幂律流体Wilhelmy吊片法动态湿润的理论与实验研究

幂律流体的黏度由于会随着剪切应变的变化而变化,其动态湿润机理比牛顿流体更加复杂。本文通过简化的二维吊片法模型,采用楔形区假设和黏性耗散理论建立了适用于幂律流体中剪切稀化流体吊片法湿润的表面张力驱动力和黏性滞动力动态平衡条件下的理论公式,并进行实验.通过对比,发现二维吊片法的理论公式与实验数据符合良好,并计算出楔形区截断长度的大致量级;分析了圆形三相接触线下该公式适用性较差的原因,定性解释了三相接触线形状对幂律型非牛顿流体湿润的影响.     

三相接触线形状对复杂流变流体动态湿润特性的影响

本文采用液滴铺展法和Wilhelmy吊片法开展了不同浓度的PEG400+SiO_2纳米颗粒的非牛顿流体在盖玻片上动态湿润特性的研究,这类纳米流体流变性复杂,随着剪切速率的增大,其黏度从弱剪切稀化到强剪切增稠再到强剪切稀化的特征。本文通过对比两种实验方法获得的θ_D-U实验数据,发现三相接触线形状对此类复杂流变流体的θ_D-U呈现一定影响。通过分析其流变性和动态湿润特性的变化规律,从理论上分析了三相接触线形状影响复杂流体动态湿润的原因,并从微观上分析了角区控制动态湿润过程的关键。     

吊片法动态湿润实验系统

流体动态湿润是非常普遍的自然现象并在各工程领域有重要应用.湿润动力学研究仍面临诸多困难和挑战:该领域的核心问题,即接触线的真实移动机制目前仍未被很好地解决;已有实验结果以牛顿流体为主,对于更常见、更复杂的非牛顿流体的研究近几年刚刚开始,研究成果非常有限.高精度实验测量是湿润动力学研究的基础.本文组建了一套基于Wilhelmy吊片法的动态湿润实验系统,以动态接触角与接触线移动速度测量为核心,兼备流体表面张力和流变性等动态湿润重要影响因素的测量功能,辅以样品密封配置、超声波清洗和精密控温等装置.通过对实际测量校验,证明了系统的可靠性和高精度.     

聚乙二醇的纳米二氧化硅分散系动态湿润特性

流体动态湿润在工业生产和高新技术的开发中有广泛应用,非牛顿流体动态湿润研究正处于起步阶段,并有着相对于牛顿流体更为实际的应用前景和价值。本文研究了一类具有复杂流变性的聚乙二醇的二氧化硅纳米颗粒分散体系的动态湿润特性。通过液滴铺展法得到了液滴半径随铺展时间的变化关系,以及动态接触角随接触线移动速度的变化关系的实验数据。实验结果表明,该类流体在云母表面上完全铺展,R～t关系符合Tanner定律,结合Starov的理论,分析R～t数据认为该类流体的中剪切速率阶段,即包含剪切增稠段的流变性对动态湿润有重要的影响。现有的动态接触角理论没有针对该类复杂流变流体的专用模型,研究发现分子运动理论模型不考虑黏性耗散,不仅适用于牛顿流体,对本文的θ_D～U数据同样能很好地描述,拟合参数符合物理意义。     

SiO_2-导热油纳米流体的黏度研究

实验制备了稳定性良好的SiO_2-导热油纳米流体,通过旋转黏度计对纳米流体的黏度进行了测量,研究了旋转黏度计转速、纳米颗粒体积分数以及温度对纳米流体黏度的影响。结果表明随着纳米SiO_2体积分数增加,纳米流体黏度迅速增加,且逐渐从牛顿流体转变为非牛顿流体;而随着温度的升高,纳米流体黏度迅速减小。通过对实验数据的分析,提出了SiO_2-导热油纳米流体黏度计算经验公式。     

微流控系统表面张力和黏度在线测量

微流控系统中界面流体界面张力和黏性作用力对传热、压降以及临界热流密度(CHF)起主导作用,由于流体物性在两相流系统中对环境参数非常敏感,因此对微流控系统界面张力和黏度的在线测量非常重要。本文提出了表面张力和黏度快速在线测量的新方法.该方法基于Taylor流在微通道中的流体动力学,通过液膜厚度的测量及其与流体物性间的理论关系式,对冷却工质FC-72及乙醇和水液体混合物的的动态表面张力和黏度进行了计算,并与文献参考值和理论模型做了比较,证实该方法可以得到可靠的表面张力和黏度结果。该方法具有样品耗量小、动态及在线测量优点,实现了微通道两相流动和物性测量的结合。     

