生物芯片中周期性电渗驱动液体薄膜的流动特性

研究了二维周期性电渗驱动液体薄膜的流动特性. 以Debye-Hückel 假设近似下线性化的Poisson-Boltzmann方程描述双电层电动势分布和电荷密度的分布关系, 与黏性不可压缩流体Navier-Stokes方程相耦合, 得到流体在自由面与固壁之间的周期电渗流流场的精确解. 结果显示, 薄膜内速度振幅与流体黏性密切相关, 雷诺数越大, 速度振幅就越小. 该文还细致分析了雷诺数和自由面ζ电势对自由面的流速振幅和薄膜内速度相位差的影响.     

自由液压流体流动问题的数值分析研究

对国内外具有自由液面的流体流动问题研究的数值求解方法进行了较为全面的评述。文中首先讨论了自由液面流体流动问题的数值求解方法，包括差分法、有限元法和边界元法等，然后说明了自由液面的跟踪和网格更新等问题。     

贮液容器水动弹性分析的伽辽金有限元——自由界面模态综合方法

本文提出一种计算弹性容器——有自由面贮液流固耦合系统的固有振动模态和液体动压力、自由液面位移及容器弹性变形对地震等激励的响应的伽辽金有限元——自由界面模态综合方法,着重处理旋成贮液容器的水动弹性问题。该方法计及全部流固动力耦合效应,但显著压缩了计算规模,计算结果与试验符合得很好。当需要在多种贮液深度进行贮液容器的水动弹性分析时,本方法尤其经济有效。     

流体晃动时域双协边界元法分析

利用双协边界元法在时域内对流体晃动问题进行分析,推导出边界积分方程及相应的边界条件。分析过程中考虑流体的粘性,自由面上的动力学条件为法向正应力和切向剪应力为零。固壁面上采用流体质点与固壁质点速度相等的条件。时域的离散采用差分法,并利用时间步迭代,逐步追踪流体自由面,在流体的不断变动的边界上考虑其边界条件。数值结果表明本文的双协边界元法是可行的。     

自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能, 特别是近水面航行时, 自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证; 随后,用验证后的模型试验方法对潜艇尾流场进行测量,得到不同潜深工况、不同速度下的桨盘面轴向速度以及脉动速度,同时辅以数值模拟对试验无法测得的兴波波系及中纵剖面速度场加以补充,从兴波角度阐述了自由面对潜艇尾流场流动特性影响机理. 研究结果表明:潜艇在近水面航行时, 随着Fr增大,桨盘面处轴向速度云图中上方等值线整体趋于扁平化, 较4D潜深工况,1.5D潜深工况出现局部脉动速度极大值, 且脉动速度结构整体下移; 自由面存在时,艇体与自由面间流场速度明显增大, 特别在桨盘面区域, 流场速度明显提升.随着Fr增大, 桨盘面处的自由液面高度逐渐降低,这就导致了桨盘面位置出现更大的流体速度, 即造成了桨盘面伴流场挤压现象.      

液滴冲击液面过程中变形特征的实验研究

用高速相机拍摄了液滴以不同速度冲击液面的运动过程,测量了冲击过程中典型时刻液坑、中心液柱、次生液滴和次生液柱的几何尺寸,对这些几何尺寸的最大值与韦伯数(We)的关系进行了回归分析,结果表明:空间上,液坑的最大垂直深度、液坑的最大水平长度、中心液柱的最大高度、次生液滴等效直径和次生液柱的最大高度随We数增加呈线性增加;次生液滴等效直径是初始液滴等效直径的1.2～2倍;当200We220时,次生液滴冲击液面没有次生液柱生成,当360We713时,有次生液柱形成,220≤We≤360为过渡区;时间上,We数越大,运动过程中液坑的大小和中心液柱的高度变化越快,液坑和中心液柱持续时间越长,中心液柱达到最大高度的时刻以及破碎生成次生液滴的时刻也越晚。     

Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性分析

热毛细对流是流体界面温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动.它主要存在于空间等微重力环境或小尺度流动等表面张力占主导的情况中.在很多工业领域,如晶体生长、聚合物加工、喷墨打印、微流控,产品质量都与热毛细对流密切相关.空间3D打印是太空制造的重要技术,可以支持空间站的在轨长期有人照料的运行和维护,实现按需制造.本文以聚合物流体的空间3D打印为应用背景,采用线性稳定性理论研究了Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性,得到了在不同Bingham数(B)下的临界Marangoni数(Mac)与Prandtl数(Pr)的函数关系,分析了临界模态的流场和能量机制.研究发现:该流动的临界模态包括流向波和斜波模态,与B, Bi和两界面垂直方向上的温差(Q)相关. B和Bi的增加会增强热毛细对流的稳定性.当Q=0时,扰动温度分布分成对称和反对称两种情况.当Q> 0时, Pr的增加会减弱流动稳定性.在小Pr情况下,扰动温度分布在整个流场,在大Pr情况下,扰动温度在栓塞区为零.能量分析表明:扰动动能的主要能量来源是表面张力做功,但小Pr数下基本流也有一定贡献.     

防波板对罐车模型内液体晃荡影响的试验研究

罐车属于典型的移动式压力容器,在危险化学品运输中占有重要的地位。研究防波板对罐车液体晃荡产生冲击载荷的影响对于罐车的设计、防翻滚等具有重要意义。本文针对典型罐车模型进行试验,研究了载液高度、激励频率、激励幅值对液体晃荡引起的冲击载荷的影响,对比分析了有无防波板时自由液面的形状、罐车端面和防波板位置的冲击载荷峰值。试验结果发现：防波板会改变自由液面的固有频率,自由液面剧烈晃动的激励频率较无防波板时增大;防波板能有效降低相同激励频率和激励幅值下的冲击载荷峰值。在试验的激励频率范围内,中等载液高度时,防波板自由液面处的冲击载荷峰值大于同高度的罐车端面;高载液工况下,在自由液面以下的位置,罐车端面受冲击载荷峰值变化比防波板明显。在本研究基础上,通过实际罐车参数和液体晃动数值模拟,可对罐车和防波板的结构设计和优化提供指导。

     

三维波浪-流-串行桩柱相互作用的数值分析

为探讨波浪-流-串行桩柱的相互作用,建立了三维数值模型,采用大涡模拟(LES)方法对湍流进行模拟。研究了波浪-流-串行桩柱相互作用下的拖曳系数,对波浪-流靠近结构时的非线性相互作用引起的拖曳力和涡的变化,以及在结构前后自由面的变化进行了分析,并且与波浪-流与孤立桩柱相互作用的研究进行比较。结果表明:由于桩柱的存在,在波浪-流的传播过程中出现了时间延迟,这就导致了桩柱前后附近自由面水位存在较大的位移差;由于桩柱之间互相干扰,下游桩柱的存在导致上游桩柱附近不能形成非对称的周期性涡脱落,上游桩柱横向拖曳力受到影响最大,顺方的拖曳力也受到明显影响;下游桩柱横向和顺向的拖曳力都受到较大的影响;同时涡的脱落会把其附近的自由面吸入。     

冲击加载下K9玻璃中预制缺陷对样品后界面速度影响的数值模拟

用数值模拟方法研究K9玻璃中的预制缺陷对自由面粒子速度的影响。K9玻璃以317m/s速度碰撞带有缺陷的K9玻璃靶板,自由面粒子速度历史曲线表明没有破坏波出现,计算结果和实验结果符合较好。同时模拟研究了缺陷位置和缺陷大小对自由面粒子速度的影响,计算结果表明,不同位置和大小的缺陷对自由面粒子速度影响较大。     

