微流控芯片中液滴被动式融合的流道设计

液滴是近年来在微流控芯片上发展起来的一种全新的操纵微小体积液体的技术.液滴的融合方式分为主动式和被动式两种,主动式融合主要是通过在局部施加电场进行的电融合,而被动式融合则是通过对流道的形状局部修改,利用两个液滴的速度差和由于挤压形变后产生的应力促使液滴完全融合.文中设计了一种用于融合液滴的扩张通道,给出流体控制方程,从雷诺数、空间受限效应、主流流体的流场变化和液滴体积4个方面探讨对液滴有效融合的影响.     

声表面波微流控液滴生成技术研究进展

微液滴是一种十分优秀的微反应器,在化学合成、生物检测及细胞研究等领域应用广泛。近年来,声表面波微流控技术发展迅速,在微液滴制备中具有重要应用前景。首先简单回顾了微液滴和声表面波微流控的研究发展历程,然后重点介绍了声表面波微流控液滴生成的工作原理、器件结构、液滴生成过程及工艺参数等;同时介绍了声表面波微流控核壳微液滴的可控生成机理及其制造过程。最后总结并展望了该技术在生化检测、生物3D打印等领域的应用前景。     

核酸检测一体化微流控芯片设计与液滴操纵分析

设计了一种基于磁珠法的两相流液滴微流控芯片,包含样品提纯、扩增和检测一系列连续的生化过程,可用于快速核酸检测.首先建立了磁珠和液滴在两相流体系内的动力学模型,并借助有限元仿真平台对磁珠微团所处环境进行了磁场仿真,得到不同体积磁珠微团所受的磁力.进一步还分析了磁珠微团、液滴体积、永磁体移动速度对液滴运动状态的影响,最终总结出液滴操纵图.     

用于两相流流速测量的极性导向式自适应算法

提出利用导向式自适应算法处理两相流的流动噪声信号,以估计出的流动噪声传输参数计算两相流流速,对这种算法的收敛性和流速测量性能进行了论证.当流动噪声信号量化为1 bit时,则形成极性导向自适应算法,它便于用比较简单的硬件实现快速运算,适于制作成专用的流速检测集成芯片.理论分析和实验结果表明,这种方法测量结果的实时性和分辨率优于相关法.文中给出气水两相流垂直管段与极性相关法进行对比实验的结果.     

叶顶间隙对离心泵气液两相流特性的影响

为研究叶顶间隙对离心泵气液两相流特性的影响，以比转速为33的半开式叶轮离心泵为研究对象，设计了四种叶顶间隙值(0.3 mm、0.5 mm、0.7 mm、1 mm)的模型泵，采用Eulerian模型对各间隙值模型泵进行了不同进口含气率(IGVF)不同流量工况下气液两相流动进行了数值计算，得到了不同IGVF下各模型泵的外特性曲线，并分析了叶顶间隙变化对模型泵外特性及其内部流场影响规律。结果表明：当IGVF≤5%时，气相在泵内的聚集程度较低，叶顶间隙泄漏流动是影响模型泵性能的主要原因，模型泵的性能随间隙值的增大而减小，0.3 mm间隙值为最佳间隙值；当IGVF=12%时，气相在泵内高度聚集，导致叶轮内部流动极为紊乱，湍动能的分布范围和强度也逐渐增强，由此造成的能量损失是导致模型泵性能下降的主要因素，其中0.5 mm间隙值模型泵的湍动能分布和强度最小，此时模型泵的性能达到最佳。     

Y型微通道中两相界面特性变化分析

利用追踪运动界面的两相流模型数值研究对流Y型微通道中两相界面形貌变化特性。发现对流Y型微通道Y型角度、连续相毛细数、两相流量对液滴生成时间、速度、大小有重要影响。其中连续相毛细数与Y型角度越小,所生成的液滴体积越大,而随着分散相与连续相流量比例的增大,其对液滴体积的影响变小,但流量比不能无限增大或减小,当比值大于0.5或小于0.05时,此时分散相只能以液柱或液丝的形式出现,无法产生液滴;当分散相流量越大,相应液滴的生成速度也几乎成比例增大,且分散相流量的变化对液滴长度的演变过程有更大的影响。此外随Y型角度的增加,液滴在形成过程中,填充时间变长,缩颈时间变短,液滴脱离机理主要是因为来自连续相正应力的作用。     

