层流状态下超疏水表面流场建模与减阻特性仿真研究

在充分发展层流状态下对具有规则微观结构的超疏水表面流场进行数值仿真研究,分析了超疏水表面流场的减阻特性.针对超疏水表面微观结构特点,采用Cassie接触模型,对计算域利用结构化网格进行划分,采用VOF多向流模型进行数值仿真.研究表明:超疏水表面凹槽附近产生压差阻力导致凹槽内部形成低速漩涡,产生推动效应与涡垫效应;超疏水表面减阻率随凹槽槽宽增大而增大,受凹槽深度影响不显著,矩形凹槽比V形凹槽与U形凹槽有更好的减阻效果.     

表面活性剂水溶液在工业管道内流动时的减阻现象研究

通过实验研究三种阴离子和两种非离子表面活性剂的水溶液,不同浓度下,在工业管道内流动时的减阻现象,并讨论了温度对减阻效应的影响和溶液的使用寿命等问题。根据流变实验的结果,认为这些溶液属于三阶流体,推出了三阶流体的速度分布。最后,阐述了这些溶液在工业上应用的可能性、应用条件和应用场合,认为有三种表面活性剂有应用价值。     

圆截面PDMS微通道内微流动的Micro—PIV分析

对圆截面PDMS微通道内液体流动行为的Micro-PIV分析方法进行了研究,以互相关理论为基础,在Matlab7.0平台下自行开发了Micro-PIV分析程序,并利用日本可视化协会(VSJ)提供的PIV标准图像验证算法的可靠性.对圆截面通道内的流动行为进行分析,得到了流动的速度矢量分布场、切应力分布,以及压差与流动速度之间的关系,这些关系均基本符合微流变学层流理论,这说明Micro-PIV分析方法具有可行性和可靠性,同时也验证了采用微丝模塑技术构建的通道具有良好的流动性能.     

页岩气基质纳米通道流动模拟研究

结合活性炭表面扩散系数计算原理,建立页岩气在纳米孔道中的流动方程。模拟结果表明:通道半径为0~8nm,通道中以吸附气的表面扩散为主,压力的影响可忽略不计;通道半径大于10 nm时,表面扩散通量相对较少,压力的影响不可忽略;当通道半径高于50 nm时,自由分子流动通量可以达到99%,压力是气体分子传输速度的主要影响因素。     

微通道内纳米流体的流动与换热特性

以不同浓度的TiO₂-水纳米流体和水为冷却工质,在扇形微通道热沉内进行流动和换热特性模拟和实验研究.模拟采用有限体积法的两相混合模型,搭建了能测量纳米流体流量、进出口压降和温度、底面加热膜温度的实验系统;工质在微通道内的雷诺数处于207~465,加热膜热流密度为2×10⁶W/m².结果显示:在扇形微通道内,纳米流体的摩擦阻力系数随Re变化趋势与水相似,且均比水大;随着Re的增大,各工质的摩擦阻力系数下降.纳米流体的传热性能强于水;随着TiO₂纳米颗粒浓度和Re的增大,Nu升高,纳米流体的强化传热能力随之提高.     

圆管内高聚物湍流减阻流动特性研究

高聚物湍流减阻可降低传输过程中的流动阻力和能耗,研究其减阻特性具有工程应用价值。文章采用等效黏度模型和湍流模型,利用计算流体力学方法建立三维模型,结合减阻参数,模拟了流动速度和高聚物浓度等影响高聚物减阻的主要因素,分析了管道内湍流减阻的流动特性及减阻规律。结果表明：圆管管道内高聚物湍流减阻率随减阻参数的增大而增大,其最大减阻率约在50%处,而后减阻效果降低,且管道内流速越大,减阻效果越好;管道中雷诺应力分量、湍动能、涡黏系数、湍流涡耗散随减阻参数的增加逐渐降低,当减阻参数为28时,高聚物湍流减阻效果最好。     

矩形微通道内流动沸腾压力降实验研究

对去离子水在矩形微通道(0.54 mm×1.6 mm×330 mm)中的流动沸腾压力降特性进行了实验研究.结果表明:质量流速和出口干度对压力降有重要影响,总压力降随质量流速和出口干度的增加而增大;各分压力降中摩擦压力降占主要部分,其次是重力、加速和单相流压力降.在实验数据基础上拟合微通道内单相流摩擦系数关联式,预测值与实验数据吻合良好,对微通道内流动沸腾摩擦压力降的研究有重要的参考价值.     

