疏水纳米通道内微流动数值计算方法研究

疏水表面水下减阻研究是当前减阻研究领域的热门课题之一,该类表面一般分布着微纳米尺度的微结构,其附近流动属微流动问题。以疏水纳米通道内微流动为例,探索了将现有微流动相关理论和方法应用于疏水性表面减阻研究的可行性,并结合疏水表面界面特性,给出了疏水纳米通道内微流动的分子动力学数值计算方法(MDS)。其中,在数学模型中,统计系综为正则系综(NVT),势能函数采用Lennard-Jones模型,壁面设定为刚性壁面,壁面疏水性则通过在势能函数中引入修正因子来表征;而在数值计算中,温度校正使用速度标定法,牛顿运动方程求解则采用Verlet算法。实例计算结果表明,疏水微通道内流体密度呈现内高、外低的振荡型对称分布特点,且随着壁面疏水性的增强,振荡程度减弱;同时疏水壁面处存在滑移现象,且滑移量随壁面疏水性增强而增大。     

圆形微通的对流换热特性研究

针对圆形微通道内流体的强迫对流问题,利用分离变量法求解了考虑轴向热传导、速度滑移和温度跳跃、粘度耗散和入口效应等因素的圆形微通道的控制方程,给出了流体温度场和努塞尔数的计算表达式。对圆形微通道换热特性进行了数值仿真,结果表明,受尺寸效应的影响,管径越小,平均对流换热系数越大。微通道的换热能力比宏观经典通道强,表明在相同面积上做多个微通道比一个宏观大通道的换热效果好。     

轴向热传导和入口效应对圆形微通道对流换热特性的影响

提出了一种考虑轴向热传导、速度滑移、温度跳跃和入口效应情况下圆形微通道能量方程的求解方法．运用分离变量法将能量方程转化为本征值问题,再通过温度跳跃边界条件求解得到了本征值,由本征函数的正交性确定了能量方程的完备解的待定常数,给出了流体温度场和努塞尔数的计算表达式．对圆形微通道换热特性进行了数值仿真,结果表明,轴向热传导和入口效应增加了入口处的局部努塞尔数,速度滑移系数越小,局部努塞尔努塞尔数的渐进值越大．     

耗散粒子动力学的一种新的固体壁面边界条件

由于耗散粒子动力学（DPD）粒子间是软势作用,很难施加无滑移的固体壁面边界,为此提出一种新的固体壁面边界条件,该方法是通过给壁面粒子赋予相对流体粒子的虚拟速度,但壁面粒子不能移动,虚拟速度用于计算壁面粒子对流体粒子的耗散力,进而增大流体粒子的耗散阻力,实现壁面无滑移条件.利用新的边界模型模拟了微通道内的Poiseuille流动,得到的微通道内的速度分布曲线表明,该模型实现了壁面无滑移条件;得到的密度和温度分布曲线显示,壁面附近密度波动很小,但当壁面粒子密度大于8.0时,壁面附近流体粒子密度波动较大.模拟结果与Navier-Stokes方程理论解吻合很好,进一步验证了新边界的可行性和DPD程序的正确性.     

二维微流道电渗-压力驱动流流动特性解析解分析

用Poisson-Boltzmann (P-B)方程、外加电场的Laplace方程和描述电渗-压力驱动流流场分布的N-S方程,求解了电渗-压力驱动流流场的无量纲速度的近似解析解,以及电渗-压力驱动流与压力驱动流壁面剪切力比.定量研究不同电荷浓度、外加电场强度、zeta电势以及单位压降对流场无量纲速度分布的影响。研究表明:对于在较低雷诺数下的微细流道内流动,双电层的电粘效应确实可以引起壁面剪切应力的增大,随着沿程压降的增大,电粘效应的重要性相对减小,但仍然对流动具有较大影响,双电层电粘效应的存在是微细管道内流动特性与传统理论存在差异的原因之一。     

速度滑移对液静压轴承油膜微流动影响敏感度

为了使液体静压轴承油膜性能的研究更加准确,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)和有限差分方法,研究了液体静压轴承间隙油膜微流动的速度滑移现象及其对轴承性能的影响,并定义敏感度物理量对影响程度进行评估.在传统油膜流动假设条件基础上,引入Navier速度滑移边界条件对传统的Reynolds方程进行修正,通过有限元差分方法求解修正后的Reynolds方程,采用梯形积分公式求解轴承承载力等性能参数,对速度滑移影响的轴承性能的敏感度做出定量和定性分析.研究结果表明:油膜压力分布、轴承的承载力、动刚度及油腔流量等轴承性能对速度滑移都有一定的敏感性.最大油腔压力随滑移系数的增加而减小;速度滑移在一定程度上提高了轴承承载能力和油腔流量,但同时降低了轴承动刚度,流量对速度滑移的敏感度最大达到100%.     