基于改进BP算法的两相流层析成像仿真

本文提出了基于改进的ＢＰ算法的对象道内两相流进行电容层析成像方法。研究了提高收敛速度的途径以及成像的网络模型,并给出了图像仿真结果,结果表明该方法能缩短训练时间。     

半月形电极微液滴驱动的微流控芯片

针对目前数字微流控芯片驱动电压比较高的问题,本文对比传统的驱动电极结构,研制了一种可以降低驱动电压的半月形驱动电极数字微流控芯片.首先,基于介电湿润原理,分析微液滴所受介电湿润力和微液滴接触圆上有效三相接触线所对应弦长的关系.接着,对比分析了传统的方形、叉齿形驱动电极与提出的半月形驱动电极上液滴有效三相接触线所形成的弦长大小;分析得出3种驱动电极结构中半月形驱动电极所形成的有效弦长最大,从而表明半月形驱动电极的数字微流控芯片上介电驱动力最大.最后,利用设计制作的3种驱动电极介电湿润芯片分别实验验证驱动液滴的效果.结果表明,所研制的半月形驱动电极数字微流控芯片的最小驱动电压分别比方形和叉齿形驱动电极芯片降低了约37％和67％.另外,当有效驱动电压为60 V时,半月形驱动电极芯片上2μL去离子水微液滴的速度约为10 cm/s,分别是方形与叉齿形驱动电极芯片上液滴速度的3倍和2倍.得到的实验数据证明了半月形驱动电极数字微流控芯片实现了降低芯片驱动电压的目的.     

喷嘴结构对高速滚动轴承油气润滑两相流特性的影响

基于油气两相流基本理论,采用 Fluent 仿真软件建立油气润滑系统喷嘴、轴承腔的油气两相流模型,分析油气两相流流经直接喷射型和内圈喷射型2种结构喷嘴后在轴承腔内的流动状态,分析内圈喷射型喷嘴的竖直管道与倾斜管道夹角及喷嘴出口结构等关键设计参数对轴承内部油气两相流分布状况的影响。仿真结果表明：内圈喷射型喷嘴具有更好的润滑效果,减小了油气润滑系统的耗油量和耗气量;竖管与倾斜管道夹角越小,越利于环状流的保持,供油均匀性越好;突扩管结构设计,有利于缓解因油气波动造成的供油不均匀。     

翻板浮阀阀芯流道两相流流场分析

翻板浮阀是一种重要的内防喷工具,在实际使用中,其阀芯内流道中容易出现岩屑沉积而阻碍浮板的正常开启与关闭。针对其阀芯流道内容易出现岩屑沉积的问题,采用Fluent对其内流场进行仿真计算,研究对阀芯流道锥角变化对其内流场的影响,分析四种不同阀芯入口锥角情况下,阀芯内部流场的气体、岩屑速度情况和岩屑的分布情况。通过研究发现,随着阀芯入口锥度的增大,气体和岩屑的运动速度逐渐增大,阀芯内部流场的紊流情况加剧,在锥角达到5°和7°时,浮板动作区域出现大范围的漩涡;岩屑体积分数随着锥角的增大出现不均匀的情况,并从流道直径最小处向进口处,出现岩屑沉积。     

Influence of Self-excited Vibrating Cavity Structure on Droplet Diameter Characteristics of Twin-fluid Nozzle