凹槽内剪切流动特性对滑动减阻的影响

为了揭示凹槽内部剪切流动特性对滑动减阻效果的影响,利用静、动滑动摩擦因数测试系统和计算流体力学方法,理论、实验和数值模拟研究了凹槽高宽比(e=0.5、1.0、2.0、3.0)、凹槽几何尺寸、壁面运动速度等因素,对凹槽内的剪切流动特性及壁面滑动减阻效果的影响.研究发现,凹槽结构增加了润滑油滑动减阻效果,凹槽几何结构对减阻效果有明显影响,当凹槽宽度L、深度H均为2 mm时,凹槽的减阻效果相对较好,且壁面运动速度对其剪切力减小率fτ的影响较小.此外,凹槽尺寸、壁面滑动速度对凹槽内流场特性有重要影响,不同工况下凹槽内部存在上下2个涡或者1个大涡和2个边角涡.结果表明:凹槽内的剪切流动特性对滑动减阻效果有重要影响,并可为滑块表面凹槽结构设计提供重要的指导.     

正弦波脉动流对微通道内流体流动与传热特性的影响

采用数值计算方法研究了两种结构微通道内由于入口速度的正弦变化而发展的非稳态层流流动与换热特性.分别研究了脉动频率、振幅以及雷诺数对流体在微通道内流动与传热的影响.研究结果表明,在雷诺数为100～400时,脉动流动对矩形通道底面温度与换热性能影响较小,但对三角凹穴结构通道有着显著影响.随着脉动频率的增加,通道底面温度先增加后减小.证明存在一极限频率使得小于该频率时通道底面温度升高,大于该频率时则降低.随着振幅的增加,通道底面温度在减小,换热不断增强.但是,随着雷诺数的增加,脉动流动的作用逐渐减小.脉动频率与振幅的增加都会使得通道的压降增加.     

弯曲微通道周期性流动和液体混合效率分析

采用数值方法研究生物芯片弯曲微通道三维周期流动特征,生物样品和试剂液体在微通道扩散混合过程,对微通道四种流动工况进行详细计算和分析.数值分析结果表明,在定向流量、通道截面和长度相同的条件下,从第(1)到第(4)工况顺序,液体混合效率渐次提高,第(4)工况液体混合效率最高.流动特征分析表明,弯曲微通道横截面的二次流动和周期流动在通道横截面变化的速度分布可以大大提高液体混合效率.     

Research on Micro-Flow Self-Sensing Actuators Based on Piezoelectric Ceramic Stack`

The paper is concerned with the micro-flow self-sensing actuators, the work of which is based on the secondary piezoelectric eftect. The piezoelectric ceramic stack can yield micro-displacement due to its first inverse piezoelectric effect. Therefore, we apply this micro-displacement to cell micro-flow injection. Moreover, due to the charge of the secondary direct piezoelectric effect, the piezoelectric ceramic stack is able to detect the force and displacement in the injection by itself. The experiments of first inverse piezoelectric effect and secondary direct piezoelectric effect are conducted. The experiment results show that, subjected to 0-60 V input, the piezoelectric ceramic stack can generate 13.45 μm displacement, and control accuracy can achieve 2 nm. It can completely meet the needs of cell micro-flow injection. Also, the experiments demonstrate that the micro-displacement due to the first inverse piezoelectric effect can be well self-sensed by the electric charge due to the secondary direct piezoelectric effect.     

Cu(100)表面空位扩散的分子动力学研究

采用原子镶嵌(EAM)势,利用分子动力学方法研究了单个空位在C u(100)表面及其附近区域扩散分子动力学过程,给出了空位在此表面附近不同层的形成能和迁移能。研究结果表明空位在表面形成能最小,随着层数增加空位形成能也增加,直到表面以下第五层达到体值。对于空位迁移,计算结果表明处于表面层附近的空位容易向上一层迁移直至迁移到表面。     

