突扩管流中微米颗粒分离效率的研究

助欧拉和拉格朗日方法数值模拟了突扩微尺度管道流中微米颗粒的分离情况. 在采用有限体积法求解电荷密度场、电场和流场的基础上,通过基于改进的Langevin方程研究了微管道中不同位置处的微米颗粒在水动力和介电电泳力综合作用下的运动轨迹. 研究发现:电渗流的驱动能力随着扩张比(ER)的增加而提高,然而其提高的趋势逐渐变小;当微米颗粒仅在水动力作用下时,随着ER的增加,颗粒之间的有效分离距离(ESL)随之线性增加,此时ESL与ER的比值约为5.9; 若是考虑介电电泳力对于微米颗粒运动的影响, ESL与ER的比值下降为4.79, 由此可以看出介电电泳力对突扩微管道流中的微米颗粒的分离效果有着一定的负面影响. 上述结论对于基于介电电泳技术设计的生物粒子分离芯片的优化设计有很大价值.      

微扩散管内幂律流体在不同外电场驱动下非稳态流动数值仿真

电场驱动下的非牛顿流体在微米级扩散管道内非稳态电渗流动特性是MEMS管设计人员关注的焦点,大部分实际液体可近似为用幂律模型描述的纯粘性流体,所以论文针对幂律流体在有限长微扩散管道内在两种不同形式的外加电场驱动下的非稳态电渗流动情况进行数值仿真.基于Ostwald-De Wael幂律模型和连续介质假说,采用高精度紧致有限差分离散二维完全Poisson-Boltzmann电势方程和Cauchy动量方程,对恒定电场及满足Maxwell方程的电场进行数值仿真,讨论了微扩散管中幂律流体在两种不同外加电场驱动下的瞬时流场分布的差异.结果表明,初始时刻固定扩散角和无量纲壁面电势,无量纲电动宽度的变化对幂律流体电渗流速度分布影响较大;在微扩散管上游等截面处,由恒定电场驱动及Maxwell电场驱动电渗流速度分布差别极小,在扩散管中下游则出现了明显的差别;由恒定电场驱动下的电渗流动在扩散管不同截面下的速度峰值相近,但Maxwell电场诱导的电渗流速度峰值则随管道半径变化出现较大差别.对于外加电场驱动的电渗流动,不同形式的外电场可使流场产生较大差别,而不同性质的流体也会形成不同的流场分布.     

湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的作用

在实验的基础上,研究了管内瓦斯爆炸过程中湍流的诱导及其对瓦斯爆炸过程中火焰和爆炸波的影响作用.研究结果表明,管道面积突变对瓦斯爆炸过程中湍流的产生具有重要影响.管道面积突变(变大、变小)时,产生附加湍流,并使下游火焰气流的湍流度增加,瓦斯爆炸过程中火焰的传播速度迅速提高,并可诱导激波的产生.在80×80mm等截面直管中(瓦斯浓度为理论上最猛烈的爆炸浓度9.5%),瓦斯爆炸最大火焰传播速度为40.8m/s,管内各点均为压力波信号,当管道加装一Φ300mm圆管形成面积突扩11倍和突缩11倍两断面后,面积突扩处(L/D=22)火焰速度增大5.05倍,达到64.4m/s,面积突缩处(L/D=28)火焰速度为156.0m/s, 增大4.55倍,并在L/D=48倍处形成激波(超压1.6976atm、波速416.7m/s),在L/D=98倍处,激波强度最大.在面积突变管内加装加速环可使瓦斯爆炸过程中湍流度加剧,火焰的传播速度更高,激波生成的位置(L/D=28)、最强点位置(L/D=70)均前移,激波强度增大.研究结果对指导现场如何防治瓦斯爆炸,减轻瓦斯爆炸的威力具有一定的指导意义.     

离子选择性表面电对流的多块LB模拟

离子选择性表面(如纳米通道、离子交换膜等)复杂的动力学现象为微纳流控技术的发展提供了新思路.向带有离子选择性表面的电解质溶液施加电压,通过液体的电流密度会经历复杂的非线性变化过程;当电压超过某一临界值时会引发对流现象,这种流动被称为第二类电渗或离子选择性表面的电对流,关于此类问题的数值求解引发了大量的研究.本文提出一种基于多块网格加密的格子玻尔兹曼方法 (lattice Boltzmann method, LBM)的数值模型,用于模拟第二类电渗流动.结合该算法,给出了求解流动、电势和离子浓度的网格信息交换方程,较好地解决了此类问题中大浓度梯度边界对计算分辨率的要求.利用该数值模型模拟获得的电流-电压特性曲线先随着电压升高而迅速增大,随后达到饱和状态,与理论解吻合良好.此外,模拟结果还表明,当流动发生后,相对低电压下的流动倾向于形成大涡且流动呈指数趋势增强;而较大电压则会先激发多个小涡,并逐渐合并为大涡流动,且大涡流动有更高的离子输运效率.此外,除了模拟离子选择性表面的电对流现象,本文提出的数值格式还可拓展到其他电流体动力学问题的模拟.     

