基于Micro-PIV的不同截面形状微柱群内部流场特性研究

采用显微粒子测速技术（Micro-PIV）对圆形、椭圆形及菱形等不同截面形状错排微柱群绕流流动进行研究,得到了不同雷诺数（Re）下微柱群内部的速度场、流线等绕流流场信息,分析了Re与截面形状对绕流流场结构的影响规律。研究结果表明,微柱体绕流过程中漩涡脱落相对于常规尺度具有一定的滞后性;圆形微柱体背风区最早发生流动分离,菱形、椭圆形次之;随着Re的增大,微柱体尾流区出现涡结构,回流长度逐渐增大,在三种截面形状微柱群绕流流动中圆形截面微柱群的回流长度和回流区域最大。     

基于玻璃精细加工的数字化微流体器件的制备

介绍基于微特性系统数字化微流体器件的玻璃精细加工方法.将拉锻好的玻璃微管道嵌入预先设计加工好的宏流道中,组合成微流道网络;宏流道采用CO2激光雕刻机雕刻聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)基板而成,尺寸与玻璃微管道外径相吻合;微管道连接部通过PMMA微连接板连接而成,将基板与盖板进行热键合密封.该方法允许制造更细结构的微流道,可以灵活构建复杂的微流道,同时可保证微管道的连接和强度;圆截面玻璃微管道管壁光滑,流动阻力小.利用微流体数字化技术,对数字化微流体器件进行了实验研究,在微混合实验和微流式细胞中得到了较好的效果验证.     

超高压微流道流动性研究

阐述了截面为方形和圆形的管道尺寸减小时,比表面积以10倍的速度增加,导致表面力包括各种分子间作用力的作用加强。当尺寸在1nm~1um范围内,流体的压力损失与分子间作用力成正比,与微管道特征尺寸的平方成反比。同时,由于尺寸的减小,强化了微通道内流体的质量和动量传递过程。     

多孔介质电渗泵的数值仿真与性能分析

电渗驱动微泵是一种新型的电动力式微泵,其输出压强高,流量可调范围宽,可用于微通道冷却系统中。建立了多孔介质电渗泵电渗流的数学模型,并对其性能进行了分析。根据双电层模型与电渗泵的控制方程,得出电渗流的近似解析模型,求出最大流率与压力。利用MEMS数值仿真软件CoventorWare对电渗泵模型进行求解分析,得到电渗泵流场和压力场的分布;对其特性进行分析,研究电场强度、溶液浓度和微流道孔径及其流道长度对电渗泵性能的影响。结果表明,在电渗驱动下,微流道中的流体流动速度与电场强度及微流道表面静电势成正比;流体速度与微通道长度成反比,与孔径无关。     

考虑结晶潜热的LDPE微结构件注射成型模内温度场

采用含有热源的各向同性物体的热传导处理方法，以及用热焓法处理相变中的结晶潜热问题，建立微注射成型冷却阶段传热过程的数学模型。对结晶型材料低密度聚乙烯（LDPE），在熔体初始温度分别为165，175和185℃，模温分别为35和55℃时应用有限元软件ANSYS的热分析模块进行仿真分析。研究结果表明：当模温相同而熔体初始温度不同时，熔体温度从熔点温度100℃降到60℃的冷却时间几乎相同；当熔体初始温度相同而模温不同时，模温为35℃时的冷却时间明显比模温为55℃时的少很多。模具温度对成型过程的影响较大，熔体温度的影响相对较小。采用考虑结晶潜热的微结构件注射成型有限元模型能较准确地预测制品内部温度场分布。     

耦合颗粒形态和粗糙表面影响的摩擦副热效应

文章引入颗粒形态和表面粗糙度的影响,结合雷诺方程、粘温方程、颗粒和微凸体变形及能量方程等建立了颗粒和微凸体接触时的摩擦模型;探讨了颗粒形状分别为圆形和六边形,微凸体轮廓分别为余弦和圆弧时,颗粒和摩擦副的接触温度及其对流体的温度、压力分布的影响;研究结果表明,圆形颗粒的承载量比六边形颗粒的承载量大,与微凸体的接触温度也较大,而存在圆形颗粒的流体摩擦力以及总摩擦力较小。     

