流动聚焦实验

介绍了一种制备微纳米量级颗粒的流动聚焦技术,它的最基本的特点是从毛细管流出的液体由高速运动气体驱动经小孔聚焦形成稳定的锥,锥顶端射出的微射流因不稳定性破碎成小颗粒.实验在自行设计的装置上完成.分析了流动聚焦技术中影响锥-射流以及颗粒形貌的因素,总结了过程中装置的结构参数以及气体压力降、液体流量和物性等参数对射流的直径的影响.结果显示该技术制备的颗粒单分散性好,直径达到微米和亚微米量级,在工业方面有重大应用前景.     

电场作用下无黏聚焦射流的时间不稳定性研究

基于电场作用下的流动聚焦实验建立了简化的理论模型,开展了带电同轴液气射流的时间不稳定性分析.在无黏假设下,得到了扰动在时间域内发展演化的解析形式的色散关系,分析了主要控制参数对不稳定模态的影响.结果表明,只有轴对称扰动和第一类非轴对称扰动在时间域内是增长的;液气界面的表面张力对轴对称扰动有着双重影响而对非轴对称扰动起抑制作用;外层气体的流速以及密度的增加均能促进射流的失稳.这些结论与实验结果是定性一致的.结果也表明,在不考虑初始界面电荷密度时,单一的轴向电场能抑制射流的失稳.      

电场作用下向列相液晶指向矢与流动的耦合机理

作为开发液晶流动驱动的第一步,运用宏观ELP模型及Frank弹性理论对电场作用下液晶盒内向列相液晶的指向矢旋转与所引起的液晶流动之间的耦合机理进行了理论与实验研究。通过对液晶盒进行施加及撤销电场的操作,得到了液晶盒内瞬间液晶指向矢的旋转及所引起的液晶流动的变化情况。电场施加瞬间指向矢的旋转控制着流动的变化,二者同时达到最大值:指向矢旋转为350(°)/s,引流速度为30μm/s;而电场撤销的瞬间流动的变化控制着指向矢的旋转,流动特征与电场施加瞬间很相似,但持续时间很短。实验验证采用最直接的观察法,用显微镜自带CCD拍摄液晶盒在电场施加和解除过程中内部液晶引流发生的过程,通过图像分析得到实验数据,每个数据点分别通过取10次实验的平均值得到,实验结果与理论计算结果吻合。     

电流动聚焦中非牛顿流体射流影响因素的实验研究

在一套流动聚焦装置上加载高压直流电场形成电流动聚焦,并开展了非牛顿流体带电射流的不稳定性特性实验研究。实验在自行设计的装置系统上完成,获得了电流动聚焦中非牛顿流体射流的流动状态,考察了不同控制参数下射流形态的变化。结果表明,由于非牛顿流体具有粘弹性,与牛顿流体相比,非牛顿流体带电射流体现了更复杂的流动特点。这些实验结果为我们理解复杂条件下非牛顿流体射流的流动机理提供了参考,也有助于深入的实验分析和理论研究奠定了基础。     

流动聚焦及射流不稳定性

流动聚焦是一种有效的微细射流产生方法,其原理可以描述为从毛细管流出的流体由另一种高速运动的流体驱动,经小孔聚焦后形成稳定的锥–射流结构,射流因不稳定性破碎成单分散的液滴.自从1998年流动聚焦被提出以来,陆续发展了单轴流动聚焦、电流动聚焦、复合流动聚焦和微流控流动聚焦等毛细流动技术.这些技术稳定、易操作、没有苛刻的环境条件的要求,能够制备单分散性较好的微纳米量级的液滴、颗粒和胶囊,在科学研究和实际应用中具有重要价值.流动聚焦涉及了多尺度、多界面和多场耦合的复杂流体力学问题,其中稳定的锥形是形成稳定射流的先决条件,过程参数是影响射流界面扰动发展的关键因素,而射流不稳定性分析是揭示射流破碎的最主要理论工具.该文回顾了近二十年来不同结构流动聚焦的研究进展,概述这些技术涉及的过程控制、流动模式、尺度律和不稳定性分析等关键力学问题,总结射流不稳定性的研究方法和已取得的成果,最后展望流动聚焦的研究方向和应用前景.     

斜向自由剪切层流动特性的实验研究

本文用恒温热线风速仪对斜向自由剪切层流场进行了测量,得到了流场动量厚度、平均速度和二阶脉动速度相关统计量的变化规律;给出了不同位置处纵、展方向上速度信号随时间变化的波形、概率密度分布、自相关和互相关函数以及功率谱;表明斜向自由剪切层流场中有螺旋形涡存在的特征.     

