非对称弯曲微流道中粒子惯性聚焦动态过程及流速调控机理研究

设计制作了一种具有非对称弯曲微流道结构的微流控芯片, 搭建实验平台定量表征聚苯乙烯粒子和血细胞沿流道的动态惯性聚焦过程, 并系统研究了流体流速和粒子尺寸对粒子聚焦特性的调控机理. 通过分析粒子荧光图谱和对应量化强度曲线, 将粒子沿流道长度的横向迁移过程分为形成聚焦和平衡位置调整两个阶段, 指出在整个聚焦过程中具有小曲率半径的流道结构起主导作用. 根据全流速段内粒子聚焦特性的演变, 重点分析潜在惯性升力和Dean 曳力的竞争机制, 提出了阐述粒子聚焦流速调控过程的三阶段模型. 进一步比较两种尺寸粒子聚焦位置和聚焦率随流速与流道长度的变化规律, 发现大粒子具有更好的聚焦效果和稳定性, 且两种粒子的相对位置可通过流速进行调整. 最后, 通过分析血细胞在非对称弯流道中的横向迁移特性, 验证了粒子惯性聚焦机理在复杂生物粒子操控方面的适用性. 上述结论为深入研究微流体环境下粒子的运动特性以及开发微流式细胞术等临床即时诊断器件提供了重要参考.     

含玻璃微球的黏弹性复合材料覆盖层的水下吸声性能分析

水下吸声覆盖层对潜艇的隐身具有重要的意义, 因此得到了广泛的关注. 本文对含有玻璃微球的黏弹性复合材料覆盖层的水下吸声性能进行了理论分析. 采用等效参数法计算了玻璃微球的体积含量对复合材料的力学和声学性能的影响. 应用声波在多层介质中传播的一维模型, 计算了不同玻璃微球体积含量的单层复合材料覆盖层的吸声性能.结果表明, 增加玻璃微球的体积含量可以提高覆盖层的低频吸声性能, 但是其高频吸声性能降低.采用遗传算法对玻璃微球在覆盖层厚度方向上的体积含量分布进行优化. 优化的多层结构可以在一定的频带内改善覆盖层的表面与水的声阻抗匹配, 在保证覆盖层的高频吸声系数大于某一限值(0.7)的前提下, 提高其低频吸声性能.另外, 多层优化结构覆盖层不含宏观的空腔结构, 不影响覆盖层的耐压性能.其结构简单, 对制备工艺的要求不高.因此, 本文形成的理论方法适用于水下吸声覆盖层的设计. 关键词： 水下吸声 黏弹性复合材料 玻璃微球 遗传算法     

电场作用下5CB液晶分子的近壁面层黏弹性的QCM研究

利用石英晶体微天平(quartz crystal microbalance,QCM)研究了电场对5CB液晶分子的近壁面层黏弹性的影响.对QCM结果的分析发现,电场作用对液晶的黏度影响分为两部分,通过建立含吸附膜的双层膜模型,分析了QCM的两部分结果,发现电场对近壁面吸附层及体相层的影响是不同的.根据QCM的双层膜模型,对近壁面层液晶分子的黏弹性及膜厚进行了定量的分析计算,结果表明5CB在石英晶体上电极附近有一层约100nm厚的近壁面吸附层,其复剪切黏度随电场强度的增加而减小,这与5CB液晶的体相黏度变化规 关键词： 5CB液晶 石英晶体微天平 近壁面 黏弹性     

黏弹性流体泡状流混合层流动的PIV实验研究

本文对注入气泡的黏弹性流体气液两相泡状流混合层流动进行实验研究,含气率为0.5%。与纯水气液两相流相似,气泡的注入也会削弱黏弹性流体中的涡结构,影响大涡的卷起。雷诺应力与涡量的分布规律类似,其峰值集中在混合层中心区域。注入气泡使混合层中心区域内的雷诺应力增大,峰值区域范围减小,添加聚合物的混合层中的雷诺应力峰值增大得更多。对涡量而言,注入气泡使峰值产生非常明显的减小,黏弹性流体的涡量所受的影响比纯水的要小。     

黏弹性流体充模过程中凝固现象的数值模拟

建立了黏弹性流体在充模过程中带有相变的气一液两相模型,该模型分别由气、液两相的质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程描述,并通过引入Heaviside函数将气一液两相的方程组统一为一个方程组;建立了一个对型腔内熔体和气体都适用的修正的焓方法来描述充模过程中的相变,采用基于同位网格的有限体积方法对模型进行求解,水平集方法捕捉充模过程中的界面演化,模拟出了黏弹性流体在充模过程中的凝固现象,得出了充模过程中型腔内的温度、压力、第一法向应力差等随时间的变化;并讨论了型腔壁面温度、熔体温度、注射速度对充模过程中凝固现象的影响,研究结果表明:型腔壁面温度越高,凝固层越薄;熔体温度越高,凝固层越薄;注射速度越高,凝固层越薄,故提高型腔壁面温度、熔体温度、注射速度可以减少或消除型腔壁面附近的凝固层。     