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.     

动电学效应下微流动近壁面带电离子受力分析

应用离子分布的Boltzmann定律和Poisson方程研究了微流动中通道近壁面电势的分布,采用Derjaguin理论计算了动电学效应下带电离子受到的双电层作用力,应用Hamaker-De Boer 近似式得到了离子与壁面间的范德瓦尔力,同时也考虑到离子重力的影响,揭示了三种力对带电离子流动特性的影响.研究结果表明:无量纲间距d~*≤0.2时,离子重力的影响可以忽略,带电离子主要受范德瓦尔力和双电层作用力的作用,且二力均随d~*增大而减小,d~*≤0.02时,范德瓦尔力起主要作用,当0.020.2时,重力、范德瓦尔力及双电层作用力都趋于零,均可忽略.     

实验研究湍流附面层分离

本文应用二维激光多普勒测速技术和压强探针测量了二元非对称曲面扩张通道内的湍流附面层分离,得到了时均速度、流动平均方向角、正反向间歇流动因子以及静压分布.实验结果表明:附面层沿高度方向存在着明显的压强差,并可用位移厚度曲率做二阶近似修正.分离附面层的位移厚度曲率极大值对应于间歇瞬时分离点.瞬时流动平均方向角与正反向间歇流动因子成线性变化.     

控压钻井气-钻井液两相压力衰减影响因素分析

考虑虚拟质量力、相间阻力、气相溶解度和滑脱速度等因素,在双流体模型基础上,建立了控压钻井气-钻井液两相流动中的压力衰减模型,借助小扰动理论和半隐式差分等数学方法,对其进行编程求解.结果表明:随着温度的增大,压力衰减系数呈线性增大趋势;随着压力的增大,压力衰减系数与压力呈反比例函数趋势;随着空隙率增大,压力衰减系数呈先增...     

气体钻水平井井径扩大环空流动特征的数值模拟

由于气体钻水平井中岩屑受力状态与直井有很大不同,特另0是遇到井径扩大,更是携岩的关键点。因此,在分析了气体钻水平并岩屑运移特点以及建立环空连续性方程和动能方程的基础上,以实际并为例考虑了不同井径扩大率,数值模拟了其扩径段气固两相的流动状态,包括气固速度、岩屑浓度、压力分布等。研究结果表明：气体在经历扩径段时环空压力有个降落又回升的过程,随着井眼扩径系数的增大,压力下降又回升,所经历的长度会逐渐增长;扩径系数大于一定值时,扩径变径处存在一定区域的零流动区;扩径系数越大,低速区和回流区就越大越长,扩径下部区域越容易堆积岩屑,填充井眼。     

微尺度气体滑动轴承的Monte Carlo模拟与性能分析

改进了直接模拟Monte Carlo (DSMC)方法并模拟研究了轴承构型、滑动速度、壁温及环境压力对微气体滑动轴承内部压力分布及承载能力的影响.结果表明:轴承的几何构型和滑动速度对轴承的性能影响很大,对于相同长度的轴承,气体的峰值压力与轴承的承载能力随轴承出口尺寸的减小和滑动速度的增大而增大;当轴承的几何形状和滑动速度固定时,通道壁温和环境压力是影响轴承性能的重要因素,壁温越高,轴承的承载能力越强;环境压力不同,轴承性能亦有所不同.     

纳米阵列中气体驱替液体的流动特征

纳米尺度下气体驱动液体流动特征在纳流控芯片及页岩气开发中具有广泛的应用前景.利用管径规格为292.8 nm,206.2 nm,89.2 nm,67.0 nm,26.1 nm的氧化铝膜为纳米阵列,进行气驱水实验和单相气体流动实验,分析纳米尺度下气驱水流动特征.实验表明,纳米阵列中气驱水时气体流量随驱动压力变化经历三个阶段:第一阶段流量缓慢增大,且比单相气体流量降低约一个数量级;第二阶段纳米阵列中的水被大量驱替出,流量迅速增大;第三阶段纳米阵列中的水全部被驱替出,流动特征与单相气体流动保持一致.分析表明,气驱水第一阶段存在气液界面毛细管力的"钉扎"作用及固液界面相互作用力的影响,是产生非线性流动的主要原因;而一旦"钉扎"作用破坏,气体进入管道推动界面运动,气柱与液柱之间的毛细曲面曲率变化,毛细管力减小,气体流量急剧增大,其中毛细管力随驱替压力增大急剧变化,是造成第二阶段气体流量突变的主要原因.     