It is a great challenge to find effective atomizing technology for reducing industrial pollution; the twin-fluid atomizing nozzle has drawn great attention in this field recently. Current studies on twin-fluid nozzles mainly focus on droplet breakup and single droplet characteristics. Research relating to the influences of structural parameters on the droplet diameter characteristics in the flow field is scarcely available. In this paper, the influence of a self-excited vibrating cavity structure on droplet diameter characteristics was investigated. Twin-fluid atomizing tests were performed by a self-built open atomizing test bench, which was based on a phase Doppler particle analyzer(PDPA). The atomizing flow field of the twin-fluid nozzle with a self-excited vibrating cavity and its absence were tested and analyzed. Then the atomizing flow field of the twin-fluid nozzle with different self-excited vibrating cavity structures was investigated.The experimental results show that the structural parameters of the self-excited vibrating cavity had a great effect on the breakup of large droplets. The Sauter mean diameter(SMD) increased with the increase of orifice diameter or orifice depth. Moreover, a smaller orifice diameter or orifice depth was beneficial to enhancing the turbulence around the outlet of nozzle and decreasing the SMD. The atomizing performance was better when the orifice diameter was2.0 mm or the orifice depth was 1.5 mm. Furthermore, the SMD increased first and then decreased with the increase of the distance between the nozzle outlet and self-excited vibrating cavity, and the SMD of more than half the atomizing flow field was under 35 μm when the distance was 5.0 mm. In addition, with the increase of axial and radial distance from the nozzle outlet, the SMD and arithmetic mean diameter(AMD) tend to increase. The research results provide some design parameters for the twin-fluid nozzle, and the experimental results could serve as a beneficial supplement to the twin-fluid nozzle study.     

超声多普勒谱修正的油水两相流流速测量

针对水平管道油水两相流流速的无扰动测量问题,提出一种基于超声/电学双模态传感器的流速测量方法。测量系统由连续波超声多普勒传感器和基于电容与电导的电学传感器构成,分别用于获取两相流流速和分相含率。由于连续波多普勒的测量区域集中于管道中心,受流速剖面、含率分布影响,所测得流速并非流体的总表观流速。在假设含率分布满足高斯分布的前提下,建立相含率加权的多普勒能量谱模型,将含率分布的影响因素引入总表观流速的测量,并建立总表管流速和分相表观流速的计算模型。在试验基础上,分别确定水连续和油连续时总表观流速计算模型的参数。试验表明,通过模型计算出的表观流速与实际测量的流速能够较好吻合,总表观流速的相对误差小于6.32%,分相表观流速的方均根误差小于5.64%。     

液滴喷射过程流场与速度场的数值模拟

液滴喷射增材制造技术是一种新的3D打印技术,研究液滴飞行过程中形态的变化对增材制造精度起着重要作用。采用计算流体力学中VOF和CSF模型建立了方波信号作用下液滴喷射过程模型,模拟研究了喷射过程中不同时刻水滴的形态变化和速度分布,且对液滴中间轴向和径向截面上速度的具体分布进行了数值分析。模拟结果表明,液滴下落时需要经历伸长、颈缩、断裂、振荡和成球五个阶段,在力的综合作用下最终液滴形成圆球状且速度分布均匀。模拟结果和相关理论吻合较好,为液滴喷射增材制造技术的进一步发展提供了一定的理论基础。     

两相流冷板流道除水烘干工艺研究

与传统液冷系统相比,两相流冷却系统在冷板流道多余物控制上,除了不能有金属切屑、油污等杂质外,还增加了除水要求,防止低温环境下水结冰堵塞流道。冷板流道布局复杂且存在盲区,除水难度极大。文中针对两相流冷板除水烘干工艺进行了重点研究,采用加热升温与抽真空相结合的工艺措施使冷板流道内的残留水持续沸腾汽化以达到除水目的,并通过理论研究与试验分析将工艺参数固化。试验结果表明,该工艺方法可行,且能有效提高产品两相流冷却系统的整体可靠性。     

灌水器内圆弧形流道的液固两相流场分析

针对迷宫流道灌水器结构细微复杂等特点，利用计算流体动力学方法对其流道内流场进行液固两相数值模拟。采用雷诺应力模型和壁面函数法模拟流体流动，采用离散相模型跟踪颗粒运动轨迹。研究表明，每个单元流道不同部位的流体流速相差较大，在圆弧顶部和右下侧均出现不同大小的漩涡，沿流动方向漩涡呈扩大趋势；小颗粒的跟随性比大颗粒的跟随性好，但更易受湍流脉动的影响，部分颗粒会在涡团中心处沉淀下来，导致流道堵塞，灌水器的堵塞实验结果验证了数值分析的正确性；相对颗粒直径而言，颗粒密度对其运动轨迹的影响要小得多。     

