超疏水表面滑移流动特性数值仿真研究

提出了两无限大平行平板间充分发展层流流动的滑移参数计算方法,并基于不连续气层假设的滑移流动模型,在壁面条件中给定无滑移边界面和自由剪切面组成的复合边界条件,对具有规则微观结构的超疏水表面滑移流动特性进行数值仿真研究.数值仿真结果表明:该计算方法不仅能够精确获得超疏水表面滑移长度、滑移速度、流场结构等信息,还可以得到超疏水表面微观结构的几何尺寸对其减阻特性的影响规律.     

微纳米间隙受限液体边界滑移与表面润湿性试验

为了研究微纳米间隙下固液界面间流体的流动及输运特性,采用修饰的原子力显微镜针尖,针对微纳米间隙下受限液体的边界滑移现象选用不同润湿特性的固-液界面进行了试验.固体壁面样品采用Si(100)面和OTS自组装膜,试验液体采用去离子水和十六烷.结果表明,当微间隙临界尺度小于6.67×10-3时,边界滑移效应对流体动压力有重要作用;润湿性极好的表面也会产生边界滑移,对试验液体具有10 nm左右的滑移长度;润湿性差的光滑表面的边界滑移长度值明显大于润湿性好的表面.所得结果对于微流体输运与控制有重要的理论意义与实际价值.     

极端润湿性微细通道内R141b的流动沸腾压降特性

以制冷剂R141b为实验工质,在截面尺寸为1 mm×2 mm,壁面接触角分别为67°、0°和156°的普通亲水、超亲水及超疏水矩形微细通道进行流动沸腾实验,并对3种表面微细通道沿程测点压力进行对比,分析极端润湿性(超亲水和超疏水)微细通道内R141b的流动沸腾压降特性.研究结果表明:极端润湿性微细通道内各压降分量比例和普通亲水微细通道大致相同,单位长度两相摩擦压降均随着质量通量、入口温度和热流密度的增大而增大;超疏水表面微细通道进出口总压降最大,是超亲水表面的1.08～1.17倍,且在单相流动区域内的沿程测点压力曲线斜率最小,两相流动区域内的沿程测点压力曲线斜率最大;引入壁面表面能参数λ_s对Qu-Mudawar模型进行修正,能更好地预测实验值,平均绝对误差为10.7%.     

微纳尺度下Couette流动的分子动力学模拟

为了研究微纳尺度下流体密度、壁面剪切速度以及不同材料的壁面对流体流动特性的影响,采用分子动力学方法对流体在微纳尺度下的Couette流动进行模拟。研究结果表明:随着流体密度增加流体与壁面作用力增大,壁面对近壁流体的束缚也增强,近壁面处流体粒子自由运动减弱导致流体扩散能力下降,同时流体等效黏度随密度增加而增大,滑移量减小;壁面剪切速度增大,导致近壁面处流体粒子数减少,流体等效黏度降低,流体粒子在通道中更容易进行无规则自由运动使其扩散能力增强;通过改变壁面材料,发现金属壁面作用力强于非金属,在金属材料近壁面处更容易吸附较多流体粒子,导致金属壁面附近流体等效黏度较大,滑移量相对较小。     

具有微纳结构超疏水表面的槽道减阻特性研究

目前一系列实验研究表明,在由一级微米结构或一级纳米结构构成的超疏水表面制成的槽道中,在层流的条件下,存在明显的减阻效应.但是以往的实验中,所采用的超疏水表面均是由一级微米结构或者纳米结构构成,并且流动槽道的尺度均是在微米量级,对于宏观尺度槽道中的流动减阻没有相应的研究.在本文中,首先介绍了一种全新的利用碳纳米管构建具有微纳二级结构的超疏水表面的方法,然后在由该表面构成的宏观尺度的槽道进行了流动阻力特性实验,实验发现由微纳二级结构构建的超疏水表面形成的宏观尺度槽道中,在层流条件下,依然具有减阻效应,且最大减阻达到36.3%.同时利用mirco-PIV技术对槽道内的流动速度进行了测量,与传统的壁面无滑移理论不同,在超疏水槽道内,发现在壁面处流体存在明显的速度滑移.     

纳米流道内液体特性的分子动力学研究

以非平衡分子动力学方法研究了纳米流道内液体的流动特性,重点探讨上壁面以不同剪切速度运动,下壁面保持静止且在其附近的温度保持相对稳定时,两壁面间液体分子的运动特性及作用机理.模拟获得了不同剪切速度下流体的速度分布、密度分布及温度分布,并分析了速度滑移率、密度分布和最高温度与剪切速度之间的关系.研究结果表明,随着剪切速度的增加,两固体壁面间液体靠近运动平板处的温度呈线性增加,在距离运动壁面0.8倍分子直径范围之内存在着明显的滑移现象,而在这个区域之外,液体分子的速度基本呈线性变化,纳米流道内液体分子密度的非均匀分布和有序化排列结构不受剪切速度的影响,平均剪切应力随着剪切速度的增加而不断增加.     