微尺度下速度滑移对油墨流动特性的影响

为了了解微尺度下速度滑移对油墨流动特性的影响,以便提高印刷质量,首先从理论方面分析了速度滑移对流体流动特性的影响.运用专业流体仿真软件FLUENT对微尺度下油墨在墨辊间的流动进行了流体计算模拟,分析了无滑移和有滑移2种情况下油墨在传递过程中流动速度与压力的特性,同时提取墨层有效厚度,并进行对比.通过分析可以得出:当滑移速度与油墨流速方向相同时,随着速度滑移程度的提高,在油墨通道的各个位置处油墨的速度都有增大的趋势,压力有减小的趋势,墨层厚度有变大的趋势;当滑移速度与油墨流速方向相反时,随着滑移程度的增强,油墨的速度有减小的趋势,压力有增大的趋势,墨层厚度有变小的趋势.     

电润湿效应下液滴动态接触行为分析

为研究电润湿条件下液滴动态接触行为的动态变化机制,采用动态接触角理论,建立电润湿下液滴的数值模型,并对液滴动态接触行为进行分析,系统地研究体积和壁面条件对液滴动态行为的影响。结果表明：当液滴体积从2μL增加到6μL时,液滴接触半径的最大振幅从0.16 mm增加到0.23 mm,当液滴初始角度从100°增加到115°时,振幅从0.13 mm增加到0.18 mm;同时,滑移长度从0.5μm增加到2μm时,振幅最大值从0.21 mm增大到0.29 mm。液滴体积越大、壁面的阻力越小和疏水性越强,液滴具有更高的动能以及更大的振荡幅度。此外,液滴初始动能越大,液滴的振荡更加剧烈。通过揭示液滴在电润湿过程中的动态接触行为机制,为通过电润湿效应改善微通道传热特性的研究提供理论依据。     

分支型微通道水-油两相流数值模拟

为了研究分支型微通道内水-油两相流动,采用水平集法进行数值模拟.微通道几何参数和流体在壁面滑移程度的变化,对液滴尺寸产生不同影响。随着入口角的增大,液滴长度呈二次变化;离散相通道越宽,液滴长度受入口角影响程度越大;在入口角是60°的通道内,随着滑移尺寸的增加,液滴长度增长程度逐渐减缓,通道内流体受壁面滑移作用的厚度约占主通道的56.3%.对微流体混合系统的优化设计提供了参考.     

定制边界滑移平行轴承的挤压效应

作者最近提出了一种利用滑块入口处的壁面滑移产生流体动压的新型轴承．笔者针对该类新轴承的油膜挤压问题,提出了基于滑移临界剪应力的数学模型,并给出了解析解．结果显示压力分布为分段光滑的抛物线,在滑移／非滑移边界,存在不连续的压力梯度．不同参数条件下的计算给出了不同的压力分布和壁面滑移类型．结果显示,对于代表滑块非浸润区长度的参数xt,最大压力并不总是随参数xt的减小而减小．存在一个参数xt的区间,在该区间内最大压力不变．与经典的挤压膜轴承类似,压力随膜厚的增加或趋进速度的减小而减小．笔者还发现临界剪应力的对挤压效应有重要的影响,揭示了此类新型轴承的一些内在的特性．     

Analysis of the heat transfer in unsymmetrically heated triangular microchannels in slip flow regime

Theresearchontheflowandheattransferinvariousmicrochannelsisafrontierintheheattransferfield.Theadvantagesofcompactstructureandhighspecificheattransferperformancemakeitpossibletousethemicroheatexchangerswithvariousmicrochannelstograduallysolvethecoolingproblemofhighheatfluxinthefieldsofmicroelectronicsengineering,lowtemperaturesuperconductorstechnology,spaceengineering,Micro-Electro-MechanicalSystem(MEMS)andsoon.Generally,thecharacteristiclengthofthedevelopingmicroscalethermalandfluidicsystem…     

Numerical Simulation of Twin-Screw Extrusion with Wall Slip

Wall slip boundary condition is first introduced into twin-screw extrusion with the Navier slip law. Three-dimensional isothermal flow in the twin-screw extruder is simulated by using the finite element package POLYFLOW. Profiles of velocity contours in the screw channel and shear rate distributions in the intermeshing region are presented for different slip coefficients. Curves of axial pressure difference, average shear rate and dispersive mixing index vs. the slip coefficient are plotted and discussed. Comparisons are also made between the wall slip conditions and the non-slip condition. The simulation results indicate that, as the level of wall slip decreases, the axial pressure difference rises, the shear effect is intensified and the axial mixing is also enhanced. All these flow characteristics seem to level off with the increase of the slip coefficient. However, because of the inherent limitation of the Navier slip law, use of an overestimated slip coefficient would predict an over-sticky state between the screw surface and the polymer melt.     

