气固多相反应流中的煤粉颗粒相能量方程

为了合理地预测燃烧装置内煤粉颗粒的燃烧行为,从多相反应流中一般形式的颗粒相能量方程出发,导出了煤粉颗粒相的能量方程,给出了方程中反映相变引起的气固相间相互作用的源相的具体表达式,与此同时还给出了气相能量方程中代表相间相互作用的颗粒源项的一种计算式．     

纳米颗粒多相流体动力学研究及应用

纳米颗粒多相流研究是目前多相流研究中新的研究方向及重点发展领域.为探索纳米尺度多相流相间作用机理及内部存在机制,采用理论分析及数值计算手段,对一般动力学方程的封闭处理、颗粒碰撞率宏观模型的有效构建、颗粒凝并系统动力学演变特性的机理分析、非稀相问题碰撞率的求取、双变量问题求解方法的建立以及一些实际应用进行了系统研究,提出了新的针对纳米尺度颗粒动力学演变的一般动力学方程求解方法,并将其应用于实际工业过程问题的研究.该文对上述研究工作进行了综述.     

稀疏两相湍流的惯性颗粒倾向性弥散

气相采用大涡模拟、颗粒相采用拉格朗日轨道模型的方法对后台阶突扩流、充分发展槽道流和圆湍射流3种典型的稀疏气固两相流动进行了数值模拟,研究了颗粒倾向性弥散的特征和规律. 研究表明颗粒的跟随性和倾向性相联系,颗粒惯性和大涡结构同时决定颗粒的倾向性分布特征. Stokes数量级为1(气相时间参考尺度取为宏观特征时间尺度)左右的颗粒,倾向性分布特征最强烈. 颗粒倾向分布于低涡量(或是低脉动速度)的湍流区域.      

惰性颗粒抑爆过程的数值模拟

对高温火球诱导的爆炸及惰性颗粒的抑爆过程进行了数值研究。由于扰动特征时间 ,两相弛豫特征时间和化学平衡特征时间的差异 ,这种带激波的两相化学反应流守恒方程具有刚性。利用处理包括组元守恒方程的全耦合TVD格式和可处理方程源项的Lax Wendroff Rubin格式分别求解气相和颗粒相 ,并根据各特征时间的比值用分步法处理方程的刚性。计算结果反映了均温燃烧火球在可燃环境中形成加速火焰和激波 ,进而成长为爆轰波的过程 ,以及惰性颗粒对爆轰波的抑制过程 ,反映了激波、化学反应和惰性颗粒之间的相互作用和耦合。计算结果表明 ,仅当颗粒浓度大于某值时才能有效抑制爆轰 ,否则无论多大的颗粒散布区域 ,皆不能使爆轰波完全抑制 ,爆轰波或是在其中发展为两相爆轰波 ,或是穿越该区域后重新成长为气相爆轰。     

雾层两相耦合流场及气溶胶颗粒物的动力学性质

雾层气溶胶系统涉及复杂的动力学演变过程:碰撞、凝并、破碎、冷凝/蒸发、成核、沉积、表面化学反应等.因此,发展雾层与气相流场耦合的Eulerian-Lagrangian两相流模型、颗粒动力学及随机轨道模型,考虑重力、曳力、布朗力、Basset力等对颗粒相的作用.基于SIMPLE和多重Monte Carlo算法求解颗粒群平衡方程,自行开发了FAD程序首先对室内燃烧源细微颗粒物的扩散实验展开数值模拟,计算结果与实验数据吻合较好.将建立的模型和方法数值研究气溶胶污染物在雾环境中的输运过程,分析雾消散阶段颗粒相浓度、平均尺度的时空分布.结果显示:当时间演化至60 min,雾滴的平均尺度减小到初始的65.67％,而气溶胶颗粒最大数目对应的尺度为0.006 μm.     

