去离子水在微圆管中流动特性的实验研究

实验研究了去离子水在内径为30, 20, 16, 5和2 μm微圆管中的流动特性. 实验结果表明: 内径为16 μm以上的微圆管中的流动符合经典流体力学理论; 当管径降低到5和2 μm时, 去离子水在微圆管中的低速流动呈现出明显的非线性特征, 实验结果偏离经典流体力学理论, 且管径越小偏离幅度越大. 随着Reynolds数的增大, 非线性程度逐渐减弱, 实验值趋近于某一稳定值. 实验最小Reynolds数仅为2.46×10^-5.     

不同极性牛顿流体的微尺度流动

极性是影响流体微尺度流动的重要因素.本文研究了去离子水(强极性,极性10.2)和异丙醇(中等极性,极性4)在0.04~24.8 MPa/m,半径7.5,5,2.5,1?m微管中的流动规律.结果表明,微尺度下流体流动不再遵循泊肃叶定律,流速偏低,且表现出非线性特征.随着压力梯度升高,边界层厚度不断减小,造成有效流动半径不断增大,导致了流动的非线性.当压力梯度升高到一定程度,边界层厚度稳定,非线性流过渡为线性流.流体极性越强,流固相互作用对流动影响越大,消除黏度影响后,去离子水的边界层厚度大于异丙醇,非线性流动的压力梯度上限低于异丙醇.     

页岩微裂缝内气-水两相流动规律

气-水两相流动广泛存在于页岩气藏压裂液返排及页岩气生产阶段,直接决定页岩气藏压裂及开发效果.页岩微裂缝是储层流体运移的主要通道.然而由于物理实验尺度及精度的限制,准确模拟页岩微裂缝中的气-水两相流动存在巨大挑战.为探究页岩微裂缝中气-水两相流动规律,本文系统考虑了气-水两相流体多重微尺度效应,包括:(1)气相滑移;(2)水相滑移及边界层黏度变化;(3)气驱水条件下,存在沿壁面流动的水膜.建立气-水两相流体微尺度流动模型,采用侵入逾渗判断两相分布,求解真实页岩微裂缝内气-水相对渗透率,并验证模型的正确性.研究结果表明,微裂缝开度小于3μm时,微尺度效应影响不可忽略;微裂缝开度及水膜对气-水相对渗透率的影响均取决于各相流体所占流动空间的相对大小;气藏开采过程中压力降低,导致气相表观渗透率升高及微裂缝开度减小,均会造成气相相对渗透率减小;水膜的存在对气相流动能力造成影响的微裂缝开度界限为0.65μm.该研究揭示了页岩微裂缝内气-水两相流动规律,为评价页岩气井压裂及生产效果提供了理论基础.     

二氧化碳气体的流动及反应特性研究: 从微管到多孔介质

用5 μm微管、人造岩心及天然岩心研究了CO₂气体的流动特性及与岩心作用后对渗透率的影响规律. 结果表明, CO₂气体在微管中的流动速度明显比N₂快; CO₂在饱和水的岩心(含碳酸盐)中流动时, 其渗透率随着注入量的增加而增大, 表明CO₂的溶蚀作用导致了岩心孔径的增加, 用扫描电子显微镜(SEM)也验证了溶蚀扩孔作用. CO₂气体在微管中具有较高的流速是由于尺度效应和压缩效应的综合反映, 而其在水中溶解引起的界面层水分子扩散速度增大, 导致孔隙壁面的水膜厚度减小, 其水溶液流动的有效孔径增大. 上述两种结果表明, CO₂在驱油过程中具有良好的注入能力, 是低渗储层开发过程中能量补充的一种很好的驱替流体, 但也造成其在地层中窜流或散逸的可能性增大.     

低渗透多孔介质和微管液体流动尺度效应

常规多孔介质和圆管中液体的流动都遵循Hagen-Poisseuille定理,即液体流速和压力梯度成正比.而对于低渗透多孔介质中液体渗流,存在拟启动压力梯度,即存在微尺度效应.那么对于微圆管,由于流动的通道具有较小的空间尺度,因此在物理本质上,也应该存在微尺度效应,但由于目前实验手段的局限,还未能证明这一点.本文通过对比和分析低渗透多孔介质和微管中液体流动规律,预测了微管中液体流动出现微尺度效应的尺度约为1微米.     