泡沫流体流变特性研究

按文题,在考虑壁面滑移速度条件下,理论上推导了泡沫流体在圆管中流动的流量和速度分布表达式。通过实验测定了滑移速度V_s,其与剪应力τ_w之间的关系可归纳为V_s=ατ_w~b。验证了流量方程的正确性。发现以十六烷基磺酸钠为发泡剂的泡沫流体符合Hersechel-Buckley本构方程,流变特性参数为τ_0=10.5[Pa],K=0.824[Pa·s~n]和n=0.54。     

压力和剪切速度影响流体滑移的分子模拟研究

采用分子模拟的方法研究了压力对氩流体在铂狭缝中滑移的影响,获得了压力对流体分布、滑移速度和滑移长度的影响规律。研究结果表明,随着压力增大,会出现密度为零的情况,并且流体的滑移速度和滑移长度逐渐增大。     

广义Maxwell速度滑移边界模型

针对存在挤压速度情形的近连续滑移流区微轴承内气体流动,基于气固界面Knudsen层内动量和能量通量的守恒,利用Grad13矩近似的速度分布函数,详细推导广义Maxwell速度滑移边界模型,给出了其与典型Maxwell速度滑移边界的差别.研究表明在不考虑壁面温度梯度和挤压速度影响时,所得到的广义Maxwell速度滑移边界模型与典型Maxwell速度滑移模型是一致的;通过在微尺度气体轴承流动控制方程应用,获得一套适于气体轴承内流动气固表面速度滑移边界数学模型.     

磨料流载体在圆管流动中的壁面滑动特性分析

用流变学理论建立了载体在圆管中的流动模型。在考虑壁面滑移和第一法向应力差的基础上,利用所建模型推导了载体在圆管流动中的壁面压力、壁面剪切应力和壁面滑动速度公式,并分析了各相关因素对其的影响。结果表明,加入第一法向应力差的影响,可以很好地解释载体流动中弹性能的储存现象;由壁面滑移速度公式可知,管壁处的流速不仅与流体的流量、压力有关,而且和载体与管道间的摩擦系数及载体的第一法向应力差有关。这一结论对分析磨料流的加工机理提供了理论依据。     

基于复合滑移的微纳缝隙剪切流研究

边界滑移是微流动的关键特征之一,通过改变流道壁面的滑移状态,为微流动控制提供了新的途径.基于微缝隙下的近壁面滑移效应,结合Navier滑移边界条件,建立亲疏液复合壁面下二维微缝隙剪切流的精确解模型.采用计算流体动力学方法进行微流动建模仿真以验证该数学模型的可靠性,在此基础上结合文献中试验测量所得的滑移参数值,针对壁面滑移状态不同的微缝隙,利用该数学模型研究其内部的微流动规律.结果显示:伴随着壁面运动的微缝隙滑移流场迅速变化,在毫秒级甚至更短时间内趋向于稳定状态.疏液型壁面的运动状态对滑移流动影响小,亲液型壁面的静止状态比运动状态对液体具有更强的束缚能力;在纳米级缝隙中,超亲液静止壁面和超疏液运动壁面结合时,液体将被强力地吸附在亲液壁面上.     

耗散粒子动力学中实现滑移边界条件的数值方法

流体在固体表面的速度滑移对宏观流动的影响通常可以忽略,但在研究微尺度流动时,滑移速度可能对流动产生较大的影响.因此在研究微尺度流动时,需要考虑流动在边界上的滑移.耗散粒子动力学方法是模拟介观尺度下流体的动力学行为的计算方法,目前该方法一般使用无滑移的边界条件.提出一种在耗散粒子动力学中实现滑移边界条件的数值方法,得到了和Navier滑移边界条件的Poiseuille流精确解吻合的速度剖面.     

考虑边界滑移的微通道热沉传热传质性能研究

考虑固液界面边界滑移条件,研究了具有矩形、椭圆形和三角形这3种不同截面形状的微通道热沉的传热传质性能。研究发现,随着滑移长度的增加,流体阻力逐渐减小,对流传热系数逐渐增大。具有相同滑移长度和截面形状的微通道热沉的流体阻力和对流传热系数均随水力直径的增加而减小。在微通道截面面积相同的条件下,三角形微通道热沉的对流传热性能最差;对于椭圆形和矩形微通道热沉,当水力直径小于某一临界值时,矩形传热效果更优,而大于这一临界值时,椭圆形传热效果更好。     

方形通道内流体流动的耗散粒子动力学并行计算

利用耗散粒子动力学(DPD)对方形通道内流体流动进行了模拟.通道壁面由3层粒子组成.在壁面附近实施了无滑移边界条件,在流动方向实施了周期性边界条件.计算中对每一颗粒子施加重力,从而驱动整个流体流动.计算结果表明,流体充分发展的速度分布与基于N-S方程的数值模拟结果一致.并行计算结果表明,DPD很适合于并行计算.与每个节点所处理的总的粒子数目相比,只有少数粒子参与通信,因此能够获得较高的并行效率.当节点数目为18时,并行效率仍然在80%以上.     