大速差射流预燃室内三维回流两相湍流的数值模拟

本文由多流体两相流模型、气相湍流κ-ε模型和颗粒湍流代数模型出发,成功地模拟了真实形状大速差射流预燃室中三维湍流回流两相流动,得到了这类复杂的气固两相流中不同纵横截面上气相速度场、颗粒速度场及浓度场和两相湍流度场的分布,并且获得了与实验定性一致的合理结果,揭示了预燃室中气固两相流动与混合的主要物理特征,探讨了大速差射流技术稳焰和强化燃烧的两相流动机理。     

大速差射流预燃室内三维回流两相湍流的数值模拟

本文由多流体两相流模型、气相湍流κ-ε模型和颗粒湍流代数模型出发,成功地模拟了真实形状大速差射流预燃室中三维湍流回流两相流动,得到了这类复杂的气固两相流中不同纵横截面上气相速度场、颗粒速度场及浓度场和两相湍流度场的分布,并且获得了与实验定性一致的合理结果,揭示了预燃室中气固两相流动与混合的主要物理特征,探讨了大速差射流技术稳焰和强化燃烧的两相流动机理。     

APS—RS型高速相机在气相爆轰实验中的应用研究

基于气相燃烧转爆轰机理研究,探索利用APX-RS型高速数字相机测量氢氧混合气体在电火花点火后的火焰和前驱冲击波的变化历程,获得火焰加速以及冲击波的产生与成长过程的高速摄影图像;计算了不同位置的前驱冲击波参数和气体状态参数;分析了燃烧转爆轰机制。结果表明：APX—RS型高速相机可以成功地拍摄气相燃烧转爆轰过程,并获得氢氧混合气体燃烧转爆轰为局部爆炸机制。     

甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播特性

为揭示甲烷/煤尘复合爆炸火焰的传播机理,利用气粉两相混合爆炸实验系统,在低于甲烷爆炸下限条件下,采用高速摄影机记录火焰传播图像,通过热电偶采集火焰温度,研究了煤尘种类以及甲烷体积分数对甲烷/煤尘复合火焰传播特性的影响。结果表明:挥发分是衡量煤尘燃烧特性的主导因素;随着煤尘挥发分的升高,燃烧反应增强,火焰传播速度升高,火焰温度升高;挥发分含量差异较小时,水分含量越低,燃烧反应越剧烈;在相同条件下,焦煤的燃烧反应强度最高,其次为长焰煤,最后为褐煤;随着甲烷体积分数的增加,煤尘颗粒的燃烧可由释放挥发分的扩散燃烧转变为气相预混燃烧,燃烧反应增强,火焰传播速度和火焰温度显著升高;热辐射和热对流作用促进煤尘颗粒热解,释放挥发分进行燃烧反应,维持复合火焰的持续传播;随着混合体系中甲烷体积分数的增加,混合爆炸机制由粉尘驱动型爆炸转为气体驱动型爆炸,燃烧反应增强;甲烷/煤尘复合爆炸火焰可由未燃区、预热区、气相燃烧区、多相燃烧区和焦炭燃烧区5部分组成,湍流扰动导致燃烧介质空间分布存在差异,使得燃烧区无规则交错分布。     

Bi-Pb-Sn-Cd四元合金纳米微粒的制备及其摩擦磨损性能研究

通过直接对Bi-Pb-Sn-Cd四元块状合金进行超声分散制备了相应的四元合金纳米微粒;采用X射线衍射仪和热分析仪分析所制备的纳米微粒结构;采用透射电子显微镜考察了纳米颗粒的形貌及尺寸分布;采用四球摩擦磨损试验机考察了纳米颗粒的摩擦学性能.结果表明,所制备的纳米颗粒为低熔点共晶合金纳米微粒,颗粒平均尺寸在10～20 nm之间,其作为润滑油添加剂表现出良好的摩擦学性能.     

颗粒介质固-流态转变的理论分析及实验研究

颗粒介质由大量离散的颗粒聚集而成,因而与传统固体和流体不同,运动过程中的颗粒介质中可能同时存在多种流态及其相互间复杂的转换过程. 颗粒介质弹性失稳机理、不可恢复应变量化是研究颗粒介质固态和流态及固-流态转变的关键. 在前期建立的双颗粒温度热力学(two-granular-temperature, TGT) 理论基础上,确定了颗粒介质的弹性稳定性条件,建立了不可恢复应变流动法则,搭建了描述颗粒固态-液态及其相互转化的简单模型. 颗粒堆积体坍塌过程是典型的颗粒介质固态和流态及其转变过程,因此本文首先开展了25 167 个陶颗粒堆积体坍塌过程的实验研究,并使用基于TGT 理论的物质点方法和离散元方法对物理实验进行了模拟. 结果表明,模型数值结果与物理实验在颗粒堆坍塌过程中的形态、速度分布等细节上吻合很好,同时也发现了现阶段所使用的物质点方法和TGT 理论的不足. 初步说明TGT 理论可以实现颗粒介质固态和流态,以及状态转变的描述.      

