_2O纳米流体黏度模拟

分子动力学模拟是研究纳米流体的黏度特性的重要手段,但计算量庞大.文章通过对基液水分子粗粒化,使得计算量大幅度减小,且计算精度与全原子模拟相当.基于平衡态分子动力学,模拟研究了Cu-H2O纳米体系的微观运动特性,通过格林-库博(Green--Kubo)公式对Cu-H2O纳米流体的黏度进行了模拟计算,并考察了温度、体积分数、粒径和颗粒形状对于Cu-H2O纳米流体黏度的影响,对已有的悬浮液黏度经验公式进行了修正.     

SIMULATION STUDIES OF VISCOSITIES OF Cu-H2O NANOFLUIDS BASED ON COARSE GRAINING WATER MOLECULES

分子动力学模拟是研究纳米流体的黏度特性的重要手段,但计算量庞大. 文章通过对基液水分子粗粒化,使得计算量大幅度减小,且计算精度与全原子模拟相当. 基于平衡态分子动力学,模拟研究了Cu-H₂O 纳米体系的微观运动特性,通过格林- 库博(Green-Kubo) 公式对Cu-H₂O 纳米流体的黏度进行了模拟计算,并考察了温度、体积分数、粒径和颗粒形状对于Cu-H₂O 纳米流体黏度的影响,对已有的悬浮液黏度经验公式进行了修正.     

基于格子Boltzmann方法的电流变液动力学建模及数值模拟

电流变悬浮液内部结构对外电场的快速响应发生在指定的控制空间中,在这一特指的时间和空间尺度上电流变悬浮液的物理行为特征主要为剪切速率低和流动阻尼大,即Mach和Reynolds数一般不大,可以视为微尺度流动来加以研究。针对这一流动特征,基于介观动理论的格子Boltzmann方法,建立了电流变悬浮液两相流动的离散颗粒运动模型,通过该模型进行了动力学模拟,结果表明,该模型解决了分子动力学模型难以描述的因颗粒运动造成局部流场流变特性改变的难题,以及该流场双向耦合过程中对颗粒运动的影响。     

流动聚焦实验

介绍了一种制备微纳米量级颗粒的流动聚焦技术,它的最基本的特点是从毛细管流出的液体由高速运动气体驱动经小孔聚焦形成稳定的锥,锥顶端射出的微射流因不稳定性破碎成小颗粒.实验在自行设计的装置上完成.分析了流动聚焦技术中影响锥-射流以及颗粒形貌的因素,总结了过程中装置的结构参数以及气体压力降、液体流量和物性等参数对射流的直径的影响.结果显示该技术制备的颗粒单分散性好,直径达到微米和亚微米量级,在工业方面有重大应用前景.     

表面织构与离子液体润滑组合体系的摩擦学性能研究

利用激光加工技术在钛合金表面构建不同尺寸的圆形微坑织构图案. 利用MS-T3001型试验机测试了圆形微坑织构、离子液体[1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲基磺酰胺盐和十四烷基三丁基季鏻双(2-乙基己基)磷酸盐]及二者构成润滑组合的摩擦磨损性能. 利用金相显微镜观察圆形微坑织构的尺寸和表面形貌,利用扫描电镜分析摩擦过程前后织构化表面的形貌,采用ANSYS Fluent软件模拟分析表面织构参数和离子液体理化性质对摩擦学性能的影响. 结果表明,表面织构、离子液体、表面织构与离子液体的复合体系均展示了良好的减摩抗磨性能. 优化表面织构与离子液体的组合能够提升润滑体系的摩擦学性能. 表面织构与离子液体组成的复合润滑体系,摩擦系数随圆形微坑织构直径的增大而减小,归因于圆形微坑织构能够储存磨屑和离子液体并形成稳定的离子液体润滑薄膜,黏度较大的离子液体在收敛区间产生楔形效应,导致对上摩擦副升力增大.      

磨合过程中液体润滑实现超低摩擦的混合模型研究

针对球-盘滑动试验,在磨合过程中获得超低摩擦的液体润滑状态,建立耦合流体润滑、粗糙接触力学、Archard磨损方程和相关物理参数(液体黏度、表面粗糙度和磨损系数)时变函数的混合模型,研究磨合过程中液体润滑的摩擦系数演化.通过数值模拟结果可知：在磨合过程中,润滑介质等效黏度增大,形成流体动压润滑薄膜,有效隔开粗糙表面;其次在磨合过程中,新生成的表面粗糙度降低,减少粗糙峰承载比,实现超低摩擦润滑状态;最后在适当的液体黏度和提高表界面效应减少边界摩擦系数,可进一步实现液体超低摩擦润滑状态.为磨合过程宏观液体润滑性能演化所建立的混合数值模型对提高液体润滑超低摩擦设计效率具有重要价值意义.     

