流式细胞仪流动室多参数仿真优化研究

针对现有流式细胞仪样品液聚焦效果不良的现状,提出鞘液入口错位结构以改善聚焦效果,并提出利用截面密度的变化来确定样品液的聚焦直径。分别对鞘液入口速度和错开程度两个影响聚焦效果的因素进行分析。然后结合改进的坐标轮换法对仪器流动室2个重要参数进行联合仿真优化。最后利用流量守恒计算出鞘液的流速与仿真模型得到的流速对比,验证了仿真模型的适用及可靠性。优化结果表明:鞘液入口流速在一定范围内增大时,样品液聚焦直径逐渐减小;鞘液入口错开程度在(0～2.043)mm之间增加时,聚焦直径随之逐渐减小,超过2.043mm后,聚焦直径明显增大。经优化改进后的流动室对样品液的聚焦效果有明显的提升,其聚焦直径减小了64.14%,明显提高了细胞检测的准确率。     

流式细胞仪液流聚焦系统仿真分析与设计

使用FLUENT对流式细胞仪液流系统中的核心部件流动室进行了流体仿真分析。探讨了样品流速、鞘液流速、进样针位置对聚焦效果的影响,分析了鞘液不对称进样的实施可能性,以及对鞘液脉动性的补偿措施。搭建了流式平台进行荧光微球的CV值测定,其变化趋势与仿真结果较为吻合。仿真结果为流式细胞仪液流系统的设计提供了参考依据。     

微通道流场特性建模及数值分析

流式细胞仪的微流体聚焦是利用鞘液流将样品流限制在微通道的中心位置,聚焦的稳定性和灵敏性直接影响仪器检测结果精度。针对高流速下微流体无法维持稳定聚焦的问题,运用有限元软件ANSYS Fluent建立微通道流场特性模型,分析微通道的几何结构与双鞘液进样收缩角对微通道内形成良好聚焦的影响。分析结果表明,在双鞘液式微通道结构内,相比其他进样方式,鞘液0°进样时的聚焦过程距离缩短,层流宽度减小,且收缩角为60°时聚焦后混合流内部物质流的稳定性利于层流检测。     

用于流式细胞仪的超声聚焦系统的仿真与设计

介绍了一种利用超声驻波对颗粒进行二维聚焦的方案,其可用于流式细胞仪中微量(少于82μL)细胞样品的上样,无需鞘液即可实现颗粒在管道中央的逐个排列,并能以高至0.5 m L/min的速度依次通过检测区。该方案避免了颗粒在管道中的随机分布现象,提高了流式细胞检测的准确性,分析后的样品还能被无稀释地回收再利用。从驻波形成、声阻抗匹配、颗粒在声场中的受力分析等理论出发,着重仿真分析了驻波场中颗粒在不同参数下的运动路径。在理论模型的基础上搭建了1.462 MHz频率驱动的方形毛细管实验平台,利用10和20μm直径的聚苯乙烯微球验证了超声聚焦颗粒的可行性,实验表明低流速、高声场强度时聚焦更紧密,大颗粒比小颗粒更易聚焦。该结论与仿真结果一致。     

精密点胶螺杆泵胶液流动分析与数值仿真

分析了胶液在精密点胶螺杆泵内的流动过程。把胶液在螺杆泵内的流动分成入口段、螺杆段和针头段三段进行分析;建立三维几何模型,利用流体仿真软件FLUENT对胶液在螺杆旋转条件下的流动过程进行数值模拟,得到了螺杆转速、螺槽尺寸、入口压力和针头大小等参数对挤胶量的影响规律。通过试验验证了仿真结果的合理性。研究结果为确定合理的螺杆泵几何参数及外部条件提供了理论依据。     

基于迪恩涡流的流式三维聚焦芯片设计和仿真

根据迪恩涡流理论,设计了一个利用平面微加工工艺可以制作的流式三维聚焦芯片,并用FLUENT进行了仿真分析。研究了在弯管结构中,迪恩涡流的变化过程,以及样品被聚焦的过程。分析了不同的样品流速、鞘液流速对聚焦效果的影响。仿真结果验证了流式三维聚焦芯片的功能,并为三维聚焦系统控制提供了依据。     