双叶片离心泵内失速现象的三维PIV分析

为了揭示双叶片离心泵内失速现象的发生和发展过程,采用三维粒子图像测速(PIV)系统对比转数为134的双叶片离心泵在4个工况下3个截面的流体流动进行了分析.结果表明：随着流体流量的减小,叶片的压力面首先出现流动分离并产生漩涡;当流体流量继续减小时,漩涡堵塞了流道而使流体流动受阻,造成了叶轮流道失速的现象.在最优工况下,叶轮内流体的流态最佳;在0.8倍最优工况下,中间截面发生了流动分离;在0.5倍最优工况下,中间截面的流动分离扩张并产生了失速;在流量减小至0.2倍最优工况的流量之前,前盖板处也出现了失速,而在后盖板处没有发现漩涡.同时,叶轮内流场的轴向速度很不均匀,由流道进口到出口、吸力面到压力面,其轴向速度逐渐减小,并且叶片压力面的负向轴向速度区域随着失速的发展而扩大.     

颗粒分布对水泥与减水剂相容性的影响

采用Marsh筒法与净浆流动度法研究了相同熟料制备的不同颗粒分布的水泥样品与减水剂的相容性,揭示了粉体比表面积、均匀性系数（n）、特征粒径（x′）、堆积孔隙率与相容性的关系。结果表明：样品比表面积越大, n越大,x′越小,堆积空隙率越大,水泥与减水剂的相容性越差。当比表面积与x′ 相近时,n越大,浆体的流动性越差,饱和点掺量越大或饱和点Marsh时间越长,流动度经时损失越小。随着样品比表面积增大,饱和点掺量增大,流动度减小,流动度经时损失增大,与减水剂相容性变差,且对于n越大的样品,比表面积增大对相容性的不利影响越显著。凡是能降低堆积空隙率,使水泥颗粒分布连续而较宽,且自身需水性较低的微细粉体,均有利于改善水泥与减水剂的相容性。     

微流体数字化的科学与技术问题（I）：概念、方法和效果

按重视的是外形尺寸还是内在微特性,把微系统分成微外形系统和微特性系统,通过比较分析,得到后者的存在普遍性比前者广而且外形大小与内在微特性好坏无直接联系的结论。就微物质传输和微传热常见的细长流道低雷诺数内流条件,提出微流动、微结构、微综合等3方面的微特性。研究了微系统中和低速流动中合理流动形态的概念,提出了人为地产生和利用可预测可控制小幅脉冲流动序列是解决微流体流动不正常这一本质困难钥匙的思考。按所提出的3方面微特性对现有微流体影响方法进行了评价,并指出了我们的微流体数字化(digitalizationofmicrofluids)与Kim的数字化微流路(digitalmicrofluidiccircuits)在各方面的不同。提出了基于脉冲惯性力的微流体脉冲影响方法及其装置,实验结果表明多方面微特性俱好,流动正常性好,分辨率达fL级,最低流量达3pL/min,流动阻力降低,扰动性好,能实现微流道中和微射流中数字化流动,能实现裸微结构的数字化器件,方法普适于普通液体和粉体的驱动、控制和扰动,对流体性质无特殊限制,工作可靠性、生产率、可自动化性均较高。     