爆轰法合成碳包覆纳米铜颗粒

以硝酸铜和柠檬酸制成的干凝胶为主要反应物,加入油酸有机碳源和黑索今炸药,在氮气保护气 氛下在爆炸容器中引爆,成功地合成了碳包覆纳米铜颗粒。分别采用X射线衍射、透射电镜对产物形貌特征 进行表征。结果表明,在爆轰产物中富含碳包覆纳米铜颗粒,产物呈圆球体,具有完好的核壳结构形貌,颗粒 粒径在10~40nm 之间,外层碳壳结构主要由无定型碳和石墨构成。并对爆轰法合成碳包覆纳米铜颗粒的 形成机理进行了分析。     

碳酸钙纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂的摩擦学性能研究

采用碳酸钙纳米颗粒与全氟聚醚型超分子凝胶复合得到了一种新型的纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂. 超分子凝胶具有错综复杂的网络结构,有效地提高了碳酸钙纳米颗粒在全氟聚醚润滑油中的分散稳定性. 此外,碳酸钙纳米颗粒作为添加剂极大地提高了超分子凝胶的润滑性能,使其表现出较好的耐高温性能,以及较高的承载力. 采用差式扫描量热仪、热重分析仪和流变分析仪对该复合润滑剂的热力学性能进行表征,结果显示该复合润滑剂具有很好的热稳定性以及较好的力学性能. 最后,通过X射线光电子能谱(XPS)对其摩擦机理进行表征,结果表明碳酸钙纳米颗粒复合超分子凝胶润滑剂优异的摩擦学性能可归因于碳酸钙纳米颗粒在摩擦副表面形成了易剪切的薄膜,以及小尺寸的纳米粒子在摩擦过程中对摩擦表面进行的自修复效应.      

水基纳米液压液抗磨减摩性能研究

制备了分散性稳定的水基纳米液压液,并利用四球摩擦试验机和抗磨试验机,对不同质量百分数、不同粒径二氧化硅纳米颗粒的水基纳米液压液进行抗磨减摩性能试验.结果表明:二氧化硅纳米颗粒可以明显改善水基液压液的抗磨减摩性能;对于30 nm粒径的二氧化硅颗粒,质量百分数为2.4%时水基纳米液压液的摩擦系数、磨斑直径、温升及磨损量均最低,抗磨减摩性能达到最佳;采用不同粒径纳米颗粒时,随着纳米颗粒质量百分数增大,磨损量先降后升,纳米颗粒粒径越大,对应的最佳质量百分数越小.     

基于沿程坐标积分模式颗粒流与结构物阵列相互作用的数值模拟

近年来, 由颗粒物质流动主导的泥石流、滑坡等自然灾害评估及其防护工作越来越受到人们的关注. 本文基于沿程坐标积分模式建立了陡峭地形条件结构物作用下颗粒流运动的数值模型, 可以较为准确地表征陡峭地形情形结构物影响下颗粒流的流态特征和运动过程, 尤其是相互作用过程中激波结构的形成与演化, 颗粒流的反射、绕射和爬升等动力效应. 通过数值模拟研究了颗粒流与不同分布密度四面体结构物阵列相互作用时的流态演化与堆积形貌, 提出了新型偏转效率无量纲指标, 结合流通效率, 定量评估了四面体结构物阵列对颗粒流流通距离和侧向铺展特征的影响. 结果表明, 单个四面体结构物对颗粒流的作用包括耗散作用和偏转作用两种模式, 其中偏转作用尤为显著; 结构物阵列对颗粒流产生综合的耗散和偏转作用, 通过多级作用形成系列的弓形激波耗散颗粒流能量, 通过偏转作用分隔和改变颗粒流路径, 增强耗散作用, 调控堆积形态, 可望对下游地区产生显著的防护效果.      

