亚微米燃烧源颗粒物间的相互作用研究

采用微观可视化的高速摄像技术直接观察了燃烧源亚微米颗粒物间的相互作用形态,发现了亚微米颗粒间存在“吸引-旋绕-排斥”形态的相互作用。通过颗粒受力分析,认为传统所考虑的曳力、重力、库仑力、范德华力不能解释这种相互作用．根据亚微米颗粒荷电的不均匀性特征提出颗粒静电力应包括净电荷库仑力和感应偶极子间作用力两部分．感应偶极子间作用力是近程力,具有径向和周向两个方向,在颗粒比较接近的时候迅速增大,并能导致颗粒之间相互旋绕和排斥。该力与上述几种力综合起来可以很好地解释实验发现的这种颗粒相互作用形态。     

驻波声场中单分散细颗粒的相互作用特性

利用外加声场促进悬浮在气相中的细颗粒发生相互作用,进而引起颗粒的碰撞和凝并,使得颗粒平均粒径增大、数目浓度降低,是控制细颗粒排放的重要技术途径.为探究驻波声场中单分散细颗粒的相互作用,建立包含曳力、重力、声尾流效应的颗粒相互作用模型,采用四阶经典龙格-库塔算法和二阶隐式亚当斯插值算法对模型进行求解.将数值模拟得到的颗粒声波夹带速度和相互作用过程与相应的解析解和实验结果进行对比,验证模型的准确性.进而研究颗粒初始条件和直径对相互作用特性的影响.结果表明,初始时刻颗粒中心连线越接近声波波动方向、颗粒位置越接近波腹点,颗粒间的声尾流效应就越强,颗粒发生碰撞所需要的时间就越短.研究还发现,颗粒直径对颗粒相互作用的影响取决于初始时刻颗粒中心连线偏离声波波动方向的程度.当偏离较小时,颗粒直径越大,颗粒发生碰撞所需要的时间越短;当偏离很大时,直径较小的颗粒能够发生碰撞,而直径较大的颗粒则无法发生碰撞.     

外加液滴条件下固体细颗粒声凝并特性

外加声场激励下固体细颗粒的声凝并在燃烧污染物超低排放中具有应用潜力,添加大粒径液滴有望提高细颗粒声凝并效果.本文从颗粒运动、碰撞、凝并与反弹的动力学过程出发,基于直接模拟蒙特卡罗方法,建立气相中液滴与固体颗粒共存的气-液-固三相体系的声凝并模型,对外加液滴条件下固体细颗粒声凝并的过程和效果开展数值模拟.将模拟结果与实验相对比,验证模型可靠性.在此基础上,探究外加液滴条件下细颗粒声凝并动力学行为,考察外加液滴直径和数目浓度对细颗粒声凝并效果的影响规律.结果表明,外加液滴条件下,固体细颗粒迅速与大粒径液滴凝并,形成液-固混合相颗粒,细颗粒凝并效率显著提升.外加液滴直径和数目浓度是影响细颗粒声凝并的重要因素,随着直径的增大或数目浓度的提高,细颗粒凝并效率增大,而增幅趋于减小.研究结果可为复杂颗粒系统凝并模型的建立提供理论基础,并可为燃烧源细颗粒超低排放提供方法指导.     

方腔内Cu/Al2O3水混合纳米流体自然对流的格子Boltzmann模拟

纳米流体作为一种较高的导热介质,广泛应用于各个传热领域.鉴于纳米颗粒导热系数和成本之间的矛盾,本文提出了一种混合纳米流体.为了研究混合纳米流体颗粒间相互作用机理和自然对流换热特性,在考虑颗粒间相互作用力的基础上,利用多尺度技术推导了纳米流体流场和温度场的格子Boltzmann方程,通过耦合流动和温度场的演化方程,建立了Cu/Al2O3水混合纳米流体的格子Boltzmann模型,研究了混合纳米流体颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布.发现在颗粒间相互作用力中,布朗力远远大于其他作用力,温差驱动力和布朗力对纳米颗粒的分布影响最大.分析了纳米颗粒组分、瑞利数对自然对流换热的影响,对比了混合纳米流体(Cu/Al2O3-水)与单一金属颗粒纳米流体(Al2O3-水)的自然对流换热特性,发现混合纳米流体具有更强的换热特性.     