板翅换热器流道结构改进与流体流动性能分析

研究超大型空分装备中板翅式换热器流道改进结构及其对换热器内流体流动影响,设计一种新型板翅换热器流道结构,该新型流道结构可以改变换热器流道内流体的流动方向,促使流体在板翅换热器内部呈M形流动,从而延长换热器中流体的流动距离,增大流体的湍流性能,强化换热器的换热效果。对板翅式换热器流道中转折位置流体的分布情况进行分析,着重分析换热器流道转折位置与流体流动速度、压力变化以及流体湍流性能之间的对应关系。采用Fluent分析流道结构改进前后板翅式换热器内流体的流动情况,可以看出改进后的流道结构可以显著增强换热器内流体的湍流性能,与结构改进之前的传统流道相比,新型流道结构的板翅式换热器通过增大内部流体的湍流性能的方式,提升换热器的换热效率。     

阀芯结构对双流体喷雾粒子特性的影响

为了研究阀芯结构对双流体喷雾粒子特性的影响,提升喷雾效果,运用相位多普勒粒子分析仪（PDPA）对不同阀芯结构的双流体喷雾雾滴粒径、轴向速度以及雾滴数目进行了测试,并对测量结果进行了分析和讨论。结果表明：随着轴向距离的增大,雾滴索特平均直径(SMD)、算术平均直径(AMD)呈先增大后趋于平缓的趋势,轴向速度以及湍流脉动速度均呈减小趋势,雾滴数目呈先增大后减小的趋势;随着气液压力比的增大,SMD呈先增大后减小的趋势,而AMD、轴向速度以及雾滴数目均呈减小趋势;阀芯的喉口直径、出口直径的减小均有利于喷雾效果的提升,但同时导致速度稳定性变差;当喉口直径为1.5mm、出口直径为2.5mm时,与原始阀芯结构相比,雾滴数目和雾滴轴向速度分别增大了82.43%和22.31%,SMD和AMD分别减小了52.18%和21.47%,综合喷雾效果得到了大幅提升。     

基于分区测速原理的工业两相流体流量测量方法研究

通过对工业流体流速分布规律的分析,提出了基于分区测速原理的两相流体流量测量方法.该方法把整个流体的流通截面划分为若干个信息窗区域,根据超声波多普勒测速原理,采用一个换能器发射信号,多个换能器接收信号的方式测量各信息窗区域内流体的流速值,然后利用"加权积分法"得到流体的流量.侧重论述了工业流体的流速分布规律,分区流速测量原理,以及加权积分法流量计算方程.试验证明,该方法有效减小了因流体流速分布不均而产生的测量误差,提高了多普勒流量计的测量精度.     

面能量对激光—电弧复合焊接焊缝及熔滴过渡的影响

引入面能量的定义,从激光功率、电弧参数和焊接速度等方面来研究面能量的变化对焊缝熔深、熔宽、焊缝成形系数和熔滴过渡的影响,试图建立激光能量与电弧能量之间的最佳配比关系以及面能量与熔深的定量关系。采用高速摄像系统观测熔滴过渡模式和等离子体形态的变化,并采集焊接过程中的电弧和熔滴图像;利用激光共聚焦显微镜观察焊缝形貌,并测量焊缝熔宽、熔深等数据。试验研究发现:激光与电弧两热源之间存在最优匹配范围;电弧电压与焊接电流之间存在U(15 1)0.05I的关系式;焊接速度的降低与焊缝熔深的增加并非线性关系,可选择的焊接速度是一个区间,该区间内存在一个最佳的焊接速度,并对应一个最佳的面能量。因此,在具体的激光—电弧复合焊接中,需要根据板厚、接头形式等确定激光与电弧的能量参数,选择合适的面能量。