纳米阵列中气体驱替液体的流动特征

纳米尺度下气体驱动液体流动特征在纳流控芯片及页岩气开发中具有广泛的应用前景. 利用管径规格为292.8 nm,206.2 nm,89.2 nm,67.0 nm,26.1 nm的氧化铝膜为纳米阵列,进行气驱水实验和单相气体流动实验,分析纳米尺度下气驱水流动特征. 实验表明,纳米阵列中气驱水时气体流量随驱动压力变化经历三个阶段:第一阶段流量缓慢增大,且比单相气体流量降低约一个数量级;第二阶段纳米阵列中的水被大量驱替出,流量迅速增大;第三阶段纳米阵列中的水全部被驱替出,流动特征与单相气体流动保持一致. 分析表明,气驱水第一阶段存在气液界面毛细管力的“钉扎”作用及固液界面相互作用力的影响,是产生非线性流动的主要原因;而一旦“钉扎”作用破坏,气体进入管道推动界面运动,气柱与液柱之间的毛细曲面曲率变化,毛细管力减小,气体流量急剧增大,其中毛细管力随驱替压力增大急剧变化,是造成第二阶段气体流量突变的主要原因.      

一种力–电协同驱动的细胞微流控培养腔理论模型

细胞培养液在微流控生物反应器中受到外界物理场(如压力梯度或者电场)作用流动而产生流体剪应力,并进一步刺激种子细胞调控其内部基因的表达,从而促进细胞的分化和生长,这个过程在自然生命组织内的微管中亦是如此.考虑到细胞培养微腔隙中液体流动行为很难实验量化测定,理论建模分析是目前可行的研究手段.因此建立了矩形截面的细胞微流控培养腔理论模型,将外部的物理驱动场(压力梯度与电场)与培养腔内液体的流速、切应力和流率联系起来,分别得到了压力梯度驱动(pressure gradient driven,PGD)、电场驱动(electric field driven,EFD)及力–电协同驱动(pressure-electricity synergic driven,P-ESD)三种驱动方式下的液体流动理论模型.结果表明该理论模型与现有的实验结果基本一致,即力–电协同作用下的解答为压力梯度驱动和电场驱动结果的叠加.细胞培养腔内的流体流速、剪应力及流率幅值均正比于外部物理场强幅值,但随着压力梯度驱动载荷频率的增大而减小,随着电场驱动频率的变化不明显.在压力梯度驱动作用下,细胞贴壁处的切应力随着腔高的增大而线性增大,流率则随着腔高的增大而非线性增大,而电场驱动下的结果不受腔高的影响.生理范围内的温度场变化对压力和电场驱动的结果影响不大.另外,在引起细胞响应的流体切应力水平,电场驱动能提供较大的切应力幅值而压力梯度驱动则能提供较大的流率幅值.该理论模型的建立为细胞微流控生物反应器实验系统的设计及参数优化提供理论参考,同时也为力–电刺激细胞生长、分化机理的研究的提供基础.     

环形出口截面的离心喷咀的简单分析

符号r_c,R,f_λ,分别表示离心喷咀出口外圆半径、燃料进入旋流室的旋流臂、进口面积、几何特性参数;G’,μ,α,r_涡,分别表示简单离心喷咀的流量、流量系数、出口喷雾角、空气涡半径、出口有效截面系数;G_s,μ_s,α_s,r_s,分别表示环形出口截面的离心喷咀的流量、流量系数、出口喷雾角、中心圆柱半径、环形出口截面系数;w,w_a,w_T,w_o分别表示出口截面任意点r处的总速度、轴向速度、切向速度以及压力能全部转化为动能时的总速度;p_o,p_s,p'_s分别表示喷咀前油压、环形出口离心喷咀出口r=r-s处的静压、简单离心喷咀出口r=r_s处的静压,均为相对于环境介质的剩余压力;φ是修正喷咀进口通道流量系数及燃料进入旋流室时流股形变的系数,r是燃油重度,g是重力加速度;下角注1,2,3分别表示关于p_s的三种不同假定的对应结果,s表示r=r_s处的值或表示环形出口截面的值,“涡”表示空气涡边界处的值;上角注,表示中心圆柱体不存在时(简单离心喷咀)的对应值.     

DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF TURBINE CASCADE FLOW WITH HEAT TRANSFER EFFECTS

低雷诺数流动对高空动力装置, 特别是涡轮部件的性能产生重要的影响. 本文采用具有7阶精度的差分格式, 通过直接求解二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程组, 对雷诺数为241 800 (基于叶片弦长)时的叶片表面带有热传导效应的平面涡轮叶栅流动进行了二维直接数值模拟, 对低雷诺数平面涡轮叶栅流动的非定常流动现象作了初步的探索.数值结果表明:在叶栅通道入口处, 流场的非定常性很弱;在叶栅尾缘处, 具有正负涡量的尾涡交替地从压力面和吸力面上脱落;周期性的涡脱落使得叶栅通道内和尾迹区的总压发生(准)周期的变化, 并且, 尾迹区总压变化主频率是通道内总压变化主频率的2倍;在时均流场中, 叶片表面压力的分布与实验值吻合良好, 表征热传导效应的斯坦顿数除湍流区外与实验值基本吻合;尾迹区速度脉动的2阶统计量与圆柱绕流尾迹区速度脉动2阶统计量具有基本相似的分布特征.     