微尺度矩形管道中气体滑移流的三维数值分析

采用有限体积法计算了微尺度矩形管道中的气体三维流动,在计算中考虑了气体的可压缩性.当K nudsen数处于10-3和1-0 1之间时,稀薄效应造成气体与管壁面间的相对滑移和温度跳跃.数值分析结果给出了速度滑移边界条件对管道质量流量的影响.     

润滑脂在钢管中流动的壁滑移研究

通过理论分析与实验研究，首次证实了管内流动的润滑脂在所实验的剪切速率范围内均有壁滑移现象；根据润滑脂的分子结构分析了壁滑移产生的机理；由实测数据，根据Mooney方法按边界层理论得出了壁滑移速度的大小；分析了剪应力、管径等对壁滑移的影响；在对Robinowitsch-Mooney方程进行改进的基础上，建立了扣除壁滑移后的流动模型和流变模型；讨论了壁滑移对管道流动的减阻效果和弹流润滑的作用．     

润滑脂在钢管中流动的壁滑移实验和研究

根据Mooney方法按边界层理论建立了研究管道流动的两个基本公式:壁滑移速度是由管壁的粗糙度和材料决定,不随管径变化;扣除壁滑移后的真实流变模型与管径无关.研究了润滑脂粘弹性、触变性、壁滑移等因素对流变特性的影响,研制了适宜壁滑移研究的高精度管流流变仪,制定了合理的实验步骤和测试方法,尽量消除其他因素的影响,分离壁滑移流动;在3种直径的钢管中进行流变试验,验证了两个基本公式,建立了适应任一管径流动阻力方程,计算各种管路的压降;证实了管径越小减阻效果越好,但管径小流动阻力大,应合理选择管径;减阻效果还与壁滑移速度成正比,提出了研究管壁与壁滑移速度关系的新课题.为在润滑脂集中润滑系统中研究管道输送特性提供了理论和实验基础.     

管道表面特性对流动摩阻系数的影响研究进展

非金属管道因性能优异可广泛应用于集输工艺及输油管路中,但对其沿程摩阻系数的工艺计算还尚在探索阶段。从输油管道内壁面的表面粗糙度和表面润湿性对流体在其中的沿程摩阻的影响进行了总结,并对表面润湿性发生改变所带来的表面滑移效应进行了介绍,简单论述了液体与管道内壁面的润湿性及因其所产生的表面滑移效应对沿程摩阻系数的影响机理。研究表明,管道沿程摩阻系数受内表面粗糙度,流体与管道内表面的润湿性,由润湿性引起的表面滑移效应及液体的表面张力等因素共同影响。     

Slip flow and variable properties of viscoelastic fluid past a stretching surface embedded in a porous medium with heat generation

This study examines theoretically and computationally the non-Newtonian boundary layer flow and heat transfer for a viscoelastic fluid over a stretching continuous sheet embedded in a porous medium with variable fluid properties, slip velocity, and internal heat generation/absorption. The flow in boundary layer is considered to be generated solely by the stretching of the sheet adjacent to porous medium with boundary wall slip condition. Highly nonlinear momentum and thermal boundary layer equations governing the flow and heat transfer are reduced to set of nonlinear ordinary differential equations by appropriate transformation. The resulting ODEs are successfully solved numerically with the help of shooting method. Graphical results are shown for non-dimensional velocities and temperature. The effects of heat generation/absorption parameter, the porous parameter, the viscoelastic parameter, velocity slip parameter, variable thermal conductivity and the Prandtl number on the flow and temperature profiles are presented. Moreover, the local skin-friction coefficient and Nusselt number are presented. Comparison of numerical results is made with the earlier published results under limiting cases.     

影响空气静压多孔质止推轴承静态性能的因素

在对多孔质气体静压轴承分析时,多孔质材料内部的惯性效应以及多孔质轴承表面的速度滑移对所建立的简化模型的应用是一个很大的障碍。因此采用一种分解的方法来分析空气多孔质止推轴承内部的非线性流动即不同种类的流动机理即考虑空气压缩性和一定范围内的惯性效应。实验结果表明多孔质表面的速度滑移并不遵守Beaver模型,但是可以通过附加等效来大致估计。这表明轴承间隙值与被测试的多孔质样件表面粗糙度没有直接的关系。