方腔内Cu/Al2O3水混合纳米流体自然对流的格子Boltzmann模拟

纳米流体作为一种较高的导热介质, 广泛应用于各个传热领域. 鉴于纳米颗粒导热系数和成本之间的矛盾, 本文提出了一种混合纳米流体. 为了研究混合纳米流体颗粒间相互作用机理和自然对流换热特性, 在考虑颗粒间相互作用力的基础上, 利用多尺度技术推导了纳米流体流场和温度场的格子Boltzmann方程, 通过耦合流动和温度场的演化方程, 建立了Cu/Al₂O₃水混合纳米流体的格子Boltzmann模型, 研究了混合纳米流体颗粒间的相互作用机理和纳米颗粒在腔体内的分布. 发现在颗粒间相互作用力中, 布朗力远远大于其他作用力, 温差驱动力和布朗力对纳米颗粒的分布影响最大. 分析了纳米颗粒组分、瑞利数对自然对流换热的影响, 对比了混合纳米流体(Cu/Al₂O₃-水)与单一金属颗粒纳米流体(Al₂O₃-水)的自然对流换热特性, 发现混合纳米流体具有更强的换热特性.     

气固稀相流中颗粒沉积和聚集的分子动力学模拟

本文在分子动力学模拟基础上采用了考虑黏附作用的JKR理论取代传统Hertz理论作为颗粒间作用力,并吸取了DEM中滑动摩擦、滚动摩擦和扭动摩擦的思想建立一种细颗粒碰撞和团聚过程的多时间尺度粒子动力学模拟方法.成功地实现了颗粒在纤维上沉积过程的模拟,结果表明微米颗粒的Van der Waala力量纲约是曳力2～10倍,中心流线附近颗粒更易于在纤维上沉积,初始沉积的颗粒则会在纤维上形成"遮挡"效应.     

考虑多颗粒近程相互作用的电流变液泊肃叶流动行为

考虑多颗粒近程相互作用,利用等效平板电导模型,由分子动力学方法模拟了电流变液泊肃叶流动行为.研究结果表明在外电场作用下,流动流体形成柱塞区的时间比由偶极子模型所得结果大为缩短,呼吸式跃迁峰值也有很大提高.依据颗粒在接触区的相互作用解释了跃迁区的形成.模拟出三维颗粒运动速度剖面和颗粒结构状态演化过程 关键词： 电流变液 多相互作用 泊肃叶流动     

用光学方法研究玻璃微珠电流变液颗粒间的相互作用

运用一套适合研究颗粒间相互作用的双光镊系统,通过对粒聚集时间的测量,得出颗粒聚集时间和电场的平方成反比。这是第一次用电流变液颗粒在动态情况下直接验证电偶极子对间的相互作用。发展了一套使用高速CCD摄像机进行扩散波谱（DWS）测量的方法,首次实时测量具有颗粒结构的非各态历经体系的自相关函数,以研究电流变液机理,得到了玻璃微珠电流变液的结构响应时间和力和响应时间;测量了不同电场下体系相关函数的特征衰减时间随时间的变化。在不同电场下测量扩散系数可以反映出相互作用力与电场的平方成正比。     

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.     