近临界区表面光散射法乙醇界面性质的实验研究

针对高温及近临界区流体界面性质测量难题,本文研究了表面光散射法在该温度区间流体表面张力和黏度的高精度测量方法。获取了饱和状态下乙醇在温度范围为303 K~T_c内的表面张力和黏度,并利用实验数据分别拟合了对应的van der Waals方程和含临界项的温度倒数多项式方程,在全温度范围内实验值与方程的偏差均在1.5%之内。同时分析了表面光散射法测量流体表面张力和黏度的测量扩展不确定度,当对比温度T_r=T/T_c0.9时,表面张力和黏度的测量不确定度分别为1%和2% (k=2);当对比温度0.90 T_r 0.99时,测量不确定度范围分别为1%~7%和2%~3%(k=2)。     

静止幂律流体中气泡上升运动特性的数值研究

气泡在非牛顿流体中的动态行为在石油加工、食品加工、发酵以及废水处理等工业过程扮演着重要角色。为了深入了解气泡在非牛顿流体中的上升运动特性,文中采用VOF方法模拟研究单气泡在静止幂律(剪切稀化)流体中自由上升过程的运动特性,分别使用连续表面张力模型和Carreau模型来求解表面张力和计算非牛顿流体的流变特性。研究了不同流变指数(n)和Eo数下,气泡的形状、尾涡、终端速度和周围液相黏度的变化情况。结果表明:气泡的变形和尾涡会随着Eo数的增加、流变指数的减小而增大;随着流变指数的减小,气泡尾端会出现一个高黏度区,该区域会逐渐从气泡表面脱离;气泡的终端速度随着剪切稀化程度(n逐渐减小)的增加而增加,而随着Eo数的增加却减小。     

模拟Casson流体的非结构化网格SIMPLE算法

为模拟复杂形状血管内的血液流动,本文考虑血液的非牛顿流变特性开发了适用于Casson流体的非结构化同位网格SIMPLE算法。离散动量方程时,对流项和源项的处理方法和牛顿流体类似。对于扩散项,为了避免黏度是剪切率的复杂函数所导致的复杂性,将黏度取为上一迭代步的流场获得的Casson流体黏度。经过以上处理对Casson流体动量方程的离散就可以参考变黏度牛顿流体的动量方程离散方法来进行,再利用基于非结构化同位网格的SIMPLE算法进行求解。该方法对其它切应力等于速度变形率与黏性函数乘积的非牛顿模型同样适用。利用本文算法模拟了T型分叉管中的血液流动,与文献中的实验结果对比发现,Casson流体得到的结果优于牛顿流体,说明采用Casson模型模拟血液流动是成功和必要的。     

表面光散射法正十六烷高温热物理性质研究

为拓展高温下流体黏度和表面张力的测量,改进了原有的表面光散射实验系统,将实验的温度区间拓展至570 K,改进后的系统在整个温区内测量黏度和表面张力的扩展不确定度分别为2％和1％(k = 2).利用新的实验系统研究了正十六烷在353～547 K温度范围内的黏度和表面张力,并利用实验数据分别拟合了温度倒数多项式和van d...     

非牛顿流体二维溃坝问题的数值模拟

移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-implicit,MPS)是一种广泛应用于不可压缩自由表面流动的粒子方法。本文通过把非牛顿流体转化为变黏度牛顿流体的处理方法将MPS方法拓展至非牛顿自由表面流动,以Casson流体和Cross流体为例计算了非牛顿流体的二维溃坝问题。将计算结果与前人数据进行了对比,结果吻合较好。同时对比了非牛顿流体与牛顿流体的计算结果,发现非牛顿流体的溃坝前端发展速度较慢。     

转子转速和流体空间对旋转法测量黏度的影响

研究了测定流体的黏度实验中转子转速和流体空间对旋转法测量黏度的影响,推导出转子偏转角与黏度测量误差之间的关系式,并应用实验数据进行了验证;流体空间对黏度测量的影响随流体空间直径的增大而减小,当流体空间直径达到102.38 mm后,测量的黏度值趋于稳定.     

矩形微通道中气–非牛顿流体两相流实验研究

本文通过实验研究了空气与非牛顿流体在小尺寸矩形微通道中的两相流动特性,给出了在不同气液两相流速下的流型图。同时比较了气液两相流速,液相黏度,表面张力,微通道尺寸对各流型分布区域以及Taylor气泡/液柱长度的影响。发现气液两相流流速变化对流型区域的影响极为明显,而黏性力和表面张力只是在局部范围改变了流型分布。Taylor气泡长度随气液两相流速比增大而增大,随液相黏度及表面张力增大而减小。液柱长度随液相黏度增大而增大,随两相流速比及表面张力增大而减小。最后,我们给出了基于无量纲数JG/JL,Re和Ca的Taylor气泡/液柱长度预测公式,公式预测结果与实验结果基本一致。     