截面形状对螺旋通道湍流流动及场协同的影响

为探明截面形状对螺旋通道湍流流动的影响,采用有限体积法和RNG k-ε湍流模型数值研究了圆形、半圆形、矩形、正方形、梯形和三角形共6种截面面积相等而形状不同的螺旋通道内流体湍流流动特性。在螺旋半径、螺距、螺旋线长度相同的条件下,以常温水为工质,研究截面形状和进口速度对螺旋通道的流动阻力、速度场及涡量的影响,并根据多场协同原理分析速度场和压力场的协同关系。结果表明:圆形截面螺旋通道流动阻力损失最小,而三角形截面螺旋通道流动阻力损失最大;流体在螺旋通道内湍流流动会产生垂直于主流方向的二次流,矩形截面螺旋通道发现四涡结构的二次流,其余截面螺旋通道为二涡结构的二次流;三角形截面螺旋通道涡量值最大,协同角θ也最大,而圆形截面螺旋通道涡量值最小,协同角θ也最小。     

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     

身矩形槽道内的气体滑移流动和传热分析

分析了微矩形槽道内的不可气体在速度滑移和温度跳跃区的流动和传热过程。在分析模型中,假定矩形槽道底面定热流加热,其余三面绝热,流动和换热均匀为充分发展,且处于滑移流动区。给出了截面上速度分布和温度分布的分析解,讨论了阻力持性和换热特性,并与实验结果作了比较。二者的吻合程序表明,在一定的Knudsen数范围内,传统的Navier-Stokes方程和能量方程在考虑了速度滑移和温度跳跃影响后可以描述微矩形槽道内的气体流动和传热过程。     

注射过程螺杆计量段三维流场的数值模拟

针对头部无螺纹和有螺纹的注塑螺杆,使用POLYFLOW软件数值模拟了注塑机螺杆计量段熔料在注射过程中的三维等温流场.讨论了两种螺杆流道的yz平面上和xy平面上不同时刻的速度场、压强场、剪切应力场和黏度场.计算结果表明,有螺纹的注塑螺杆沿着螺杆的轴线方向其速度梯度和压强值明显地增大,加强了头部熔料的剪切稀化作用,使熔料黏度降低.螺杆头部的螺纹明显阻碍了后方熔料向前流动,使得螺杆螺槽中熔料的速度梯度和压强降低,黏度增加,剪切稀化作用减弱.     

注射过程螺杆计量段三维流场的数值模拟

针对头部无螺纹和有螺纹的注塑螺杆,使用POLYFLOW软件数值模拟了注塑机螺杆计量段熔料在注射过程中的三维等温流场.讨论了两种螺杆流道的yz平面上和xy平面上不同时刻的速度场、压强场、剪切应力场和黏度场.计算结果表明,有螺纹的注塑螺杆沿着螺杆的轴线方向其速度梯度和压强值明显地增大,加强了头部熔料的剪切稀化作用,使熔料黏度降低.螺杆头部的螺纹明显阻碍了后方熔料向前流动,使得螺杆螺槽中熔料的速度梯度和压强降低,黏度增加,剪切稀化作用减弱.     

微尺度下压力对聚丙烯剪切黏度影响研究

利用高精度RH10毛细管流变仪开展微尺度下聚丙烯（PP）流变实验研究。选用内径分别为0.25、0.5、1.0 mm的口模,研究剪切速率3×10²~5×10³ s^-1范围内,温度为210、220、230℃时PP黏度变化。结果表明：在相同的剪切速率与温度下,相比于1.0 mm口模中PP熔体黏度,0.25、0.5 mm口模中PP熔体的黏度增大;3种口模内体现黏度与温度关系的Arrhenius公式拟合系数不同,揭示了微尺度下PP剪切黏度的尺度依赖性。分析认为在微小直径口模内PP熔体压力的增加是黏度变化的原因之一,并基于Barus公式提出用于量化微尺度下PP黏度的等效压力概念。     

气体辅助注射成型充模过程数学模型的建立

根据气体辅助注射成型充模过程的特点,从流体力学基本理论出发,引入合理的假设和简化,建立了描述熔体运动和气体穿透的数学模型,并在边界条件中反映出气体穿透和表面张力对熔体充填的影响．     