流化床内超细颗粒的流动

基于气体分子运动论和颗粒动理学,建立超细颗粒气固两相湍流流动模型,模型考虑了气相与颗粒聚团之间以及颗粒聚团之间的动量和能量的传递和耗散。建立超细颗粒固相粘性系数、超细颗粒压力等物性参数计算模型。超细颗粒的聚团改变了单颗粒碰撞动力学以及颗粒相压力、粘性系数等输运特性。模型模拟计算颗粒聚团直径分布与Zhaolin等[1]实测值相吻合。     

基于光滑粒子动力学方法的液滴冲击固壁面问题数值模拟

采用改进的光滑粒子动力学(SPH)方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 为了提高传统SPH方法的计算精度和数值稳定性, 在传统的SPH方法的基础上对粒子方法中的密度和核梯度进行了修正, 采用了考虑黎曼解法的SPH流体控制方程, 构造了一种新型的粒子间相互作用力(IIF)模型来模拟表面张力的影响. 应用改进的SPH方法对液滴冲击固壁面问题进行了数值模拟. 计算结果表明：新型的IIF 模型能够较好地模拟表面张力的影响, 改进的SPH方法能够精细地描述液滴与固壁面相互作用过程中液滴的内部压力场演变和自由面形态变化, 液滴的铺展因子随初始韦伯数的增大而增大, 数值模拟结果与实验得到的结果基本一致. 关键词： 液滴 固壁面 光滑粒子动力学 表面张力     

Microstructure of Silica Particle Monolayer Films Formed by Capillary immersion Force

We have investigated the effect of inter-particle repulsion and particle–substrate interaction on the microstructure of silica particle monolayer films fabricated by an evaporation-induced self-assembly method as a function of surface coverage. Suspensions of mono-dispersed colloidal silica particles (106 nm diameter) without binders cast on PET substrates by bar coating were evaporated under a fixed condition to give two-dimensional particle films. The inter-particle repulsion was controlled by zeta potential of the particle suspensions. The particle–substrate interaction was varied by the surface treatment of the substrates by argon radio frequency plasma. The self-assembled microstructure was observed by atomic force microscopy (AFM) and quantitatively evaluated by Voronoi analysis in terms of particle order and domain quality. In all the conditions attempted, the microstructure improved with the increase of surface coverage (_C). However, little difference in the correlation between _C and the microstructure due to the experimental conditions was observed until _C reached about 0.6, where both particle order and domain quality of more inter-particle repulsion (higher absolute value of zeta potential) began to exceed those of less inter-particle repulsion only when the substrates with less particle–substrate attraction (substrates with no surface treatment) were used. These results were consistent with the AFM observation. By considering a feasible model for the process, it could be inferred that the microstructure dependence on the inter-particle repulsion originated from a leap in the frequency of inter-particle collision at a critical value of _C (=49/750.65 in the model). We found that stronger inter-particle repulsion and weaker particle–substrate attraction were preferable for the better microstructure above the critical _C of about 0.6.     

风沙跃移中颗粒与多粒径床面碰撞的数值模拟

采用考虑颗粒碰撞的欧拉-拉格朗日数值模拟方法,对风沙跃移中颗粒冲击多粒径床面的碰撞过程进行了数值计算。在模型中,对气相采用欧拉方法建立控制方程,对离散颗粒采用拉格朗日方法模拟,颗粒间碰撞作用采用软球模型描述。计算结果表明该模型可以模拟风沙运动中颗粒冲击多粒径床面的动态运动过程。而且在多粒径非均匀床面上的颗粒起跳具有较大的随机性。这有助于进一步揭示风沙运动中颗粒碰撞起跳机理。     

基于超二次曲面的颗粒材料缓冲性能离散元分析

自然界或工业中普遍是由非球形颗粒组成的复杂体系,与球形颗粒相比,非球形颗粒间的高离散和咬合互锁可使冲击载荷引起的能量有效衰减实现缓冲作用.基于连续函数包络的超二次曲面单元能准确地描述非球形颗粒的几何形态,并可精确地计算单元间的接触碰撞作用.本文采用离散元方法对冲击载荷作用下非球形颗粒物质的缓冲性能进行数值分析,并与圆柱体冲击的理论结果和球体冲击的实验结果进行对比验证.在此基础之上,进一步研究了筒底作用力在不同颗粒层厚度和形状等因素影响下的变化规律.计算结果表明:不同颗粒形状都存在一个临界厚度H_c.当HH_c时,缓冲率随H的增加而增加;当HH_c时,缓冲率的变化不再显著并趋于稳定值.此外,减小颗粒表面尖锐度和增加或减小圆柱形和长方形颗粒的长宽比都会提高颗粒材料的缓冲效果.     