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.     

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.      

一种力-电协同驱动的细胞微流控培养腔理论模型

细胞培养液在微流控生物反应器中受到外界物理场（如压力梯度或者电场）作用流动而产生流体剪应力,并进一步刺激种子细胞调控其内部基因的表达,从而促进细胞的分化和生长,这个过程在自然生命组织内的微管中亦是如此。考虑到细胞培养微腔隙中液体流动行为很难实验量化测定,理论建模分析是目前可行的研究手段。因此建立了矩形截面的细胞微流控培养腔理论模型,将外部的物理驱动场（压力梯度与电场）与培养腔内液体的流速、切应力和流率联系起来,分别得到了压力梯度驱动（Pressure gradient driven,PGD）、电场驱动（Electric field driven,EFD）及力-电协同驱动（Pressure-electricity synergic driven,P-ESD）三种驱动方式下的液体流动理论模型。结果表明该理论模型与现有的实验结果基本一致,具体地:力-电协同作用下的解答为压力梯度驱动和电场驱动结果的叠加。细胞培养腔内的流体流速、剪应力及流率幅值均正比于外部物理场强幅值,但随着压力梯度驱动载荷频率的增大而减小,随着电场驱动频率的变化不明显。在压力梯度驱动作用下,细胞贴壁处的切应力随着腔高的增大而线性增大,流率则随着腔高的增大而非线性增大,而电场驱动下的结果不受腔高的影响。生理范围内的温度场变化对压力和电场驱动的结果影响不大。另外,在引起细胞响应的流体切应力水平,电场驱动能提供较大的切应力幅值而压力梯度驱动则能提供较大的流率幅值。该理论模型的建立为细胞微流控生物反应器实验系统的设计及参数优化提供理论参考,同时也为力-电刺激细胞生长、分化机理的研究的提供基础。      

级环境下叶片扩压器流场的实验与数值研究

为了研究离心压缩机级环境下的非定常干扰的基本流动现象,并验证多级叶轮机械的CFD软件的分析能力, 对一大尺度离心压缩机的叶片扩压器流场进行了实验测量和数值计算. 实验采用了固定热线、相位锁定------系综平均技术,用常温热线风速仪对叶轮后的叶片扩压器通道内不同周向、径向和轴向位置处的非定常速度进行了测量,同时提出了非定常强度的概念,以定量考核非定常的影响.实验结果表明, 叶片扩压器内的非定常流动非常复杂,其时间周期并非叶轮叶片通过时间,随着与离心叶轮之间的距离增大,非定常扰动逐渐减弱,但一直延续到叶片扩压器的出口.另外,对该实验压缩机级开展了两个不同的数值计算,并与实验数据进行了比较：定常数值计算软件采用了作者发展的确定应力模型,非定常数值计算是用商业软件NUMECA实现的,计算采用了滑移界面技术. 两个计算结果与实验在扩压器的进口截面处吻合得很好.     

高压捕获翼构型亚跨超流动特性数值研究

为研究高压捕获翼布局在亚跨超条件下的流动特性, 选取圆锥?圆台机体组合捕获翼概念构型, 在马赫数0.3 ~ 3速域范围内, 选取典型状态点, 采用数值模拟在 0°攻角条件下进行了计算和分析. 结果表明, 在整个速域范围内, 由于机体与捕获翼在对称面附近的垂向距离最小, 因此二者之间的气动干扰最为明显, 且沿展向逐渐减弱. 同时, 随马赫数增大, 机体与捕获翼间的流场结构明显不同, 具体表现为: 当Ma<0.5时, 未出现流动分离现象, 当Ma>0.5时, 机体后段开始出现明显的流动分离, 由于捕获翼与机体形成先收缩后扩张的等效通道, 捕获翼下表面和机体上表面的压力均先减小后增大; 进入跨声速速域后, 在捕获翼的影响下, 流动分离更加明显, 机体与捕获翼之间开始出现激波, 并且与分离区相互作用, 同时出现激波串, 捕获翼下表面产生明显的压力波动现象, Ma=1.5时, 通道内激波位置基本到达机体尾部, 分离区基本消失; 当Ma>2以后, 整个流场呈现以激波为主导的结构形式, 捕获翼下表面和机体上表面的压力分布逐渐趋于平缓.