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.     

超疏水表面形貌对层流减阻的数值模拟

为了研究超疏水表面形貌结构对其流动减阻的影响,设计了4种不同形貌的表面结构.针对超疏水表面的流动特点,建立微通道气-液两相流动的VOF(Volume of Fluid)模型,对超疏水表面在层流状态下的表面形貌结构对流动减阻的影响规律进行了研究.结果表明,超疏水表面的减阻效果随微凸起间距的增大而明显增大,而与微凸起高度的变化关系不大,且三角形和圆顶矩形微凸起结构表面比圆形和平顶矩形微凸起结构表面具有更好的减阻效果.     

超疏水性圆管湍流减阻的数值模拟

针对超疏水表面功能材料在流动减阻方面的潜在应用,使用数值模拟方法研究了超疏水性圆管内的湍流流动特性.研究表明:其流场中存在临界Re,当Re大于此临界值时,超疏水性圆管内的湍流流动表现为减阻;反之,则表现为增阻.超疏水表面无滑移壁面与自由剪切面的综合效果是导致这一现象的主要原因.     

疏水纳米SiO2对微管道流动特性的影响

通过微管道流动试验,探讨疏水纳米SiO2的降压增注机理.在微尺度流动中,由于表面积/体积非常大,液固界面性质对流动有很大影响.在不同管壁界面条件下,用超纯水在内径约为25μm的毛细管内进行流动特性试验.结果表明:相同压力下,经过油基疏水纳米SiO2试剂处理后,水在微管中的流量有了较明显地提高;疏水纳米SiO2吸附能够使微管管壁具有超疏水性,从而产生水流滑移效应,达到减阻增流效果.     

蝴蝶翅表面多级微/纳结构疏水模型及耦合机理

使用扫描电子显微镜(SEM)、接触角测量仪和红外光谱仪(FT-IR),观测了27种蝴蝶翅表面的微观结构、复合浸润性和化学成分.利用Cassie方程建立了蝴蝶翅表面微/纳结构疏水模型,从生物耦合角度探讨了疏水机理.结果表明,蝴蝶翅表面由天然疏水材料组成,具有复杂的多级微/纳结构,包括一级结构(微米级鳞片)、二级结构(纳米级纵肋和横桥)和三级结构(纳米级突起).翅表面具有高疏水性(接触角138°~157°)和低黏附性(滚动角1°~3°).翅表面微观形貌和自清洁性具有显著的各向异性.这种特殊的复合浸润性是材料耦元与结构耦元耦合作用的结果.微米级鳞片的宽度越小、间距越大,纳米级纵肋的高度越小、宽度越小、间距越大,翅表面疏水性越强.研究结果有助于进一步流调结果揭示生物表面的疏水机理,为智能界面材料的仿生设计和制备提供启示.     

微流动的研究现状及影响因素

随着微机电系统的发展及其应用领域的不断扩大 ,微器件和微机电系统中涉及到许多微流动问题 ,流体在微尺度槽道中流动的研究引起了人们的重视 随着尺寸的微小化 ,在宏观流动中可忽略的一些影响因素变得重要起来 ,由于尺度效应、表面效应等因素的影响 ,微小槽道中的流动呈现出一些与宏观流动不同的现象 因而对微流动的研究现状进行综述 ,并对影响微流动的尺度效应、表面力、气泡、相对表面粗糙度及流体极性等因素进行分析     

改性纳米碳酸钙制备超疏水涂层

通过油酸改性纳米碳酸钙颗粒使其表面由亲水性变成了疏水性,改性后的纳米颗粒与低表面能的有机硅树脂聚二甲基硅氧烷经过混合陈化固化过程后在玻璃表面形成超疏水涂层.实验通过改性后的纳米粒子在聚合物介质上构造纳米/微米尺度的结构表面.用接触角测量仪和扫描电镜分别检测涂层的疏水性能和涂层的表面形态.实验结果表面涂层有优异的自清洁能力,平均静态水接触角达160°滚,动角为6°,涂层表面成功构造了纳米/微米的双重粗糙结构.该方法简单有效具有很大的应用前景.     