燃烧室热边界对微型发动机瞬态燃烧特性影响数值分析

为了研究燃烧室热边界对微型内燃机微燃烧特性的影响,以指导燃烧室设计,采用层流有限速率模型对微燃烧过程进行了仿真。首先对仿真结果开展了有效性分析,探讨了网格尺寸、时间步长、步长内最大计算步数3个建模因素对仿真结果的影响,结果表明仿真与实验比较吻合。在此基础上探索了散热系数、壁面厚度和材料3个参数对燃烧特性的影响。结果表明,散热系数对燃烧特性有较明显的影响,散热系数从0增加到55 W／（m2·K ）时,压力升高率减小,着火点延后,最高压力值下降了2个大气压。壁面厚度和材料对燃烧特性影响不大,分析表明这是由于在热量从缸内传到外界环境的热流路径中主要传热热阻是外壁面与环境之间的对流换热热阻所致。     

聚合物熔体流变特性及其对纺丝组件内流场的影响

测定了聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、常压阳离子染料可染聚合物(ECDP)熔体的流变特性;通过计算流体力学方法对纺丝组件内的流场进行模拟,并利用粒子图像测速(PIV)实验验证了数值模拟的准确性;通过建立的数值模拟方法研究了聚合物熔体的流变特性对纺丝组件内流场的影响。结果表明：在270~290℃的温度范围内,PET和ECDP的流变指数n均随着温度的升高而增大并接近1,聚合物熔体的黏度随着剪切速率的增大而减小;流体的稠度系数K对纺丝组件内的速度场几乎无影响,但对压力分布影响较大,入口压力随着K的增大而增大;流变指数n对纺丝组件内的压力与速度分布有影响,入口压力和入口流速随着流变指数的增大而增大;流体在砂腔内的流速较小但分布较为均匀,在砂腔上游,流变指数越大,流体流速越大;聚合物熔体在喷丝板外圈的喷丝孔之间形成滞留区,并且流变指数越大,滞留区越小,喷丝孔内外圈的流量分配越均匀。     

微圆管中纳微米聚合物流动规律

 针对低渗透油藏储集层孔道微细、孔隙结构复杂等特点,采用管径为20、15、10 μm的微圆管,以纳微米聚合物颗粒溶液为流动介质,研究微圆管中流体微观流动规律,分析纳微米聚合物颗粒溶液的实验流速与压力梯度的关系,研究纳微米聚合物颗粒溶液在窄小孔道中微尺度效应下的微观流动规律,明确在微管内所受微观力和流体动力学特性。研究表明：随着微管内径的逐渐减小,纳微米聚合物溶液的流速均明显减小;随着纳微米聚合物颗粒尺寸和溶液质量浓度的增加,流体流速逐渐降低;实验压力范围内,纳微米聚合物流速与压力梯度基本呈线性关系;微管管径越小,颗粒粒径越大,非达西流动特征越显著。     

叶根前缘VG对微型轴流风扇性能的影响

为降低微型轴流风扇叶根端壁区域二次流所引起的损失,根据涡流发生器的流动控制思想,提出一种在叶根前缘压力面侧设置微型直板的新型流动控制方法;以某微型轴流风扇为研究对象,采用数值模拟结合实验的方法,重点分析了不同安装角的涡流发生器对轴流风扇气动性能及内部流场的影响;研究结果表明：涡流发生器存在提高风扇静压与静压效率的最佳几何安装角,涡流发生器会对叶轮内部流场产生影响,由涡流发生器所形成的诱导涡与压力侧马蹄涡分支进行掺混,会削弱马蹄涡的强度,在一定程度上抑制了由马蹄涡参与演变成的通道涡的发展,使叶轮流道中流体进行再分配;在宏观方面,结构匹配的涡流发生器可提高风扇的气动性能,当涡流发生器安装角度为15°时,在风扇高效运行区间内同原型风扇相比,安装涡流发生器的风扇其静压最多提高8%,静压效率最大可提升2.4%。对于大轮毂比微型轴流风扇,由通道涡所引起的二次流损失不容忽视,同时在对叶轮进行设计优化时应重视叶根端壁处的结构设计。