假塑性流体纳米压印中影响填充度的因素

作为新一代的半导体加工工艺, 直接金属纳米压印以其步骤简单、成本低等显著优点得到迅速的发展. 然而目前纳米压印中所采用的转移介质在流动状态下为牛顿流体, 牛顿流体的黏度是一个常量, 而假塑性流体具有黏度随着剪切速率的增大而逐渐减小的趋势, 更适用于纳米压印. 综合假塑性流体的剪切稀化特性以及直接金属图形转移的优点, 将不同大小的金属纳米粒子分散在基液中制成假塑性金属纳米流体并将其作为转移介质用于纳米压印中. 基于假塑性流体的Carreau流变模型利用COMSOL软件仿真分析金属纳米粒子假塑性流体参数集对图形压印转移的影响, 完成假塑性流体与牛顿流体分别作为转移介质实现图形转移的对比分析. 同时还得到了压印过程中影响填充度的各个因素, 如流体黏度、施加压强、掩模板移动速度等. 研究工作为金属纳米粒子假塑性流体制备以及纳米压印流程的设计提供了理论基础. 关键词： 纳米压印 假塑性流体 填充度     

R161/R134a混合物液相黏度和表面张力的实验研究

采用表面光散射法,对R161/R134a混合物的液相黏度和表面张力进行了实验研究,温度范围为293~368 K。将混合物的黏度和表面张力关联成组分和温度的函数,黏度实验值与拟合方程最大偏差为1.67%,平均绝对偏差为0.90%,表面张力实验值与拟合方程最大偏差为0.25 mN·m~(-1),平均绝对偏差为0.08 mN·m~(-1)。本文工作为R161/R134a混合制冷剂的研究提供可靠的热物性数据。     

液体表面张力的动态测量过程研究

本文介绍用测力传感器和计算机数据采集系统测量纯水表面张力的实验方法,测定了纯水的表面张力和表面张力与温度的初步关系曲线,研究了拉脱法测量的动态过程.     

生物柴油及与正丁醇混合物的热物性实验研究

本文测量了常压下生物柴油及其与正丁醇混合物的密度、黏度和表面张力数据,温度范围分别为278~363K、313~363 K、293~353 K。对于密度测量,生物柴油的质量分数分别为80%、60%、50%、40%、20%;对于黏度测量,生物柴油的质量分数分别为80%、50%。同时采用不同模型对生物柴油及其与正丁醇二元混合物的密度、黏度、表面张力实验数据进行拟合,结果显示良好,拟合模型与实验数据的最大标准偏差分别为0.01%、1.56%、0.14%。     

基于非结构化网格的多相流场求解与表面张力优化

本文推导了基于非结构化网格的投影法,将其与基于非结构化网格的PLIC方法进行耦合,实现了多相流动相界面的精确构造。从CSF模型出发,对相界面表面张力在非结构化网格上进行了优化,实现了表面张力的精确计算。对静态液滴算例进行了模拟,分别验证了方法的静态和动态准确性。最后模拟和分析了方腔顶盖反向驱动剪切流场中的液滴变形和破裂过程,发现两相流体的黏度比与液滴破裂的临界毛细数呈分段线性关系;液滴半径与临界毛细数之间呈线性关系。     

刮膜蒸发器内非牛顿流体流场特性数值模拟

刮膜蒸发器是通过旋转刮板强制成膜,可实现高黏度非牛顿流体类物料平稳蒸发的新型高效蒸发器.蒸发器内流体的流动、分布与传输机制直接决定了蒸发器的蒸发效率与功耗.不同于现有研究主要基于牛顿流体开展,本文针对不同黏度的非牛顿流体,建立蒸发器三维计算流体动力学模型,系统研究了蒸发器内的流场分布特性和成膜机理.结果表明:低黏非牛顿流体的流场分布特性和牛顿流体类似,物料可在壁面形成均匀且连续的液膜;随着黏度的增加,液膜的均匀性和连续性逐渐变差.通过对流场分布与传输形式的研究,结合液膜分布、速度分布、剪应变率分布,以及黏度分布进行对比分析发现,蒸发器内部结构与运行状态形成的剪切场与黏度分布是蒸发器良好成膜的关键.此外,提出对刮板前缘进行弯折可辅助高黏流体液膜铺展,并对最佳弯折角度进行探索.本研究为刮膜蒸发器的设计和应用提供了理论指导与依据.     

大曲率弯管中拟塑性流体的流场测量

本文利用超声多普勒测速仪和动态压力测量方法,研究90°矩形截面弯管中拟塑性流体(浓度为0.1%和0.2%的羧甲基化纤维素溶液,CMC)的流场特性,在三种来流速度条件下,测量了沿流向截面内的主流速度和壁面测点的压力脉动特性。在介质的流变性参数测量的基础上,实验观察了层流和湍流状态下弯道截面内拟塑性流体流动不均匀性的特征,并与牛顿流体流动的经典实验进行了对比分析。动态压力测量则显示了在湍流状态下,拟塑性流体仍具有牛顿流体湍流流动的多尺度特征。