飞秒激光诱导钛表面可控微纳结构用于水下气泡操纵

针对典型金属材料钛,利用自主搭建的飞秒激光振镜扫描加工系统,加工了具有特定形貌特征的多尺度微纳结构.在此基础上对多尺度微纳结构的可逆润湿性及水下气泡操纵特性进行了实验探究,并从微观界面化学的角度阐释了可逆润湿性的调谐机理.研究结果表明:在飞秒激光烧蚀挤压作用下,钛表面诱导的多尺度微纳结构对原始表面的润湿性具有放大效应,固液接触角减小,水下气泡接触角增大;在辅助加热条件下,固液接触角增大,水下气泡接触角同时减小,气泡在表面完全铺展;随后将超疏水表面置于紫外灯下曝光,多尺度微纳结构上的液体接触角又开始减小,并最终实现了超疏水到超亲水性以及水下超亲气到超疏气的可逆调谐.另外,液体接触角与水下气泡接触角的可逆调谐特性呈现相反的变化趋势,这与固液气三相接触线的移动机制密切相关.本文对实现钛表面微纳结构设计与调控,提高具有可逆润湿性的金属表面在水下气泡操纵与收集,以及污水处理等领域的应用都具有重要意义.     

基于微丝的PDMS微流动通道制作技术

微流动通道是微流控芯片的重要组成部分, 其加工技术的每一步进化或简化一直为国际学术界与工业界所重视. 提出了一种基于微丝的PDMS微流动通道制作技术. 该技术利用一些简单的模具辅助固定和布置微丝, 然后将PDMS预聚物浇注于模具中浸没微丝并固化, 固化后抽出微丝形成PDMS微通道或通道阵列, 在与通道垂直的方向上打孔并封装, 形成与通道外部物质交换的接口. 实际制作通道时可采用商用化的金属微丝(如不锈钢微丝), 直径从100~20 μm不等. 较为详细地介绍了利用这种技术来构建多种拓扑结构的二维或三维通道或通道阵列, 例如直通道、交叉通道、弯曲通道等的能力. 进一步, 基于金属微丝的电磁特性, 这样的微通道制作工艺还被应用来构建出适于电磁控制和温度控制的微流动通道装置. 最后, 通过圆截面微通道的光路分析、微通道内粒子流动的图像测速(Micro-PIV)与微液滴形成实验及分析进一步印证了这种微流动通道制作技术的可行性和适用性.     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

现代油气渗流力学体系及其发展趋势

油气渗流是油气藏开采的科学核心问题,以连续介质假设和达西方程为基础的传统渗流力学在常规油气资源开发中发挥了重要作用.近年来,非常规油气藏成为油气行业勘探开发的主要阵地,其开发理论和技术尤其是渗流问题也成为学术界研究的热点问题.非常规油气藏其岩石多孔介质具有明显的多尺度特征,尺度差异达到6个数量级之多,而且采用大规模的水平井分段压裂开发模式,储层应力强烈作用.因此,传统的油气渗流理论已无法准确描述非常规油气藏的流动特征.实质上,非常规油气资源的开发过程是一个典型的多场作用下的多流动模式的多相流体(油气水)在多尺度多孔介质的流动过程.为此,本文提出了"多场作用下的多流动模式的多相流体在多尺度多孔介质中流动动力学体系"的现代渗流力学体系的概念,并从纳微尺度油气流动模拟、流动模拟的多尺度升级、非常规油气藏的宏观流动模拟、大尺度缝洞碳酸盐岩油藏的流动模拟以及油气渗流物理模拟等方面系统阐述了其研究现状及发展趋势.     

飞秒激光制备仿生疏水微柱阵列应用于液滴操控

仿生功能表面的制备是目前研究的热点,尤其是仿生疏水表面的制备.常用的制备方法包括等离子刻蚀、光刻等,制备过程较为复杂.本文基于飞秒激光微纳加工和模板转印技术,提出了一种制备疏水微柱阵列的简单策略,系统地研究了结构参数、表面化学修饰和润湿性之间的关系.研究发现,直径、间距和高度等结构参数对微柱阵列表面的润湿性影响较大.当微柱间距由400μm增加到600μm时,液滴滑动角从31°增加至76°.当微柱直径从100μm增加到300μm时,液滴滑动角也会相应地从40°增加到80°.微柱阵列的表面黏附性随着结构参数(直径、间距、高度)的改变而发生变化.基于这种特性,我们设计了一种具有不同间距的微柱阵列,用来实现液滴滑动行为的控制,同时还可以实现液滴微反应等应用.这种制备方式不仅操作简便,而且适用性广,在微流体芯片、生物医学和化学微反应等领域具有潜在的应用价值.     

