超疏水表面微液滴的电致振动

微流体控制技术在生物、化学、微机械等领域具有广阔的应用前景.微液滴作为微流体的一种表现形式,其运动形态与控制技术已经成为最热门的研究领域之一.本文以铜基十四酸铜表面(具有二级粗糙结构的超疏水表面)为基底,首先研究了微液滴在直流电场下的电湿润现象,其次研究了交流电场下微液滴的电致振动特性,然后讨论并分析了外加电场频率、电压幅值、液滴体积等因素对液滴振动特性的影响.     

格子Boltzmann方法在电流体动力学中的应用: 均匀电场中液滴的变形和失稳

均匀静电场中液滴变形问题是电流体动力学的重要基础内容, 用格子Boltzmann方法研究此问题是一个崭新的领域. 基于Peng等人提出的可以得到高液气密度比和低液相压缩性的单组分两相格子Boltzmann模型, 采用本文提出的液相和气相统一的介电常数与密度的关系式, 对均匀静电场中二维绝缘液滴在绝缘媒质中的变形问题进行了数值模拟. 结果表明, 本研究采用的方法可以很好地模拟出液滴形态变化及其规律, 特别是液滴的失稳射流现象, 并得到电场中绝缘液滴变形问题的重要特征参数——临界介电常数比和临界电场强度. 这些结果与相关的理论和实验符合较好, 表明格子Boltzmann方法在研究存在多相的电流体动力学问题上具有独特优势和很大潜力.     

线性剪切流中弹性界面液滴变形的惯性作用

弹性界面液滴(由弹性界面包裹而成的液滴)在流场中的变形等动力学行为是深入理解液滴群悬浮液流变特性以及发展基于液滴的物质输送技术的重要基础.流体惯性、液滴界面弹性、流体黏性等力学作用相互耦合,共同控制弹性界面液滴的动力学行为.已有文献以Stokes流假设进行简化,集中研究了忽略流体惯性条件下弹性界面液滴的变形动力学行为.本文结合Front Tracking Method和Finite Element Method,在传统两相流模拟方法中引入薄膜弹性力学理论,发展了能同时考虑液滴界面弹性和流体惯性的两相流数值模拟方法,研究了颗粒雷诺数(Re)对线性剪切流中弹性界面液滴变形动力学行为的影响.结果表明:雷诺数较高时,弹性界面液滴的瞬态变形出现振荡,且随雷诺数增大,变形振荡的幅值和周期都增大,液滴瞬态变形时间变长;随雷诺数增大,液滴的最大变形和稳态变形均增大,且液滴形状也有显著变化.由此可见,在Re1的条件下,流体惯性对弹性界面液滴变形动力学行为的影响不可忽略.     

流场中复杂液滴的变形运动与吸附

液滴动力学是多相流热物理学的重要基础研究方向.随着科学研究的逐步深入和工业技术的不断发展,人们发现液滴的界面可由多种物质分子组成且可出现复杂的结构,如石油工程中表面活性剂、固体颗粒等物质吸附于油水液滴界面,细胞等生物液滴由具有复杂分子组成和结构的膜包裹等.研究发现复杂的分子组成和结构使液滴界面具有剪切弹性、面积扩张弹性、抗弯特性等显著不同于普通液滴表面张力的力学性质,而复杂的界面力与流场黏性力、壁面物理化学吸附力等相互耦合导致液滴在流场中展现复杂的变形、运动、吸附等动力学行为.本文介绍了复杂液滴界面的力学性质及其模型描述,综述了近年来关于流场中复杂界面液滴的变形、运动、吸附行为的研究进展,并给出了后续研究的建议.     

基于SPH方法的液滴撞击可湿润固壁模拟

液滴撞击固体壁面是一种常见的自然现象和工业过程,在这些现象和过程中液滴运动往往受到壁面可湿润性的影响.本文提出了一种可湿润性固壁边界条件的计算方法,即假设壁面粒子的亲水性以及毛细吸附作用统一表现为对支持域内流体粒子的吸附力.吸附力的大小与流体压强、材料饱和度及亲水性有关.基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,模拟了静态液滴在不同可湿润性壁面上由变形至稳定的过程.考虑壁面可湿润性的影响,模拟了液滴撞击疏水壁面的过程.结合试验数据,分析了壁面可湿润性对液滴运动过程的影响.研究表明:根据模拟液滴静态接触角的变化特点,本文可湿润性固壁边界条件可以较好地反映出壁面可湿润性;液滴撞击输水表面的模拟数据与试验结果趋势上吻合良好,液滴回弹时在壁面可湿润性的影响下形成液柱;壁面可湿润性对撞击后液滴的铺展过程影响很小,在该阶段壁面摩擦力起主要作用,回缩和回弹阶段壁面可湿润性对液滴运动特征的影响较明显.     