Nonlinearity in Fluid Resonances

This paper reviews the simplest mathematical theories that have been advanced to describe the effects of nonlinearity on fluid resonance in two paradigm situations, namely gas oscillating in a container and water sloshing in a tank. These configurations illustrate what can happen when nonlinearity competes with geometrical asymmetry, dispersion or various kinds of damping in limiting the resonant response. In all situations the qualitative form of the response depends crucially on whether or not the natural frequencies of the system are rationally related to each other. Sommario. Questo lavoro passa in rassegna le più semplici teorie matematiche disponibili per la descrizione degli effetti delle nonlinearità sulla risonanza dei fluidi in due situazioni paradigmatiche, un gas oscillante in un recipiente e l'acqua oscillante in una vasca. Queste configurazioni illustrano le situazioni che possono verificarsi quando le nonlinearità competono con l'asimmetrica geometrica, la dispersione o diversi tipi di smorzamento, nel limitare la risposta risonante. In tutte le situazioni, gli aspetti qualitativi della risposta dipendono in modo cruciale dall'esistenza o meno di rapporti razionali fra le frequenze naturali del sistema.     

流体力学与国土安全

国土安全涉及到流体力学的广泛应用, 并为其研究发展提供了诸多机遇. 本 评论选择列举了流体力学在反恐领域的各类课题, 还建议了今后的研究方向. 课题范围从防 备、遏制策划中的恐怖袭击, 一直到探测、应对和恢复. 具体的内容则包括飞机加固, 爆炸 缓冲, 传感器取样, 爆炸物探测, 微流控和芯片实验室, 城市环境中化学羽流弥散以及建筑 物通风等. 此外, 本文还讨论了蒸气羽流与远距探测, 非致命武器, 疾病空气传播, 人员防 护装备以及污染移除问题. 涉及这类的应用, 要求流体力学家跨越传统领域的边界, 进行交 叉学科研究, 特别是要结合化学、生物学、气溶胶学与大气科学协同工作.     

Qualitative Questions in Fluid Mechanics

In this paper in honour of Professor Leen van Wijngaarden, some propositions about fluid mechanics are discussed. First, basic fluid mechanics research should be judged as much by its progress in clarifying the essential questions about the phenomena of fluid flow and in establishing general concepts, as by its contribution to the solutions of specific problems. In fact, the latter often contribute to the former. Both aspects attract good students to the subject.Second, researchers make more progress and are likely to impress a journal editor when they relate their problems to general physical and/or mathematical considerations, and when they analyse and present their results in a wide but fluid mechanically relevant context, for example through symmetry considerations, invariants (including dimensionless groups, scaling laws and topological constraints), differential properties (or jumps, wiggles and swirls), and through raising new questions and concepts of general significance from studies of specific flows.Lastly, decisions by organisations and individuals about future research directions also benefit from being considered in a wide conceptual framework.     

管道液流的压力共振

本文给出始端为正弦脉动，末端为开启或关闭的管道液流的解析解。     

Fluid flow in charged nanotubes

The dynamics of fluid flow through nanochannels is different from those in macroscopic systems. By using the molecular dynamics simulations, we investigate the influence of surface polarity of nanotube on the transport properties of the water fluid. The nanotube used here resembles the carbon nanotube, but carries charges of q on some atoms; overall, the nanotube is charge-neutral. Our simulation results show that water flux decreases sharply with the increasing of q for q < 1.6 e; however, the water flux for shells far away from nanotube wall increases slightly when q > 1.6 e. The mechanism behind the interesting phenomenon is discussed. Our findings may have implications for development of nano-fluidic devices and for understanding the movement of confined fluid inside the hydrophilic nanochannel.     

Fluid flow in curved ducts

The advent of standard algorithms for the numerical solution of partial differential equations has given researchers a new tool for fluid flow calculations. In this paper, single-phase flow in curved ducts is numerically simulated by imposing a spatially varying centrifugal force on a fluid flowing in a straight tube. The resulting set of partial differential equations is solved using the HARWELL-FLOW3D computer program. Comparison with other numerical and experimental results shows that this simplified formulation gives accurate results. The model neglects certain geometric terms of the order d/D, the duct-to-coil diameter ratio. The effect of these terms is investigated by considering the flow in a 90° bend for large d/D. It is shown that while there may be significant error in the prediction of the local variables for large d/D, the circumference-averaged quantities are well predicted.