叶片式混输泵入口段气液两相流场可视化试验

气液两相混合流体在叶片式混输泵内的流动与入口段气液混合程度有直接的关系,故在混输泵入口前端设置了自行设计的缓冲均化器,并通过可视化试验探索入口段气液两相流型及气泡直径随转速和入口含气率的变化规律。研究发现:经过缓冲均化器后,气液两相流体在混输泵入口段表现为均匀的泡状流,无大团气泡聚集现象,说明缓冲均化器结构及多孔管开孔方案合理,能够起到均匀混合气液两相流体的作用;在同一转速和液相流量下,混输泵入口段气泡直径变化规律呈正态分布,随着入口含气率的增加(0~50%),气体总流量增加,在均化器中与水混合后形成的气泡初始直径逐渐增加,使得混输泵入口段气泡直径也逐渐增加;在同一液相流量和入口含气率工况下,气泡的初始直径相同,而随着混输泵转速的增加(1 800~2 700 r/min),入口段流体旋转角速度增大,导致液相对气相的拖曳力也相应增大,最终导致气泡直径变小;绘制了泵入口气泡直径随入口含气率及转速的变化规律曲线,可以为混输泵内流场数值模拟中入口气液两相流型及平均气泡直径的设置提供参考。     

客车制动气室气体入口直径对压力特性影响的研究

根据客车气压制动系统,建立气室气体入口、气室内腔压力等关键部件的数学模型,参照国际标准搭建制动气室压力特性试验平台;通过试验与仿真,导出四种入口直径下的气室内腔压力、推杆位移等试验和仿真参数;从压力响应时间、系统节能、系统稳定性三个方面分析气室气体入口直径对压力特性的影响。试验和仿真数据结果具有良好的一致性,可为制动气室的分析与设计提供参考。     

井下自动排水系统关键部件流体特性研究

通过对不同结构的射流泵三维模型的搭建,对相关参数进行设置,对吸入室长度、吸入管位置、喉管收缩半角以及吸入室直径等参数对射流泵流体特性的影响进行仿真分析,从而得出当喉管收缩半角为13.5°～17.1°、射流泵吸入室直径为射流管直径的1.56倍到1.68倍之间时,射流泵的流体特性最稳定,工作效率最高。     

具有三维聚焦功能的微流控芯片

为了使用微流体细胞仪对细胞精确计数,采用紫外光刻工艺制作了能够真正实现三维聚焦功能的微流体检测芯片(微流控芯片).使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行二次倒模复制其结构以缩短微流控芯片制作周期、降低制作成本,并进行了芯片的封装与测试.首先,利用沉浸式光刻技术和斜曝光工艺制作了具有三维聚焦功能的SU-8微流沟道;然后,利用PDMS对所制作的SU-8微流沟道进行一次倒模,得到其负模结构;对负模结构进行表面处理后,再进行二次倒模,得到PDMS微流沟道;最后,封装PDMS微流沟道与盖片,制得微流控芯片,并对微流控芯片的沟道聚焦效果进行了测试.实验测试发现随着鞘流与样本流流速比不同,得到样本流的聚焦宽度也不同.当鞘流与样本流流速比为20∶1时,可以得到约10.4 μm的聚焦宽度.结果表明,该芯片结构可靠,可以满足进一步的流体聚焦检测要求.采用该方法制作的微流控芯片具有生产周期短、成本低、效率高和结构可靠的特点.     

镁合金熔化炉熔液温度波动影响因素的模拟研究

结合正交试验法和流体模拟分析软件Fluent,对镁液在连续浇注过程中的流动进行模拟分析。通过级差分析,确定镁锭重量、镁锭预热温度、熔化室与取料室体积比及取料速度这四个参数对镁液温度波动的影响,并通过绘制因素水平影响趋势图,分析得出对镁液温度波动影响最小的组合方案,并提出抑制取料室镁液温度波动的措施。     

塑变区中润滑剂法向应力差的影响的数值研究

本文指出金属塑性加工变形区中润滑剂的流动是一种入口收敛流动,并采用二阶流体本构方程得到了非年顿流体入口收敛流动的运动方程。研究了流体法向应力差在入口收敛流场中对润滑油膜压力的影响。数值分析结果表明,流体法向应力差和流体入口收敛流吏同膜压力下降,但流体法向应力差是主要因素。     

磨料水射流喷嘴内流场的数值模拟

该文以后混合磨料水射流水喷嘴为研究对象,基于两相流动的欧拉-拉格朗日和高雷诺数的标准双方程湍流模型,应用FLUENT软件对磨料水喷嘴内部两相流进行仿真,研究了固液两相流在磨料水喷嘴中的流体动态、磨料粒子的速度。通过对磨料水喷嘴磨损和液固混合相流域的权衡和模拟结果分析,得到磨料水喷嘴的锥形收敛角为30°、柱形内孔直径为0.76 mm、聚焦管总长为73 mm时具有较好的切割性能。通过分析不同长度、直径、锥形入口角的磨料水喷嘴,优化了磨料水喷嘴的结构参数。     