声悬浮条件下Bi-Ga过偏晶合金的液相分离

采用声悬浮方法实现了Bi-58.5%Ga(原子分数)过偏晶合金的无容器熔化和凝固. 在常规慢速冷却条件下, 由于重力作用, 合金发生严重的宏观偏析, 第二相(Ga)呈明显向上的Stokes运动特征. 而在声悬浮条件下, 合金中第二相(Ga)基本呈均匀弥散分布, Stokes上升运动受到明显抑制. 分析表明, 偏晶合金熔体在声悬浮场中受声场的作用上下振荡, 这可以使第二相液滴周围产生微观定常流场. 这种流场形成的压力能够影响第二相液滴的形状, 从而减小第二相液滴向上的Stokes运动速度.     

半导体中热载流子输运的平衡方程方法

本文简略地介绍处理半导体中热载流子输运的一个解析方法——平衡方程方法.这个方法的基本思想是把多载流子系统在电场作用下的输运化为一个单粒子(质心)的经典运动加上相对运动电子在没有电场情况下的多体统计运动.输运的描述只包含几个参量(非均匀情况下是参量场)——平均漂移速度,电子温度,载流子浓度及声子占据数.它们由平衡方程完全决定.如果只考虑到电子-杂质和电子-声子相互作用的最低阶,平衡方程的数学结构十分简单:只包含一个系统的特征函数,即无外电场,也没有杂质、声子散射势时载流子的密度关联函数,从而不需要大量的数值计算就可得到强电场下的输运性质.     

PZT-5H导电缺口电致滞后开裂

研究了PZT-5H铁电陶瓷导电缺口发生电致滞后断裂的可能性及其规律. 结果表明, PZT-5H导电缺口发生电致断裂的临界电场E_F = 14.7±3.2 kV/cm. 如外加电场E<E_F, 则在导电缺口前端瞬时产生电致微裂纹, 若保持恒电场E, 电致裂纹将缓慢扩展直至试样发生滞后断裂, 滞后断裂的门槛电场E_DF = 9.9 kV/cm. 如EE_K= 4.9 kV/cm, 则电致裂纹并不瞬时形核, 只有在恒电场下经过一定的孕育期后电致裂纹才形核并扩展一定距离, 但试样也不会发生断裂. 如E<E_DF = 2.4 kV/cm, 即使长时间施加电场, 裂纹也不形核. 导电裂纹的滞后形核和滞后断裂归因于恒电场下从缺口顶端发出的电荷密度随时间而增大, 当外加电场小于电荷发射的门槛电场时不会发生电致裂纹的滞后形核.     

非牛顿幂律流体电渗微混合的数值模拟

微混合是芯片实验室中实现快速反应、分析和检测的一个重要前提.为了研究非牛顿幂律流体的微混合特性,应用有限元法对壁面存在异构zeta电势的平板微通道内流动进行了数值模拟.研究结果表明,幂律流体表观黏度的差异对动电现象具有不同的效果,对混合效率有显著的影响.流体的剪切变稀特性有增强动电现象的趋势,剪切变稠特性则相反.当流体幂律指数减小时,可以获得更好的混合效果.相对牛顿流体和膨胀性流体而言,假塑性流体采用电渗微混合具有更高的效率和实用性.通过对外加电场和zeta电势的调控可以改善混合性能,假塑性流体比牛顿流体和膨胀性流体对参数更敏感.     

电场抑制纳米液滴的Leidenfrost现象

Leidenfrost现象是指液滴与过热表面接触时,快速汽化的蒸汽层将液滴与表面隔离,使液滴在表面悬浮的现象.为揭示表面润湿性对纳米液滴Leidenfrost现象的影响机制并实现纳米液滴的强化换热,本文采用分子动力学模拟研究了纳米液滴在不同润湿性表面上的Leidenfrost现象.结果表明,纳米液滴的Leidenfrost温度与表面润湿性密切相关,即表面越亲水, Leidenfrost温度越高.本文进一步研究了电场作用下纳米液滴在不同润湿性表面上的相变换热过程,发现施加电场可有效抑制Leidenfrost现象,电场增加液滴与表面的相互作用力是其抑制Leidenfrost现象的机理.     

基于格子玻尔兹曼方法的单孔射流鼓泡床的离散颗粒模拟

利用基于格子玻尔兹曼方法的离散颗粒模型对单孔射流鼓泡床进行了研究. 此算法基于四向耦合的离散颗粒模型, 流体的控制方程采用考虑了孔隙率和流固相的滑移速度对流体流动影响的修正格子玻尔兹曼方法来求解, 颗粒间相互作用通过时驱硬球模型求解, 流固耦合采用EMMS曳力模型. 首先研究了不同颗粒对形成气泡大小的影响, 结果表明, 在相同的射流气速下, 粒径越大形成的气泡越小. 在粒径相同的情况下, 提高气体的入射速度, 则形成的气泡越大. 同时考察了气泡的分离时间与粒径以及射流气速的关系, 结果表明, 随着粒径以及射流气速在一定范围内的改变, 气泡的分离时间并没有明显改变. 另外颗粒床层扩展影响气泡形状, 颗粒床层变宽后, 气泡的形状接近于圆形; 颗粒床层高度增加时, 气泡明显变小. 最后考察了气泡诱导现象, 模拟发现当区域有空腔时, 气泡会被诱导到空腔的方向.     