高压旋转射流流动特性的实验研究

测量了叶轮导引高压射流喷嘴在不同叶轮螺旋倾角和喷嘴收缩角下高压水的喷射形状参数,通过分析给陋了此种射流的外边界曲线方程形式及射流扩散角与叶轮螺旋倾角、喷嘴收缩角的关系,最后对射流机理进行了探讨,并给出一种微团轨道模型研究方法。     

分离再附流动的实验研究

综述了二维前后向台阶,T型结构以及轴对称纯体等典型几何结构的分离再附流动的实验研究．介绍了不同模型分离再附流场特性以及它们之间的异同．详细论述了流动各参数对流场的影响,并简要分析了分离再附流动中存在的问题和发展方向．      

流动肥皂膜气体界面及其在柱状汇聚激波作用下演化的实验研究

在Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性实验研究中,形成两种不同密度流体的初始扰动界面是前提和关健.本文提出了一种流动肥皂膜气体界面生成方法,其工作原理是由细丝构成的导流框从激波管实验段穿过,肥皂液从导流框的上端注入并在重力作用下在导流框中形成流动肥皂膜,膜的两测可以分别充入不同密度的气体从而形成稳定的气体...     

网栅后湍流流动沿流程衰减特性的实验研究

应用ＬＤＶ测试技术对垂直方管内三种不同栅距的网所形成的湍流流动做了详细测量,网栅栅距Ｍ分别为１４ｍｍ,１０ｍｍ,６ｍｍ实验给出了管内不同位置湍流流动的各种参数沿流动方向的衰减规律,并就三种网栅进行比较分析,以探讨这种网栅流动所具有共同规律和在不同栅距对湍流结构及脉动大小的不同特点,从而对这种网栅所形成的湍流流结构较为清晰的了解。     

气流作用下同轴带电射流的不稳定性研究

通过对气体驱动同轴电流动聚焦的实验模型进行简化,开展了电场力和惯性力共同作用下同轴带电射流的不稳定性理论研究.在流动为无黏、不可压缩、无旋的假设下,建立了三层流体带电射流物理模型并得到了扰动在时间域内发展演化的解析形式色散关系,利用正则模方法求解色散方程发现了流动的不稳定模态,进而分析了主要控制参数对不稳定模态的影响.结果表明,在参考状态下轴对称模态的最不稳定增长率最大,因此轴对称扰动控制整个流场.外层气流速度越高,气体惯性力越大,射流的界面越容易失稳.内外层液-液同轴射流之间的速度差越大,射流越不稳定.表面张力对射流不稳定性起到促进作用.轴向电场对射流不稳定性具有双重影响:当加载电场强度较小时,射流不稳定性被抑制;当施加电压大于某一临界值时,轴向电场会促进射流失稳.临界电压的大小与界面上自由电荷密度和射流表面扰动发展关系密切.这些结果与已有的实验现象吻合,能够对实验的过程控制提供理论指导.     

几何构型对流动聚焦生成微液滴的影响

流动聚焦型微流控装置能够方便、高效地生成均一度好且大小精确可调的微液滴(气泡),故被广泛应用于颗粒材料合成、药物封装、细胞培养等诸多领域. 进一步优化通道结构有助于实现对合成微粒粒径、均一度和尺寸范围的精确调控. 本文数值研究了通道深度、缩颈段长度以及两相夹角等几何构型因素对流动聚焦生成微液滴直径及其生成周期各个阶段的影响. 控制液滴生成方式为滴流式,发现液滴直径随通道深度d 的增加近似呈线性增大,且当通道深度小于30 μm 时,随着通道深度的下降,微液滴生成周期在毛细力的强烈作用下出现骤升,通道深度超过80 μm 时,微液滴的生成周期基本接近恒定. 连续相和离散相的夹角θ接近90°时,液滴直径及其生成周期最短,夹角太大或太小均不利于生成均一度好且粒径微小可控的液滴. 调整缩颈段长度l引起液滴直径及其生成周期的变化幅度仅为其平均值的3%~5% 左右. 此外,缩颈段宽度也是影响流动聚焦生成微液滴直径及其生成周期的重要因素,在通道深度固定时,缩颈段越宽,微液滴直径及其生成周期越大.      