球形和方形湿颗粒团的碰撞模拟研究

本研究利用颗粒离散元方法,并结合接触力学理论,对微米级颗粒组成的湿颗粒聚合体碰撞破损的细观力学机理进行了模拟研究。模拟的颗粒聚合体分成球形和方形。将两种形状的颗粒聚合体碰撞结果做比较,颗粒之间的接触采用干、湿接触两种模型并存的方式来模拟湿颗粒团碰撞中的不可恢复变形过程。在碰撞速度保持不变的情况,考察了不同液体黏度对颗粒聚合体碰撞的影响;在液体黏度保持不变的情况,考察了不同碰撞速度对碰撞结果的影响。研究结果表明,湿颗粒团表现出了与干颗粒团完全不同的损伤模式,没有产生类似于弹性颗粒团的裂解损伤。湿颗粒团在碰撞中,它的内部液桥数量会在与平板碰撞接触的初期快速减少,然后慢慢累计,或会超过湿颗粒团在碰撞前的液桥数量。这一现象在此仿真研究中首次被发现。比如,液体黏度为50mPa·s的方形湿颗粒团以2.0m/s撞击平板时,其内部液桥数可由约9400降低至约8700后,逐渐增加至11300左右;由低黏度液体组成的湿颗粒团在碰撞后会发生反弹现象。而随着液体黏度的增加,恢复系数会趋近于0。     

Basset力研究进展与应用分析

Basset力为两相流中颗粒与流体存在相对加速度时所产生的一种非恒定气动力 ,以往对其进行了大量的实验研究、理论分析和数值模拟。本文通过对Basset力研究文献的综述 ,分析并归纳了各种不同两相流动问题中该力的影响情况 ,得到的结论是 :对于气泡在液体内的流动问题 ,当气泡运动的脉动频率很大或很小时可以忽略Basset力对其运动的影响 ;对于固体或液体颗粒在气体中的运动问题可以忽略Basset力的影响 ;而其它两相流动问题则需要根据具体问题的特点来决定是否考虑Basset力的影响 ,其中需要考察 :流体与颗粒密度差别 ,颗粒尺寸 ,流动特征时间和颗粒运动弛豫时间 ,相对加速度 (或减速度 )等因素。本文还探讨了Basset力研究的发展方向。     

含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形与破裂

油-气润滑过程中润滑油液滴受高速气流扰动易形成含气泡油滴,微气泡将对油滴撞击壁面时的运动过程以及壁面油膜层的形成质量产生重要影响.基于耦合的水平集-体积分数方法,对含气泡油滴撞击油膜壁面行为进行数值模拟研究,考察含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形运动过程,探讨气泡破裂的动力学机制,分析气泡大小、碰撞速度和液体黏度等因素对含气泡油滴撞壁过程中气泡变形特征参数的影响规律.研究表明:含气泡油滴撞击油膜壁面后气泡会发生变形,并破裂形成膜液滴;气泡随同液滴运动过程中,气泡内外压力和速度梯度变化是使气泡发生破裂的主要诱因.气泡大小对气泡破裂方式影响较大,气泡较小时发生单点破裂,而气泡较大时更容易发生多处破裂.不同大小气泡受力差异较大,气泡大小与破裂发生时刻没有明显相关性.碰撞速度和液体黏度对气泡的变形、破裂和破裂发生时刻都具有一定的影响.碰撞速度越大,油滴动能越大,更容易产生气泡变形和破裂现象.液体黏度增大,在油滴撞壁运动前期促进气泡变形,而在运动后期可以阻延气泡破裂行为发生.     

物理学家江仁寿在中国近代流体力学领域的贡献

物理学家江仁寿从19世纪30年代开始致力于液体黏滞性的研究.他通过对双线旋转球法进行改进,利用惯性棒双线悬挂球实验装置,测定了水、液态钠、钾及钠钾合金的黏度,分析了影响黏度测量准确性的因素,实验结果得到了当时国际物理学者的公认并长期沿用;他对金属液体在熔点时表面张力的测定结果,为半导体材料的兴起提供了理论基础,为中国近代流体力学发展做出了贡献.     