黏性介质中圆截面弹性细杆的平面振动

讨论圆截面弹性细杆在黏性介质中的平面振动. 基于Kirchhoff理论，以杆中心线的Frenet坐标系为参考系，建立其动力学方程，杆中心线为任意平面曲线时，其扭转振动与弯曲振动解耦. 讨论两端固定条件下任意形状杆的平面扭转振动，以及无扭转的轴向受压直杆和圆环杆的平面弯曲振动，导出其自由振动频率和阻尼系数. 证明空间域内压杆的Lyapunov稳定性和欧拉稳定性条件为时域内渐近稳定性的充分必要条件，或无阻尼压杆的稳定性必要条件. 圆环杆平衡恒满足渐近稳定性条件. 关键词： 弹性细杆 黏性介质 扭转振动 弯曲振动     

线性黏弹性各向异性介质速度频散和衰减特征研究

地层岩石既非各向同性的,也非完全弹性的,正确地描述波在地层中的传播需要搞清楚岩石的各向异性和黏弹性特征.针对裂缝性地层的裂缝发育方位问题,建立具有任意方位角的方位各向异性黏弹性本构关系.使用均匀平面简谐波分析方法研究其频散关系,得到Christoffel方程,进而获得均匀平面波的复速度、相速度、衰减系数和品质因子的表达式.通过黏弹性方位各向异性页岩和砂岩进行模拟,研究了波场在地层中的传播特征,如相速度、衰减系数和品质因子等随频率、方位和入射角的变化关系 关键词： 黏弹性 各向异性 相速度 衰减系数 品质因子     

基于分数阶流变模型的铁基块体非晶合金黏弹性行为研究

采用分数阶黏弹单元替代经典模型中的黏壶, 结合非晶合金在外加载荷作用下的微观结构演化, 建立了以分数阶微积分表示的非晶合金黏弹性本构模型. 并根据Hertz弹性理论及分数阶黏弹性本构模型, 推导了块体非晶合金在纳米压痕球形压头下的位移与载荷及时间关系式. 基于推导的解析式, 对铁基块体非晶合金在表观弹性区的纳米压痕位移与载荷及时间曲线进行了非线性拟合分析. 相较于整数阶模型, 分数阶模型不仅具有较高的拟合精度, 其拟合参数能敏锐地反应加载速率对块体非晶合金黏弹性行为的影响, 且参数的变化规律与载荷作用下非晶合金微观结构演化呈现出较强的相关性.     

黏弹性流体基铜纳米流体流动与传热实验研究

成功建立了流体流动阻力和换热性能测试实验台,在45℃的流体温度下,对不同铜粒子体积分数和基液浓度的纳米流体在湍流状态下的对流换热特性和流动阻力进行了实验测量。实验结果表明:黏弹性流体基液中添加纳米粒子后,在降低对应基液减阻率的同时能明显增强传热性能.例如,将1.0%体积分数的铜纳米粒子添加到质量分数为6×10~(-4)的基液中所形成的黏弹性流体基纳米流体其综合性能指数K=0.47,表现了很好的传热强化和减阻性能.     

方形颗粒在黏弹性流体中的沉降特性

采用有限元任意拉格朗日-欧拉(ALE)法对方形颗粒在黏弹性流体中的沉降特性进行研究。通过直接数值模拟得到了不同弹性数下方形颗粒的稳定取向角的变化情况,并讨论了颗粒长宽比和通道宽度对其沉降特性的影响。结果表明,当方形颗粒在黏弹性流体中沉降时,弹性数存在一个临界值。当弹性数小于临界值时,颗粒的稳定取向为长轴方向垂直于重力方向;当弹性数大于临界值时,颗粒的稳定取向为长轴方向平行于重力方向。颗粒长宽比和通道宽度对其沉降特性都有一定的影响。长宽比大的颗粒在沉降过程中的取向角和横向漂移的振幅更大。弹性数的临界值随着长宽比的增大而减小,随着阻塞比的增大而增大。     

粗糙微管道内液体流动特性的实验研究

利用实验方法研究了粗糙度对矩形截面微管道内液体流动阻力特性的影响，采用微观粒子图像测速技术测量了粗糙微管道内的流场结构.实验结果表明：在层流状态下，3%—7%的相对粗糙度可以导致微管道内流动阻力的明显增加，在粗糙单元附近形成的压差阻力是导致流动阻力增加的主要原因.粗糙单元还会引起微管道内的流动失稳，导致粗糙微管道内层流向湍流的转捩提前. 关键词： 微管道 粗糙度 微观粒子图像测速 转捩     