离轴受限圆射流的三维湍流流场分析

利用原始变量,交叉网格的方法,以及采用κ-ε湍流模型,计算了离轴受限射流三维湍流流场,计算结果与用LDV测量结果作了比较,结果是满意的。计算结果提供了这样一个复杂的三维流场的清晰图象,为研究具有离轴射流的预燃室的稳燃机理提供了很多有用的信息,对计算结果作了详细的分析和讨论后,指出这样一个流场的重要三维特征是在θ方向梳线有大角度的扭曲。     

微通道中应用"流动汇聚"形成分散体系

在微流控器件内集成具有流动汇聚功能的几何结构以研究液--液系统中液滴的形成. 相图显示液滴的大小为流量以及两种液体流量比的函数, 它包括两个区域, 在一个区域中液滴大小和孔隙宽度接近, 而在另一区域液滴大小则取决于``汇聚'后的细流直径, 从而能形成远小于孔隙的液滴. 单分散和多分散乳状液均可以被生成.     

低速轴对称层流射流流动形态和失稳机制的实验研究

本文应用染色液和悬浮粒子显示方法,进一步实验研究轴对称层流射流的流动形态及其失稳机制。首次成功地在从一定口径的喷嘴流出的低速轴对称层流射流中观察到环形回流流动。给出了射流随速度演化及实验容器边界对其流动形态影响的显示照片,发现实际射流的轴对称波动及失稳过程正好对应射流在容器底部产生的环形旋涡的生长和破碎过程。本文认为由于实验空间有限尺度对流动的限制改变了原来射流的流动形态和流场空间的拓扑性质,射流与实际边界的相互作用对实际射流的失稳和转捩有重要的影响。     

热冲击作用下正交各向异性圆柱体的动应力及磁场矢量扰动的集中效应

给出一种解析方法求解在两种热载荷冲击作用下,正交各向异性圆柱体的动应力和磁场矢量扰动的集中效应.通过一种有限积分和拉普拉斯变换求出热磁变形运动方程的解析解,给出相应的动应力和磁场矢量扰动的解析表达式,得到柱体内动应力和磁场矢量扰动的响应历程及分布规律.     

偏压电场作用下磁电弹板中Lamb波传播研究

基于磁电弹性材料的本构关系和运动微分方程,研究了磁电弹板中Lamb波的传播特性.在电磁开路和短路两种边界条件下,导出了偏压电场作用下磁电弹板中Lamb波的对称模态和反对称模态的相速度方程,求解了相应的应力场.通过数值算例分析了偏压电场对相速度和应力场的影响.结果表明,偏压电场对相速度有较大影响,对应力场几乎没有影响.研究成果可为设计磁电换能器提供一定的理论参考.     

均匀电场中气泡上升特性的实验研究

电场中的气泡对于强化传热有显著的作用, 对于电场中气泡动力学特性的研究对增强换热器效率, 提高能源利用率有重要意义. 为了获得外加电场作用下气泡的动力学特性, 设计与搭建了可视化实验平台. 采用50 kV高压直流电源构建均匀电场, 高清摄像机拍摄实验图像. 引入电场强度、气泡体积与溶液介电常数作为变量, 探究其对于气泡动力学特性的影响. 观测了竖直与水平均匀电场中气泡的上升过程, 分析了不同变量下气泡变形状况与上升速度的变化. 引入气泡长宽比L/D用于表示气泡拉伸变形程度, 截取单个气泡上升过程分时段图像展示形态变化过程. 研究结果表明, 气泡沿电场方向伸长, 且电场强度越大, 变形越明显; 竖直电场中气泡伸长导致上升速度增大, 而水平电场中气泡上升速度减小. 气泡尺寸增大, 浮升力作用增强, 气泡上升速度增大. 溶液介电常数增加, 电场力作用明显增加, 气泡变形更加明显.      

冲击高度对自由冲击射流影响的实验研究

采用热线风速仪测量了雷诺数为 ２３ ０００时四种冲击高度下率流自由冲击射流流场，并给出详细的结果．表明壁面的“阻尼”影响主要集中在近壁面０．５Ｄ以内．小冲击高度时径向速度下降得比大冲击高度时明显要快，量值也较小；在ｒ／Ｄ≤１．５处，小冲击高度时紊动能的数值大小和分布趋势与大冲击高度时不同，特别是在喷管出口距冲击板高度Ｚ与喷管直径Ｄ之比Ｚ／Ｄ为８时分布特殊，在其它测点处，紊动能的分布趋势基本一致，只是大冲击高度下的值较大；流动结构在Ｚ／Ｄ为６～８时发生了较大的变化，这种变化与势流核心区有关，在势流核心区的顶端以及下游的一段距离内紊流度都很高．