基于计算流体力学模拟的蒸汽喷射器结构优化

蒸汽喷射器的设计分析通常采用气体动力学或一维理论方法,但这些方法常常得不到最佳的几何结构。本文应用计算流体力学方法对用于余热回收的蒸汽喷射器的内部流场进行数值模拟,并分析了喷嘴喉部直径、混合室入口直径、等截面段直径、喷嘴出口到混合室入口的距离和等截面段长度对喷射系数的影响,然后采用5水平5因素的正交分析法对喷射器进行了多结构参数的变化分析。结果表明,通过正交分析法得到的喷射器结构参数组合能够实现较优的性能。     

接触网绝缘子带电水冲洗的关键参数研究

为了研究接触网绝缘子带电水冲洗过程中喷嘴入口压力、喷嘴出口直径、风速等关键参数的影响,采用CFD软件Fluent进行气液两相流仿真,对比分析不同参数对水冲洗效果及安全性的影响。结果表明：入口压力是影响水射流速度的关键参数,出口直径是影响水射流水气比的关键参数;入口压力、出口直径、风速等参数都会影响水射流的直线性能及冲洗效果,尽量在风速低于2.5m/s或无风环境下进行冲洗作业,且尽量增加喷嘴入口压力以及选择直径较大的喷嘴;得到了喷嘴直径、射流距离与水气比的关系,为不同水冲洗情况下的喷嘴直径选择提供了参考。     

蒸汽喷射泵部分结构参数对其性能影响的研究

水蒸汽喷射泵结构的优化对其工作性能有重要影响,通过适当的工作模型假设与简化,利用Fluent流体仿真软件对水蒸汽喷射泵工作的情况数值模拟计算,经过Gambit网格划分,Fluent求解,分析几个结构参数(喉径比、混合室入口直径、喉管长度)对水蒸汽喷射泵工作性能的影响规律,从而找出这些结构参数较合理的取值范围,使泵的工作性能达到最优化。     

间隙水输运管流体运动分析

对沉积物间隙水在充满超纯水的采样管内的流动和扩散规律的研究是之后对样品进行分析研究的基础。建立了流体运动的数学模型,利用FLUENT软件中的组分输运模型对质量分数为1%的nacl溶液在水中的扩散进行了仿真。模拟了在一定入口流速下从采样管和间隙水交界处开始的溶液浓度分布规律,分别讨论了流速梯度及分子扩散对溶液浓度分布的影响,通过仿真分析验证了理论公式的正确性。     

固体杂质对输油管道弯头的冲刷腐蚀仿真研究

本文以含固体杂质的输油管道(液固两相流)为研究对象,采用COMSOL流体流动粒子追踪接口对弯头处冲蚀现象进行模拟仿真。分析不同入口流速情况下,弯头内速度分布、压力分布及冲蚀磨损率等。通过Finnie、DNV和E/CRC 3种不同的冲蚀模型分析管道弯曲部位的冲蚀速率。     

螺旋离心泵内固液两相流的数值模拟

以螺旋离心泵为对象,利用欧拉k-ε数学模型对其内部三维流动进行数值模拟,计算了颗粒直径相同和浓度不同、颗粒直径不同和浓度相同以及同一流体中含有两种不同直径颗粒等三种状况下螺旋离心泵的液固两相流场,比较了颗粒直径和浓度对计算结果的影响,分析了浓度、速度、压力等流动参数在泵内的分布规律及相互影响,为改善叶轮的性能和进一步深入研究泵内的液固两相流动机理提供了一定的参考.     

沙尘环境模拟箱内颗粒流动与沉降的数值模拟

沙尘颗粒在摩擦表面的沉积是其影响摩擦性能的重要因素，而使用沙尘环境模拟装置是开展摩擦、磨损实验的主要手段。设计了一种沙尘环境模拟箱，其由沙箱、鼓风机、沙尘通道、隔板、沙尘沉降室及排风口等组成；运用DPM离散相模型对模拟箱内气-固两相流动进行分析，采用欧拉坐标系SST k-ε 湍流模型计算空气流动，采用拉格朗日随机轨道模型计算沙尘颗粒的流动和沉降。模拟结果表明：当其他条件相同时，风速越大，颗粒在沙尘沉降室内的绕流现象越明显；当气相入口速度相同时，通道隔板通孔直径越大，沉降室内沉积的颗粒质量也越大；而当隔板通孔直径一定时，沉积颗粒的质量受气相入口速度影响较大。制作了沙尘环境模拟箱，对仿真结果进行了实验验证。结果表明：沙尘沉降室内摩擦副所在区域的颗粒沉积量和颗粒质量百分比分布与仿真结果吻合较好，验证了自制沙尘环境模拟箱的可行性和有效性。