微矩形槽道内的受迫对流换热性能实验

对６种不同结构尺寸的微矩形槽道内的受迫流动阻力与换热性能进行了实验。结果表明，试验条件下微槽内水流动中从层流向湍流转变的临界雷诺数Ｒｅｃ＝１４００－１８００．揭示出微槽结构尺寸对流动与换热的影响，并由实验给出了层流区流动阻力与换热的经验关系式。     

松散颗粒介质水的渗透率与孔隙率实验研究

以松散颗粒介质渗透率实验出发点，考证多孔介质内流动滑移的同时，将此实验作为考察微孔道流动的方法提出，避开单一微槽道流动测量的困难．实验结果表明，大于0．1mm的孔道内，观测不到水的偏常规层流流动．     

水在不同管径超疏水性微管内的流动特性

在改性有机硅稀溶液中加入2%全氟辛基氟硅烷以及添加剂配制成超疏水液,采用滴定法在内径分别为0.447、0.728和0.873 mm的3种微铜管内壁实现微米级超疏水性涂层涂覆,其水滴表观接触角超过150°。建立微管内流动特性实验系统对超疏水性处理的减阻规律进行了实验研究,分别测量了雷诺数为100~3 000时去离子水流过处理前后微铜管时的内部摩擦阻力系数f。研究发现,内壁面的超疏水性处理显著降低了微管内的流动阻力,且该影响随微管内径的增加而增大,实验范围内流动阻力系数最大降幅达29.08%。超疏水涂层使得微管内的流动转捩现象出现滞后,且转捩Re随微管管径增加而略有增大。     

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.     

水在微尺度槽道中单相流动和换热研究

水在微尺度槽道中单相流动和换热的研究,是通过对其流动阻力和换热强度等的实验进行的。研究表明,在微尺度槽道中流体单相流动换热性能明显高于常规尺度槽道,而阻力系数低于常规槽道。并得到了微尺度槽道的尺寸、结构形状和流体流动均匀性对其流动和换热的影响规律。     

仿生二级微沟槽表面减阻特性数值模拟

快速游动的鲨鱼,其皮肤表面布满沿流动方向的沟槽,这种沟槽能够减小鲨鱼游动过程中的阻力。通过仿生技术人们设计了一系列具有单一尺度的沟槽结构,如V型、L型、U型等(定义为原始沟槽),并获得了一定的减阻效果。然而通过仔细观察,发现鲨鱼皮肤表面的沟槽并非是单一尺度的。根据这一启发,通过在原始V型沟槽顶部两侧增加小尺度三角形突起,设计了一种二级沟槽表面。利用RNGk-ε湍流模型,对原始V型沟槽和二级沟槽表面进行了流场分析。讨论了在不同雷诺数的情况下,两种沟槽壁面对湍流边界层内速度分布、沟槽壁面切应力及减阻效果的影响。计算结果表明,在一定雷诺数范围,原始V型沟槽最佳减阻4.6%,二级沟槽结构最佳减阻8.07%,二级沟槽减阻效果明显优于原始V型沟槽。二级沟槽表面能够更有效地抑制边界层内湍流流动,减小了流体流动的黏性阻力,具有更好的减阻效果。     

考虑固壁作用力的微可压缩流体纳微米圆管流动分析

针对流体在纳微米尺度下的流体流动规律不符合泊肃叶规律的理论依据不足的难题,研究了纳微米圆管中流体的流动,将流体的微可压缩和固壁对流体的作用同时考虑进来,并将固壁对流体的作用采用固壁作用力的形式引入到流体力学方程,采用涡函数流函数将方程解耦,并用正则摄动法求得一阶精度的压力和速度的解析解.结果发现:固壁作用力导致零阶径向压力的出现,一阶压力的增强和一阶速度的降低;量纲一的体积流量偏离了不可压缩流体的体积流量,偏离效应受流体的微可压缩性和固壁作用力的共同影响.体积流量在同尺度下偏离泊肃叶流动的流量大小随着可压缩系数和流体中和壁面产生作用的离子浓度增大而增大,随着纳微米圆管管径减小而增大,纳微米圆管管径低于某一尺寸时,流体将不能流动.通过研究表明:纳微米尺度下产生微尺度效应的原因是流体的微可压缩性和壁面力的共同影响.     