新型MOCVD法以SBA-15为模板制备墨水瓶型孔结构的机理研究

研究采用有机金属化学气相沉积(MOCVD)法, 以乙酰丙酮铜Cu(acac)2为前驱物对SBA-15孔结构进行修饰, 制备出结构均匀的ink-bottle孔体系. 该制备过程中, 基质SBA-15的表面特性对于合成结构良好的ink-bottle孔有重要影响, SBA-15经进行适度的镀碳处理后, 其表面由亲水表面变为憎水表面, 有利于后续有机金属选择性的吸附和沉积, 从而实现对SBA-15孔口的修饰, 即保持了SBA-15原有的较大比表面积和孔体积的同时使其孔口尺寸明显减小, 得到ink-bottle孔结构. MOCVD法首次成功应用于ink-bottle孔制备过程中, 对于合成不同孔结构介孔材料领域的研究具有重要意义.     

矩形微槽道平板热管流动与传热特性可视化

以去离子水为实验工质,通过可视化研究方法,探索矩形微槽道平板热管内的流动传热机理.通过对多种工况下平板热管性能的对比,重点探讨了槽道结构和充液率对平板热管内相变现象与传热特性的影响.研究结果表明,不同槽道尺寸下,平板热管的热阻变化规律存在明显差异.低充液率下,随加热量增大, G-400热管热阻呈现先减小后增大的趋势.而在不同的充液率下, G-800热管热阻随加热量增大逐渐减小.在不同槽道尺寸和充液率下,蒸发端相变行为主要包括液膜蒸发和连续气泡生成两种方式.此外,冷凝传热不仅发生在气液界面处,还发生在槽道肋片顶面处,并形成稳定的周期现象.     

超快激光制备超疏水超亲水表面及超疏水表面机械耐久性

近年来,受大自然的启发,具有特殊润湿性的仿生结构表面因其在日常生活和工业生产领域的广阔应用前景引起了研究者的广泛关注.同时,超快激光的快速发展为材料表面结构的加工提供了新的强大工具,在超疏水或超亲水表面结构的制备方面取得了一系列突出的成果.但迄今为止,已经商业化的超疏水表面仍然非常有限,其中关键的问题是超疏水表面的机械耐久性问题.本文基于超快激光加工方法,总结了仿生微纳结构制备和应用方面的最新研究进展,重点介绍了几种具有特殊润湿性的疏水和亲水表面结构,并对超疏水表面的机械耐久性问题及其测试方法进行了阐述和总结,最后讨论了该领域存在的一些问题及未来的发展方向.     

特高含水期剩余油分布及形成机理

目前我国东部老油区普遍进入特高含水阶段,水驱开发效果变差,采收率明显下降,有效挖掘剩余油潜力是当前开发的重点所在.特高含水期油相主要以非连续状态存在于孔隙空间内,基于宏观认识的达西定律很难准确描述地下剩余油的真实流动状态.为摸清特高含水期剩余油分布状况,研究剩余油形成机理并挖掘剩余油潜力,基于N-S方程模拟油水两相在微尺度多孔介质内流动,运用相场方法实时追踪驱替过程中的两相界面,建立微观流动模型.研究特高含水期剩余油分布,并从力学角度分析残余油形成机理.结果表明特高含水期多孔介质内剩余油主要可以分为5种类型:孤立油滴、孔喉残余油、簇状非均质残余油、油膜、盲端残余油.毛管力,孔隙结构以及壁面润湿性是影响特高含水期剩余油的分布与类型的主要因素.孔隙尺度流动模拟得到的水驱曲线与矿场规律基本一致.特高含水期增注与注入表面活性剂均是通过驱替出簇状非均质剩余油,孔喉残余油以及孤立油滴达到提高剩余油采收程度的目的.簇状非均质剩余油的减少是采收程度提高的主要原因.矿场增注时机对经济开发有重要影响.该研究初步揭示了特高含水期剩余油分布及形成机理,为水驱油藏的后期开发提供有效指导.     