准确建立模型 巧解天体问题

文章中万有引力定律涉及到的天体运动一般情况下都简化为匀速圆周运动来处理，因此在本章的学习中，掌握不同条件下的匀速圆周运动中向心力来源是处理问题的关键。     

基于时驱硬球算法与格子玻尔兹曼方法的颗粒流体系统直接数值模拟

实现了一种直接数值模拟颗粒流体系统的耦合算法, 颗粒间相互作用由时驱硬球算法描述, 而流体的控制方程采用格子玻尔兹曼方法求解, 流固耦合用浸入运动边界法实现.该方法使用欧拉网格求解流场, 拉格朗日网格跟踪颗粒, 避免了非结构化贴体网格方法需要重新划分网格的问题. 通过模拟两个圆形颗粒在黏性流体中的沉降过程, 成功地复现了经典的Drafting-Kissing-Tumbling(DKT)过程, 验证了耦合算法的有效性.     

微重力下的两相流动和传热及其研究方法

本文对微重力下的两相流动中的几个基本问题、两相流动的主要流型进行了一定的综述，并对微重力下的气液两相流动传热规律的研究方法进行了小结。     

掺铁Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.26PbTiO3单晶的生长及性能研究

采用改进的布里奇曼法(坩埚下降法)生长了掺0.3%(摩尔分数) Fe的0.74Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃- 0.26PbTiO₃(PMN-0.26PT)单晶. 系统研究了该单晶的生长、结构、介电和热释电性能, 并与纯PMN-0.26PT单晶进行了比较. 研究发现, 掺杂晶体的畴宽度明显大于纯晶体; 单晶的矫顽场和剩余极化都明显增大; 在居里温度以下, 介温谱上出现两个大的异常, 温度较纯晶体更接近于室温. 实验结果表明, 掺杂离子通过缺陷偶极对2Fe′_Ti -V^••_o对畴起钉扎作用, 增加了晶体的矫顽场, 降低了晶体的介电常数和介电损耗, 提高了晶体的探测优值, 并保持高的电压响应优值, 这对PMN-PT单晶的实际应用非常有利. 这种高性能的热释电和压电单晶的掺杂改性研究将会更好地增进对其高性能本质的理解.     

电场调控载药丝素蛋白微球的制备

通过控制丝素蛋白在溶液中的构象, 在低于1 wt%的浓度条件下, 获得由纳米或微米球组成的丝素蛋白电凝胶, 并通过调节制备参数, 初步实现了丝素蛋白微球在200 nm~3 μm之间的尺寸调控. 以异硫氰酸荧光素标记的牛血清蛋白(FITC-BSA)作为模型药物, 载药实验结果表明, 在电场作用下, 随着丝素蛋白在正极自组装形成微球, 带有负电荷的药物在正极富集, 并包覆进丝素蛋白微球, 初始载药率可达75%以上, 药物能在120 h内缓慢均衡释放. 考虑到温和的制备条件(低压电场、室温或者低温、水环境)、丝素蛋白的可降解性及其同药物的良好相容性, 电场调控制备丝素蛋白微球体系有望成为缓释带负电荷的蛋白质和基因药物的优良载体.     

电阻优化测量

电阻测量方法很多，选择什么样的方法测量，直接关系到阻值测定的准确与否。文章对常用的内接法、外接法和电桥电路测电阻法分别进行了详细分析，确定了使测量误差降低到最小的方案为电桥电路测电阻法。     

塑壳式断路器的应用

介绍了塑壳式断路器的常用电气参数,说明了在使用塑壳式断路器时要经过计算,并结合电网频率、环境温度等,选用适合的塑壳式断路器;介绍了漏电断路器的使用注意事项,以及用于电动机保护与用于线路保护的塑壳式断路器参数的不同。     

金纳米管结构的等离子体光子学性质

应用离散偶极子近似方法计算了金纳米管结构的消光光谱及其近场电场分布, 并与金纳米柱的计算结果进行了比较. 结果发现, 当以等离子体共振峰波长入射时, 管状纳米结构拥有更大面积的强电场分布. 故管状纳米结构更适合作为表面增强拉曼散射的衬底, 用于生物分子或者化学分子的探测. 另外, 我们还研究了纳米管结构参数对其等离子体共振峰的影响, 以调节等离子体共振峰的位置, 从而满足其在表面增强拉曼散射等等离子体光子学方面的应用.