微通道中高分子溶液Poiseuille流的耗散粒子动力学模拟

利用耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法模拟了微通道中高分子溶液的Poiseuille流动.研究表明, 微通道中的高分子溶液呈现非牛顿流体特性, 可以用幂律流体来描述流动行为, 高分子浓度越大, 幂律指数n 越小. 高分子链与壁面的流体动力学相互作用以及布朗扩散率梯度控制着高分子链的横向迁移. 由于传统的DPD方法中壁面诱导的流体动力学作用部分被屏蔽, 高分子链将向壁面方向迁移, 并且随着流场增强, 高分子链向壁面方向迁移越明显. 未被屏蔽的流体动力学相互作用和布朗扩散率梯度相互竞争, 使高分子链在微通道内的质心分布呈双峰状, 通道中心处高分子浓度出现局部最小值. 当通道宽度减小、强受限时, 壁面与高分子链间的流体动力学相互作用可能全部被屏蔽, 而布朗扩散运动弱, 高分子向壁面方向有微弱的迁移. 关键词： 耗散粒子动力学 高分子溶液 非牛顿流体 横向迁移     

微粒子观测相机调焦机构设计

为满足微粒子观测相机对光学系统的要求,提出了一种基于滚珠丝杆驱动的传动式调焦机构,介绍了其独特的直线运动结构形式。针对调焦机构承受的静载荷工况和温度工况,用有限元模拟法仿真分析了它的应力和变形情况,得到的最大静力变形为0.001 mm,最大热变形为0.002 mm。通过分析该结构各个传动件误差及装配误差,给出了结构总的理论相对误差值为2.2%。在样机的装调检测中实现了步进分辨率为0.005 mm,平均空回误差步距角为0.2个,完全可以满足整机对调焦机构的要求。     

内嵌微流道低温共烧陶瓷基板传热性能（英）

随着系统级封装（SIP）所容纳的电子元器件和集成密度迅速增加,传统的散热方法（热通孔、风冷散热等）越来越难以满足系统级封装的热管理需求。低温共烧陶瓷（LTCC）作为常见的封装基板材料之一,设计并研制了三种内嵌于LTCC基板的微流道,其中包括直排型、蛇型和螺旋型微流道（高度为0.3 mm,宽度分别为0.4, 0.5和0.8 mm）。通过数值仿真和红外热像仪测试相结合的方式分析了微流道网络结构、流体质量流量、雷诺数、材料热导率对内嵌微流道LTCC基板换热性能的影响,实验结果表明：当去离子水的流量为10 mL/min,热源等效功率为2 W/cm2时,直排型微流道的LTCC基板最高温度在3.1 kPa输入泵压差下能降低75.4 ℃,蛇型微流道的LTCC基板最高温度在85.8 kPa输入泵压差下能降低80.2 ℃,螺旋型微流道的LTCC基板最高温度在103.1 kPa输入泵压差下能降低86.7 ℃。在三种微流道中,直排型微流道具有最小的雷诺数,在相同的输入泵压差下有最好的散热性能。窄的直排型微流道（0.4 mm）在相同的流道排布密度和流体流量时比宽的微流道（0.8 mm）能多降低基板温度10 ℃。此外,提高封装材料的热导率有助于提高微流道的换热性能。     

Viscoelastic modes in chiral liquid crystals

Viscoelastic properties of liquid crystals are very important for applications like display technology. However, there are not many direct techniques to study them. In this review, we describe our studies on the viscoelastic modes of some chiral liquid crystals using dynamic light scattering. We discuss viscoelastic modes corresponding to the C director fluctuations in the chiral smectic C phase and the behaviour of the Goldstone-mode near the chiral smectic C-smectic A phase transition. In cholesteric liquid crystals, we consider the director fluctuations in a wavevector range comparable to the inverse pitch of the cholesteric. Here, the study of the scattered light in the vicinity of the Bragg reflection using a novel geometry will be presented.     

随机粗糙微通道内流动特性研究

采用计算流体动力学的方法, 研究了微通道内气体在速度滑移和随机表面粗糙度耦合作用下的流动特性. 其中, 利用二阶速度滑移边界条件描述气体的边界滑移, 利用分形几何学建立随机粗糙表面. 研究发现, 综合考虑二阶速度滑移边界条件和随机表面粗糙度在较大的平均Knudsen数范围内 (0.025-0.59) 得到的计算结果与实验数据符合得很好, 而一阶速度滑移边界条件只在平均Knudsen数较小时(<0.1)符合实验结果. 随机表面粗糙度对气体在边界处的滑移有显著影响, 相对粗糙度越大, 速度滑移系数越小. 并针对计算结果, 给出了滑移系数与相对粗糙度近似满足的关系. 随机粗糙表面对气体流动过程中的压强、速度、Poiseuille数也有显著影响. 关键词： 随机表面粗糙度 二阶速度滑移边界条件 分形 微通道     

非均匀波导中的声聚焦

理论研究了声波在非均匀波导中的空间聚焦问题,利用多模态导纳法构建波导内任意位置处声压与入射声压在模态域的映射关系,计算使声波聚焦于空间某位置时的最佳入射波,并画出了相应的聚焦声场.研究了三种非均匀情况:水平变截面波导、含散射体波导以及声速垂直变化波导.结果表明,当输入最佳入射波时,在非均匀波导中可以产生良好的单点或多点声聚焦效果,声波的聚焦过程充分地利用了波导结构及介质非均匀性对声波的散射作用.