静电液滴法制备10 μm粒径的蛋白质药物微球载体

采用静电液滴工艺, 以胰岛素、血红蛋白为药物模型, 以海藻酸钠为载体材料, 通过减小原料液表面张力, 改善电场力分布, 制备了粒径d≤10 μm 的蛋白质微球载体, 通过正交设计对微球粒径的影响因素进行了显著性分析, 并考查显著因素对微球粒径及药物包封率的影响规律. 结果表明, 胰岛素、血红蛋白微球平均粒径分别为9.3 和7.8 μm, 球形度优良, 粒径分布的平均标准偏差SD =1.61; 输出电压U、锐孔孔径D、锐孔至凝胶浴液面距离δ是影响微球粒径的显著因素, 粒径随U 增大或D 减小而减小, 药物包封率>70%; 信度α = 0.05, α = 0.1 时的微球粒径分布区间为(6.2545, 10.1735)和(6.6022,9.8258).     

直波导耦合输出AlGaInAs多量子阱环形激光器研究

采用InP基InAlGaAs多量子阱激光器外延材料结构, 利用感应耦合等离子体(ICP)干法刻蚀技术和聚酰亚胺介质平坦化工艺, 研制了多量子阱半导体环形激光器样品. 该器件通过加正偏压的环形结构谐振腔实现光激射, 然后借助紧邻的直线波导耦合将光信号输出. 环形谐振腔直径为700 μm, 波导宽度为3 μm. 用光纤对准直线波导端口耦合测试了环形激光器的光功率-电流特性曲线和激射光谱, 其阈值电流为120 mA, 在注入电流160 mA时从直波导耦合输出得到激射光谱的中心波长为1602 nm, 并结合光功率-电流特性曲线对环形激光器中的工作模式进行了初步分析.     

南黄海B10岩芯的微体古生物组合特征及古环境演化

南黄海B10岩芯中的微体古生物组合特征及孢粉带特征记录了该区玉木亚间冰期以来环境变化的历史. 这些冰期与间冰期的沉积物所反映出的环境变化与黄海地区古环境变化以及沉积物变化的总特点基本吻合. 在岩芯的550~520 cm, 微体生物有孔虫的丰度及分异度低, 孢粉以草本植物含量为主, 反映了玉木亚间冰期气候变化的特点. 而岩芯的520~140 cm, 微体生物化石数量从少量出现到缺失, 反映了沉积环境由滨岸相到陆相环境的变迁. 孢粉反映的古气候也同样经历了针、阔叶混交林-草原的变革, 反映出气候由温凉到温干的特点. 岩芯140~0 cm, 微体生物化石的丰度虽有变化, 但总体特点为丰度渐增, 且多为近岸浅水种, 孢粉以木本花粉含量居首, 且小刺球藻含量迅速增加, 反映出气温上升, 海面逐渐升高的特点.     

煤纳米孔径与分形特征的同步辐射小角散射

煤是一种非均质多孔介质,孔隙结构复杂.本文利用同步辐射小角散射试验对6种不同煤阶煤样纳米尺度微孔结构(1~100 nm)进行测试,分析了煤样的Porod散射曲线、Guinier散射曲线、孔径分布、比表面积和分形特征等,探讨了煤化过程中煤中微孔隙结构的演化特征.实验表明:6种煤样Porod散射曲线均呈现正偏离现象,Guinier曲线表明煤样孔隙呈多分散系分布特征;基于最大熵理论计算得出煤样孔径分布呈"双峰"形态,随变质程度增加,煤样平均孔径和最可几孔径均呈下降趋势;煤样比表面积表现为先增大后减小又缓慢增加.测试煤样的分维数在低角q阶段呈现表面分形,在高角q阶段表现为孔分形.表面分形维数随煤阶增加呈先减小后增加而后又减小的变化趋势,孔分形维数随煤阶增加呈先减小后增加的态势,且当R_(o,max)为2.07%时达最小值.     

扰动流条件下模拟血小板在半透膜壁上的黏附实验

为了研究渗流和血流扰动对血小板在血管壁黏附的影响, 用管状透析膜制作成具有半透壁的变截面管. 用稀释的、直径为1.10 μm的聚苯乙烯乳胶微球(模拟血小板)悬浮液灌注该变截面管. 悬浮液为Tris缓冲液, 缓冲液中加了10%的右旋糖苷T70和2%的牛血清白蛋白. 实验结果表明, 聚苯乙烯乳胶微球在半透膜壁上的黏附与渗透率呈正相关, 而与流动壁面剪切率呈负相关. 在变截面管的流动漩涡区, 乳胶微球在管壁的黏附明显增高, 其黏附密度的最大值位于漩涡区的流动再附着点, 此处的流动壁面剪切率最低. 该研究结果提示, 渗流会显著地影响血细胞(如血小板)与血管壁之间的相互作用, 而受扰动的血流和低壁面剪切率可以引起血小板在血管壁黏附的升高.     

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.