颗粒柱塌落中的尺寸效应和瞬态流变性研究

颗粒材料是自然界和工程中广泛存在和普遍应用的材料,泥石流、滑坡和混凝土等均可视为颗粒材料。颗粒材料研究有助于更好地控制相关自然灾害或利用其某些特性。对颗粒材料柱体的塌落动力学研究不仅可以方便理解颗粒材料在瞬态流动时的流变性,还可以引申到泥石流等岩土材料的运动与堆积形态。本文利用扩展多面体离散单元法对颗粒堆积柱的塌落进行了细致的研究,探索高宽比、摩擦系数以及颗粒柱相对尺寸等对柱体塌落的影响。对颗粒集合进行分网并分析每个网格内的应力与应变率之间的关系,讨论其瞬态本构关系。相关研究对于深入理解颗粒材料重力流的动力学性质以及颗粒集合体的堆积形态具有重要意义。     

含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形与破裂

油--气润滑过程中润滑油液滴受高速气流扰动易形成含气泡油滴,微气泡将对油滴撞击壁面时的运动过程以及壁面油膜 层的形成质量产生重要影响. 基于耦合的水平集--体积分数 方法,对含气泡油滴撞击油膜壁面行为进行数值模拟研究, 考察含气泡油滴撞击油膜壁面时气泡的变形运动过程,探讨气泡破裂的动力学机制,分析气泡大小、碰撞速度和液体黏度等因素对含气 泡油滴撞壁过程中气泡变形特征参数的影响规律. 研究表明:含气泡油滴撞击油膜壁面后气泡会发生变形,并破裂形成膜液滴;气泡随同 液滴运动过程中,气泡内外压力和速度梯度变化是使气泡发生破裂的主要诱因. 气泡大小对气泡破裂方式影响较大,气泡较小时发生单 点破裂,而气泡较大时更容易发生多处破裂. 不同大小气泡受力差异较大,气泡大小与破裂发生时刻没有明显相关性. 碰撞速度和液体 黏度对气泡的变形、破裂和破裂发生时刻都具有一定的影响. 碰撞速度越大,油滴动能越大,更容易产生气泡变形和破裂现象. 液体黏 度增大,在油滴撞壁运动前期促进气泡变形,而在运动后期可以阻延气泡破裂行为发生.      

剥蚀引起的球锥体两相绕流效应

基于多学科理论建立了极端环境下球锥体烧蚀、剥蚀的数理模型。利用离散涡方法计算流场与球锥表面压力分布,采用三方程烧蚀模型计算热化学控制机制下的烧蚀速率;引入颗粒轨道模型求解剥蚀颗粒的运动,编程计算高温高压燃烧室内球锥形烧蚀试件的绕流场及剥蚀颗粒的运动轨迹。研究表明：烧蚀对球锥体的绕流影响显著,球锥体的涡云较快地转变为不对...     

压电式微滴按需喷射的过程控制和规律

微滴喷射增材制造技术中沉积微滴的大小与均匀性是影响成型件质量的关键因素.本文设计了一种用于生成均匀微滴的压电驱动式微滴喷射装置,通过压电材料带动柔性膜片振动,将液体从喷嘴中喷出生成微滴,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了不同控制参数下膜片振幅及其对生成微滴尺寸和均匀性的影响.研究结果表明:膜片振幅大小受到驱动电压和压电频率的共同影响,压电频率是导致膜片中心点振幅实验测量值小于理论计算值的主要原因,膜片振动会导致喷嘴内部压力发生变化从而影响微滴生成尺寸.在相同驱动电压条件下,压电频率为10 Hz时存在压电膜片振幅最大值.随着膜片振幅的增大,喷孔处液体速度和液柱长度增大到临界值时可以生成微滴,当喷孔处的液柱长度超过临界值时,会形成卫星液滴. 当膜片振幅区间在30 $\mu$m$\sim $42 $\mu $m可以稳定生成微滴,生成最小微滴尺寸为339.8$\mu$m,直径最大变化率为0.29%,相邻两微滴间距最大变化率为2.67%,生成微滴的尺寸及均匀性较好.研究结果有助于提高压电式微滴喷射装置的液滴生成质量.      