竖直通道内饱和蒸汽凝结换热数值模拟

在依靠自然循环驱动的小型模块化反应堆主回路以及反应堆非能动安全系统中，冷凝换热是热交换过程的重要一环，因此对冷凝换热过程的深入研究和分析对提升换热效率、保障堆芯安全至关重要。该文基于格子Boltzmann方法，采用伪势模型，模拟研究了二维通道内静止饱和蒸汽在凝结过程中的流动和换热特性。结果表明：蒸汽冷凝会自发驱动蒸汽流动，蒸汽质量流速与通道宽度和凝结过程中的热流流量有关，保持壁面温度和通道宽度恒定状态下，液膜发展阶段壁面热流较大时，蒸汽质量流速增长较快；通道较窄时，入口处蒸汽平均质量流速初期增速较快但迅速达到稳态，通道宽度为150时的稳态入口平均质量流速约是通道宽度为500时的80.0%。对接触角的分析表明：亲水壁面上的液膜厚度受壁面亲水程度影响较小，壁面接触角为51°时出口处液膜厚度与接触角为72°时的相等。普通疏水壁面上珠状凝结难以维持，被液膜覆盖后相较于亲水壁面传热速率较慢，液膜滑移出计算域之前，壁面接触角为127°时壁面平均热流密度最大值约是接触角为51°时的75.8%,并随液膜滑移逐渐降低，但液膜受重力去除后再形成的过程能在一定范围内强化传热速率。     

垂直旋转圆盘边缘液体滑移率及液柱形态

旋转圆盘表面液体与壁面之间存在切向相对滑移,液体的转速并不等于圆盘转速.利用高速摄影拍摄圆盘边缘液体形态,用软件Image J测量了液体的滑移率及液体头液滴与液柱的直径比.分析发现,垂直旋转圆盘不同区域的液体滑移率不同,随转速增加,各区域滑移率趋向相同,为10％～13％.圆盘表面的波动、边缘液体的形态会影响液体滑移率的...     

流体在矩形通道中作层流流动时的规律

平行壁面是环形通道当内圆半径趋于无限大时的极限情况 ,流体在矩形通道中流动时所受的内摩擦力或压降是流体在两个平行壁面间流动时产生的内摩擦力或压降的叠加 ,从以上结果出发推导出矩形通道截面上速度分布公式和摩擦系数式中Μ的数值     

微通道气体流动的格子波尔兹曼模拟

通过隐式格子波尔兹曼方程,并采用壁面平衡边界条件以及二阶关系,模拟了微通道气体流动中的非线性压力和壁面滑移速度,模拟结果与Arkilic的解析结果十分吻合,验证了格子波尔兹曼方法在滑移流区的有效性。     

有限空间风沙流动数值模拟及边界条件问题

采用Euler方法的双流体模型和颗粒动理学方法对二维风沙气固两相流动进行了数值模拟,研究不同边界条件下的气固两相速度与浓度分布以及进口条件下的风沙流动。结果表明,对边界为固体壁面的流动,沙粒边界条件对其浓度分布有严重的影响,必须计及能量平衡和沙粒速度滑移效应,体现为沙面上的沙粒起动和碰撞特性;进口效应的存在使得在较短的距离内不能获得合理的流动结构,要求根据实验给出准确的进口条件,或者计算域有足够的长度,使流动结构不受进口效应的影响。     

滑移楔流体动力学及其表面滑移特性优化

研究了具有滑移楔的滑块轴承的流体动压承载力．根据界面所受剪力的分布情况，优化固体表面滑移特性，表面滑移特性是几何位置的函数．提出了研究二维界面滑移问题的滑移本构方程的分段线性化方法，研究了有限长滑块轴承具有任意界面极限剪应力的二维界面滑移问题及其流体动力学效应．发现滑移楔的流体动力学效应要大于传统的几何收敛楔，甚至当几何间隙为平行间隙或发散间隙时，滑移楔仍然会产生很大的流体动压力．滑移楔可以产生的最大流体动压力是几何收敛楔能够产生的最大流体动压力的两倍以上，最大的达到2．5倍．界面滑移使得界面摩擦阻力减小．