The collision efficiency of spherical dioctyl phthalate aerosol particles in the Brownian coagulation

The collision efficiency in the Brownian coagulation is investigated. A new mechanical model of collision between two identical spherical particles is proposed, and a set of corresponding collision equations is established. The equations are solved numerically, thereby obtaining the collision efficiency for the monodisperse dioctyl phthalate spherical aerosols with diameters ranging from 100 to 760 nm in the presence of van der Waals force and the elastic deformation force. The calculated collision efficiency, in agreement with the experimental data qualitatively, decreases with the increase of particle diameter except a small peak appearing in the particles with a diameter of 510 nm. The results show that the interparticle elastic deformation force cannot be neglected in the computation of particle Brownian coagulation. Finally, a set of new expressions relating collision efficiency to particle diameter is established.     

对利用动态光散射法测量颗粒粒径和液体黏度的改进

光散射技术通过测量悬浮液中布朗运动颗粒的平移扩散系数,得到颗粒流体力学直径或液体黏度.本文由单参数模型入手,建立了低颗粒浓度下,单颗粒平移扩散系数与颗粒集体平移扩散系数和颗粒浓度之间的线性依存关系并将其引入光散射法中,从而对现有的测量方法进行了改进.改进后的测量方法可实现纳米尺度球型颗粒标称直径的测量和液体黏度的绝对法测量.以聚苯乙烯颗粒+水和二氧化硅颗粒+乙醇两个分散系为参考样本,通过实验,验证了改进后方法的可行性.此外,还针对上述两个分散系,实验探讨了温度和颗粒浓度对颗粒集体平移扩散系数的影响规律,发现聚苯乙烯颗粒+水分散系中,颗粒间相互作用表现为引力;二氧化硅颗粒+乙醇分散系中,颗粒间相互作用表现为斥力.讨论了颗粒集体平移扩散系数随颗粒浓度变化规律与第二渗透维里系数的关系.     

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。     

循环床内气固两相流中稠密颗粒间碰撞的数值模拟

循环床内部的流动属于复杂不均匀的稠密气固两相流，稠密颗粒间的相互作用是影响颗粒运动和浓度分布的不可忽视的重要因素。本文采用直接模拟Monte－Carlo算法（DSMC算法）来模拟颗粒间的相互碰撞过程，并与随机轨道模型结合起来综合考虑湍流和颗粒碰撞对颗粒运动和浓度分布的影响，模拟结果预报了床内分层流动结构和颗粒在稀相区的不均匀分布，计算结果与实验定性符合。     

Particle captured by a field-modulating vortex through dielectrophoresis force

In microfluidic technology, dielectrophoresis (DEP) is commonly used to manipulate particles. In this work, the fluid-particle interactions in a microfluidic system are investigated numerically by a finite difference method (FDM) for electric field distribution and a lattice Boltzmann method (LBM) for the fluid flow. In this system, efficient particle manipulation may be realized by combining DEP and field-modulating vortex. The influence of the density ($\rho_{\rm p}$), radius ($r$), and initial position of the particle in the $y$ direction ($y_{\rm p0}$), and the slip velocity ($u_{0}$) on the particle manipulation are studied systematically. It is found that compared with the particle without action of DEP force, the particle subjected to a DEP force may be captured by the vortex over a wider range of parameters. In the $y$ direction, as $\rho_{\rm p}$ or $r $ increases, the particle can be captured more easily by the vortex since it is subjected to a stronger DEP force. When $u_{0}$ is low, particle is more likely to be captured due to the vortex-particle interaction. Furthermore, the flow field around the particle is analyzed to explore the underlying mechanism. The results obtained in the present study may provide theoretical support for engineering applications of field-controlled vortices to manipulate particles.