压电式微滴按需喷射的过程控制和规律

微滴喷射增材制造技术中沉积微滴的大小与均匀性是影响成型件质量的关键因素.本文设计了一种用于生成均匀微滴的压电驱动式微滴喷射装置,通过压电材料带动柔性膜片振动,将液体从喷嘴中喷出生成微滴,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了不同控制参数下膜片振幅及其对生成微滴尺寸和均匀性的影响.研究结果表明:膜片振幅大小受到驱动电压和压电频率的共同影响,压电频率是导致膜片中心点振幅实验测量值小于理论计算值的主要原因,膜片振动会导致喷嘴内部压力发生变化从而影响微滴生成尺寸.在相同驱动电压条件下,压电频率为10 Hz时存在压电膜片振幅最大值.随着膜片振幅的增大,喷孔处液体速度和液柱长度增大到临界值时可以生成微滴,当喷孔处的液柱长度超过临界值时,会形成卫星液滴.当膜片振幅区间在30μm～42μm可以稳定生成微滴,生成最小微滴尺寸为339.8μm,直径最大变化率为0.29%,相邻两微滴间距最大变化率为2.67%,生成微滴的尺寸及均匀性较好.研究结果有助于提高压电式微滴喷射装置的液滴生成质量.     

黏度对流固界面滑移影响的试验研究

为了研究微纳米间隙下固液界面间流体的流动及输运特性,本文改进了商用的原子力显微镜,并利用其对微纳米间隙下固液界面的边界滑移现象进行了试验研究,重点考察了流体黏度对边界滑移的影响.固体壁面样品采用Si(100)表面,试验液体采用不同黏度的去离子水和蔗糖溶液.结果表明,Si(100)表面与去离子水和蔗糖溶液作用会发生边界滑移,而且随着溶液黏度的升高,滑移长度也随之升高,表现了边界滑移与流体黏度的相关性.所得结果对于微流体输运与控制有重要的理论意义与实际价值.     

胆碱杂环二酸离子液体水润滑添加剂的制备及结构-性能关系研究

以胆碱和杂环二酸为原料,在去离子水中原位制备了添加剂[Ch]₂[Hdc],并研究了它们的摩擦学性能、腐蚀性、水生生物毒性与分子结构之间的构效关系. 研究发现,水溶液的运动黏度随着水中生成的[Ch]₂[Hdc]浓度的增加而增大,并且当[Ch]₂[Hdc]的分子结构对称性较低、极性较大时,水的黏度增加值相对较大. 这是由于添加剂分子极性较大时,分子间相互作用力较大,导致溶液的黏度增幅更大. 摩擦学性能测试发现,当[Ch]₂[Hdc]的浓度相对较低时,水溶液的减摩抗磨性能与[Ch]₂[Hdc]分子在摩擦副表面的吸附能力有关,分子极性较大,吸附能力较强的[Ch]₂[Hdc]可在摩擦副表面形成更为牢固的润滑保护膜,因而能有效改善水的减摩抗磨性能,反之则不能. 当[Ch]₂[Hdc]的浓度相对较高时,水溶液的减摩性能与其黏度呈反相关关系,抗磨性能则与其黏度呈正相关关系. 这是由于润滑剂黏度相对较大时,其内摩擦力较大,因而表现出较高的摩擦系数,即较差的减摩性能;然而,黏度相对较大的润滑剂则可以在摩擦副表面形成更为牢固的润滑保护膜,因而表现出较低的磨损体积,即较好的抗磨性能. 腐蚀试验结果表明,[Ch]₂[Hdc]可显著降低水对金属基底材料的腐蚀性. 毒性试验显示[Ch]₂[Hdc]对绿藻和海虾毒性远远小于传统离子液体L-B104.      

微磁检测应力和塑性区的磁弹塑耦合理论

金属磁记忆微磁检测方法, 利用铁磁材料局部磁性状态的变化, 进行应力集中或塑性区域位置及程度的检测与评价. 面向微磁信号的定量理论分析可对其工程领域应用提供重要指导. 本文介绍铁磁材料微弱环境磁场下的磁弹塑性本构进展, 及其在微磁信号分析方面的应用. 力磁本构关系方面, 针对微磁检测弱磁化条件, 基于有效场理论构建了受弹塑性载荷铁磁材料的理想磁化本构的显式解析式, 并结合接近原理分析了恒定外加微弱磁场下应力-应变对材料磁化强度的影响. 检测信号分析方面, 基于弹性力学理论、静磁学理论和新建立的磁弹塑性本构关系, 建立并求解了微弱磁场下铁磁试件中弹性应力或塑性区诱导的表面磁信号的二维分析模型. 结合实验结果证实其在刻画弹塑性因素对微磁信号影响规律方面的能力, 并详细分析了微磁信号的特征量与局部弹性应力或塑性区的尺寸间的相关关系. 相比已有力磁本构关系, 本文建立的显式解析形式的理想磁化更加简洁, 有助于提升对力磁耦合效应的定量化理解和应用.