分子动力学模拟研究:低聚物在高分子母体中的扩散

采用显式表示氢原子的全原子模型,应用分子动力学模拟,在SGI O2工作站和SGI Origin 200服务器上用Molecular SimulationsInc．(MSI)的Cerius2软件研究甲基丙烯酸甲酯低聚物(聚合度n=i～10)在聚甲基丙烯酸甲酯母体中的扩散现象。结果表明,随着低聚物聚合度的增加,从单聚体到三聚体其扩散系数迅速减小,而从四聚体到十聚体其扩散系数几乎保持不变。而且,通过对模拟获得的扩散系数进行标度,所得结果能够与实验得到的数值符合得很好。对低聚物在高分予母体中的扩散机理进行了探讨,在聚合度很小时(三个以下),低聚物可能以整体迁移扩散为主,而在聚合度稍大时,则以局部蠕动扩散为主。     

石墨烯/h-BN面内异质结构热输运的分子动力学研究

采用非平衡分子动力学方法探究石墨烯/h-BN面内异质结构界面热导的影响因素,讨论了单空位缺陷和Stone-Wales (SW)缺陷在近界面不同位置时的声子热输运活动。模拟结果证明,当h-BN一侧单空位缺陷远离界面,界面热导随之降低; SW缺陷则由共价键类型和位置决定其对界面热导的影响,由此揭示缺陷的类型和位置对界面热导带来的调节作用。此外,讨论了界面处存在单空位缺陷时,温度变化影响界面热导背后的潜在机理。本研究对微观尺度下的二维异质结构材料的热导性能提供理论参考和实验指导。     

混配柴油分子系统相容性的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟方法,利用计算得到的溶解度参数,对模拟的石化柴油和大豆油混配柴油系统的相容性进行了研究。选用了几种和模拟系统分子相关的长链烷烃和不饱和脂肪酸甲酯作为参照物,将其模拟溶解度参数计算值和实验或经验值进行了对比,发现偏差较小,验证了文中模拟方法的可信性。然后,构建了由正十六烷模拟的石化柴油和几种不饱和脂肪酸甲酯模拟的大豆油按不同比例混配得到的7种柴油分子系统。对7种系统在293K时的溶解度参数进行了计算,结果发现,混合柴油系统的相容性随大豆油的配比增加呈现先减后增现象,在大豆油的物质的量比约0.6左右,系统的溶解度参数出现了最大的正偏差,表明此时两种油的相容性最佳。本结论将为柴油的混配研究提供一定的理论参考。     

纳米磨削分子动力学仿真Gear预测修正算法

纳米磨削是实现超精密加工的重要方法,纳米磨削能产生极其薄的切屑,实验证明纳米磨削的切屑厚度可以下降到1nm。因此可以使用分子动力学仿真来分析纳米磨削机理。运用Gear预测修正算法对磨粒原子和工件原子之间的相互作用进行了研究。建立了分子动力学仿真的运动方程,对其进行了数值求解,从而获得了工件原子变化后的位移和速度。     

过氧化氢水合物稳定性分子动力学模拟研究

采用分子动力学模拟方法研究过氧化氢(Hydrogen Peroxide,HP)作为客体分子形成结构Ⅰ型(SI)水合物稳定性。系统分析了不同数目的HP填充到SI笼子中形成水合物晶体稳定机理。模拟表明,无辅助气体下,HP不能形成稳定的SI水合物。添加甲烷辅助气体对水合物形成具有稳定作用,随辅助气体的增加水合物笼状结构破坏缓慢。在添加1个HP到SI大胞腔中,其它胞腔填充辅助气体情况下,能形成稳定SI水合物。研究表明HP作为促进水合物分解的化学试剂与醇类具有相似性质,仅在低浓度下可以形成稳定水合物,为HP溶液促进甲烷水合物分解实验研究提供参考。     

浓度对NaCl水溶液影响的分子动力学模拟

采用分子动力学(MD)模拟方法对温度为298K，浓度分别为0．87mol／L、2．2mol／L和4．1mol／L的NaCl溶液进行了研究，考察了浓度对溶液微观结构和动态性质的影响。模拟发现，浓度对离子近程水化的结构有一定的影响，随着溶液浓度的增加O-O径向分布函数变化显著，高浓度时水分子周围不再有明显的第二配位圈。MD模拟得到的溶液微观构型的图像显示，Na^ 水化圈内的水分子以氧原子靠近阳离子，Cl^-水化圈内的水分子以氢原子靠近阴离子。Na^ 的水化数随着溶液浓度的增加逐渐减小，Cl^-的水化数随着溶液浓度的增加逐渐变大，水分子在阴离子和阳离子的水化圈内的停留时间均随着电解质浓度的增加而增加。溶液浓度的增加，加剧了离子微观反向运动的振荡，自扩散系数降低。