从自然到仿生的超疏水纳米界面材料

浸润性是固体表面的重要特征之一，它是由表面的化学组成和微观几何结构决定的。日前我们关于荷叶和水稻叶的研究显示，一种具有较大接触角和较小滚动角的超疏水表面，需要微米和纳米级的结构有机结合形成复合结构，而且表面微观结构的排列方式会影响水滴的运动趋势。通过对水黾腿表面结构的详细研究，得到了超疏水性质与微、纳米结构取向之间的关系。据此，我们已成功制备出了超疏水和超双疏的纳米界面材料，并实现了热响应性和光响应的超疏水与超亲水可逆“开关”材料。     

用于Poiseuille等微槽道流的Boltzmann模型方程算法研究

基于MEMS微尺度流动特点, 将气体运动论统一算法推广应用于Poiseuille等微槽道流动计算研究, 发展可用于微流动问题的气体运动论边界条件数学模型及数值处理方法, 以不同Knudsen数的Couette剪切流、热对流以及Poiseuille等短微槽道流为研究对象进行初步计算验证, 通过将本文计算结果分别与基于微观分子颗粒输运的类DSMC模拟值、基于宏观流体力学的滑移N-S解、基于气体分子动力论的BGK-Burnett数值解及线化Boltzmann近似分析解 等的比较分析, 显示出发展的连接宏观流体力学与微观分子动力学的介观Boltzmann简化速度分布函数方程数值算法能很好地揭示近连续滑移、过渡流区气体流动现象和微弱流动变化细节, 并能较好地适应于微槽道流动问题计算研究, 可望发展起新型的模拟MEMS微槽道流动和传热问题气体运动论数值计算方法.     

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。     

水煤浆管流的表观滑移流动研究

通过理论推导和计算,研究了存在壁面表观滑移的水煤浆管道流动规律.结果表明,滑移层厚度(微米级)对流动有一定的影响,而且由于滑移层的存在引起的减阻取决于无量纲的滑移层厚度,流量随滑移层厚度的增加而增加,即线性递增.当滑移层厚度在微米级内增加时,水煤浆的滑移修正系数随之增大,并且成正比关系.     

纳米颗粒吸附法减阻技术效果的快速评价方法

针对目前纳米颗粒吸附法减阻技术效果评价周期长、成本高的不足,通过分析目前室内评价方法及总结纳米颗粒吸附法减阻技术机制研究的成果,提出以岩心吸附片电镜扫描和接触角测试为手段的纳米颗粒吸附法减阻技术效果快速评价方法。基于纳米边界层水流滑移减阻机制,应用岩心等径毛管组模型和Tolstoi提出的滑移长度与接触角的关系,从理论上简要阐述该方法的内在机制。结果表明:新方法能有效缩短评价周期,降低试验成本;快速评价方法的内在机制为纳米颗粒在岩心微通道壁面吸附使表面的接触角超过120°,产生较显著的滑移效应,从而达到减阻效果。     

槽道湍流壁面展向周期振动减阻机理研究

为抑制壁湍流减少表面摩擦阻力,利用Fourier-Chebyshev谱方法,通过直接数值模拟,对槽道湍流壁面展向周期振动抑制壁湍流、实现减阻的内在机理进行了研究,建立了槽道湍流数据库。通过改变振幅大小和振动周期,壁面展向周期振动可以使壁面摩擦阻力明显减少。随着平均减阻率的增加,壁面阻力随时间的变化也更加稳定并且周期逐渐变大。将1个典型的阻力变化周期分成3个特征时段进行讨论。结果表明,不同时段近壁湍流结构呈现出不同的变化规律,两种减阻机理交替出现:一是振动引起的涡与条带的倾斜,这导致负展向涡的产生;二是振动引起的涡与条带间的滑移,这导致条带的加宽以及流向涡的减弱。