纳米颗粒在人类鼻腔中沉降率的研究

借助欧拉和拉格朗日方法数值模拟了纳米颗粒在人类鼻腔中的输运和沉降. 在采用有限体积法以及k-w湍流模型求解流场的基础上, 通过单向耦合的拉格朗日方法得出了水动力、热泳力和布朗力等综合作用下的纳米颗粒的运动轨迹以及沉降率. 研究发现, 非常微小的纳米颗粒在鼻腔内的沉降率非常高; 粒径在1~10nm的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率从80%降至18%; 粒径在10sim150nm之间的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率变化很小,且其值介于15%~18%之间.      

等离子体电化学法制备金、银纳米颗粒与碳量子点的研究进展及关键问题

通过高电压击穿气体可产生大量的自由电子和离子,形成对外大致呈电中性的气体放电等离子体,同时荷能粒子引发的各种过程会在等离子体中产生种类丰富的反应性物质.大气压低温等离子体具有非平衡特性,因此在低气体温度下可保持高反应活性.当大气压低温等离子体与溶液接触时,可形成等离子体电化学系统.在等离子体-液体界面存在电荷和物质转移,可引发一系列物理化学及电化学过程,从而使得等离子体电化学系统可广泛应用于多种领域,纳米材料合成即是其众多应用之一.当前,已有大量的研究利用等离子体电化学法合成纳米材料,也存在相关的综述文章,但缺乏聚焦于金、银纳米颗粒与碳量子点相关的综述,因此我们在此综述了近年来采用等离子体电化学方法制备金、银纳米颗粒与碳量子点的研究成果.首先介绍了等离子体电化学方法,接着考察了制备金、银纳米颗粒与碳量子点的实验结果及其应用的进展,最后讨论了当前研究中遇到的问题与挑战,并提出了解决方案.     

纳米TiO2和SiO2填充尼龙的摩擦磨损行为

制备了纳米SiO2和纳米TiO2填充PA1010尼龙复合材料,测定了复合材料的力学性能,并采用MM-200型摩擦磨损试验机考察了尼龙复合材料在干摩擦条件下同45#钢配副时的摩擦磨损行为.结果表明:填充纳米颗粒可以提高尼龙复合材料的力学性能;纳米SiO2和纳米TiO2作为填料可以提高PA1010的耐磨性,降低摩擦系数,其中纳米颗粒的最佳质量分数为10%;纳米颗粒填充尼龙1010复合材料同45#钢配副时主要呈现粘着和疲劳磨损特征.     

石墨包覆纳米镍颗粒的结构及磁性能的表征

在密闭容器中,用爆轰分解掺杂含有镍离子的混合炸药前驱体合成了核壳结构石墨包覆镍纳米颗 粒。调整混合炸药前驱体中碳源材料和金属源材料的有效摩尔比合成了球形、不同尺寸、核壳结构的磁性石 墨包覆纳米镍颗粒。采用X 射线衍射仪(XRD)、透射电镜(TEM)、能谱分析仪(EDX)和振动样品磁强计 (VSM)表征化学构成、结构形貌及磁性能。结果表明:颗粒大小主要分布在10~55nm 之间,复合纳米颗粒 主要由面心立方镍纳米晶体和石墨碳构成,常温下这些复合纳米颗粒主要表现出超顺磁性和铁磁性能。     

多场耦合非热平衡低温等离子体与微纳米结构材料的相互作用

低温等离子体是制备微纳米材料和调控其结构特性的最重要方法之一,其中材料结构及特性的改变是等离子体电磁场、热场、化学场等多场耦合综合作用的结果.本文系统而简要地回顾了如下主要内容:电源的频率及其调制、施加方式对等离子体放电特性与稳定性的影响;大气压等离子体物理化学反应动力学;等离子体场对微纳米颗粒的聚集态结构与运动的调控、以及对沉积薄膜微纳米结构的影响.总结并得出如下主要结论:放电频率、脉冲调制功率、容性或者感性耦合方式、单体种类、基片温度等对等离子体活性粒子成分与特性具有主要影响,在kHz～MHz范围可以实现稳定放电和微纳米颗粒制备和薄膜沉积;微纳米颗粒/颗粒膜结构形貌随时间和空间而发生动态变化;低温等离子体多场调制可以快速实现微纳米颗粒的结晶,并调控微纳米颗粒的成分、尺度、带隙、晶型、晶面比例及其形貌特征;引入微颗粒可以在鞘层位置悬浮形成规则的二维等离子体晶格与无序的等离子体非晶,在介观尺度研究复杂系统的结构与动理学过程.