基于粒间毛细作用探讨界限含水量

土的界限含水量是研究土体物理力学性质及工程分类的重要指标.通过建立两球形颗粒之间的液桥作用模型,采用环形近似的方法给出毛细作用力和液桥体积之间的定量关系,并通过分析毛细作用力随液桥体积的变化规律,从微观角度对土体的塑限和液限进行探讨.参数分析结果表明,毛细作用随着液桥体积的增加先增大后减小;其随液桥体积的变化过程中有2个明显的拐点,即颗粒间的相互作用的状态变化存在界限含水量.本次研究从微观角度解释了土体稠度变化的特性,并为液塑限的概念化提供了理论依据.     

含油纳米制冷剂沸腾中气相与液相之间球形纳米颗粒的迁移特性

为了评估纳米制冷剂的沸腾传热效果以及球形纳米颗粒在制冷系统中的循环能力,采用称重法实验研究了纳米制冷剂沸腾中气/液相间球形纳米颗粒的迁移特性,重点考察球形纳米颗粒种类和粒径、制冷剂种类、润滑油浓度、热流密度和初始液位高度对球形纳米颗粒迁移特性的影响.结果表明： 球形纳米颗粒迁移率随球形纳米颗粒密度或粒径的减小而增大;制冷剂的动力学黏度越小、密度越大,其在完全蒸发时的球形纳米颗粒的迁移率越大;球形纳米颗粒的迁移率随润滑油浓度的增大而减小,随热流密度的增大而减小,随初始液位高度的增加而增大.     

基于隐失场的基底纳米微粒的力学分析

针对光纤探针复合原子力显微镜(AFM)作用于纳米量级物体分析的操作,对纳米微粒、探针、基底之间作用力规律进行初步分析.指出纳米微粒所受的主要作用力为范德华力、毛细作用力、微观接触斥力、微观摩擦力和静电力等,通过纳米微粒受力分析并确定出微粒和探针之间距离的关系曲线,达到有利于控制纳米微粒精确操作的目的.     

液桥引力效应对非饱和土抗剪强度的影响

建立了相互接触的不等直径颗粒间的液桥模型,对其数学描写主要体现为,用圆弧段近似液桥子午线的形状并选其半径作为液桥外曲率半径;根据液桥的轴向力平衡条件,应用描写弯液面内外压差与两个主曲率之间关系的拉普拉斯公式,得到液桥的内曲率半径.将液桥模型给出的液桥引力公式用于研究低含水率非饱和土的基质吸力与抗剪强度间的关系;应用概率分析建立了一种考虑内部液桥引力效应的双粒径模型土,解释了低含水率非饱和土的抗剪强度随含水率降低、基质吸力增大而逐渐增大,且增长速度由快趋缓的现象.     

纳米颗粒球形度对平板通道中Al2O3-水纳米流体强制对流换热的影响

数值研究了水中添加立方体形、球形或柱状Al₂O₃纳米颗粒的纳米流体在平板通道中的层流强制对流换热,分析了纳米颗粒球形度、纳米颗粒体积分数和雷诺数对平板通道中Al₂O₃-水纳米流体强制对流换热的影响. 结果表明:当纳米颗粒体积分数和雷诺数一定时,随着纳米颗粒球形度减小,通道壁面平均努赛尔数增大,对流换热增强;当纳米颗粒球形度一定时,随着纳米颗粒体积分数和雷诺数的增大,通道壁面平均努赛尔数增大,对流换热增强.     

基于电子理论的断裂机理新探

应用TFDC(Thomas-Fermi-Dirac-Cheng)电子理论探讨了材料的断裂机理.该文分析了稳定的材料量子袋中电子受到向内的Coulomb作用力和与表面张力相关的电子斥力作用时的平衡状态,提出了平衡状态受到破坏而产生断裂的可能.研究得到了稳定材料颗粒的纳米级极限尺度判据.     

真空断路器分断金属液桥形成的数值模拟

为研究高压真空断路器触点分断电弧的产生机理,考虑触点表面微观形貌,建立真空环境下铜触点电接触的几何模型和数学模型。数值模拟真空断路器分断时金属液桥的形成过程,其中金属液桥的熔化电压与铜材料的熔化电压近似相等,证明建立仿真模型的正确性。得出金属液桥形成中的温度分布及熔化相变体积变化;探究触点初始分断电流、表面粗糙高度及初始接触压力对金属液桥形成的影响。数值计算结果表明:金属液桥的电势差由电接触位置向电极两边逐渐减小;模型最高温度出现在电接触位置;金属液桥的形变受热膨胀力与表面张力共同作用,随着熔化相变体积的增大,影响金属液桥形变的主导因素从热膨胀力逐渐过渡为表面张力,因此其形状由最初的圆柱形变为哑铃型;金属液桥熔化所需时间随触点初始分断电流和触点表面粗糙高度的增大而减小,随触点初始接触压力的增大而增大。为进一步研究真空金属蒸气电弧的形成机理及提高断路器的可靠性和寿命提供理论支持。     

一种考虑微凸体接触角分布的结合面侧接触分形模型

针对以往分形模型中忽略微凸体侧向接触和接触角度分布来源的问题，提出了一种考虑微凸体之间接触角分布的结合面接触刚度的侧接触分形模型。通过轮廓显微镜采集了接触表面的轮廓，采用三点峰方法将表面轮廓模型化，获得了相邻微凸体之间的水平距离及高度差的数据。利用功率谱密度法进行分析，发现相邻微凸体之间的水平距离和高度差均具有分形规律。根据所发现的分形规律，推导出两个微凸体相互接触时接触角的分布函数规律，然后采用分形理论建立了结合面的侧接触模型。基于这个模型，通过数值仿真，研究了分形参数、塑性指数、法向载荷系数及接触方式对结合面法向、切向接触刚度的影响。结果表明：无量纲切向接触刚度随着分形维数、塑性指数及法向载荷系数的增大而增大，随着无量纲分形尺度参数的增大而减小。对比有限元分析及模态试验的结果，发现二者最大相对误差为4.32%,相较LZT模型精度提高了46.8%,说明所提模型能够比较准确地预测结合面的接触刚度。     

电纺制备聚丙烯腈(PAN)无序微纳米纤维膜及其表面润湿性能研究

利用静电纺丝法制备了聚丙烯腈(PAN)无序微纳米纤维膜,通过控制纺丝电压,溶液浓度和进料速率并借助接触角测量仪和扫描电子显微镜(SEM)对微纳米纤维材料的纤维形貌和润湿性进行了表征和研究.结果表明,对于PAN无序微纳米纤维膜,增大纺丝电压、减小进料速率、增大溶液浓度会使微纳米纤维膜的纤维直径增大;增大纺丝电压,减小进料速率会使微纳米纤维膜接触角增大;增大浓度,会使微纳米纤维膜接触角先增大后减小.通过控制变量法对PAN无序微纳米纤维膜分析得出,相对高的纺丝电压(14 k V)和相对低的进料速率(0.50m L·h-1)以及适中的PAN溶液浓度(12%wt)可以提升PAN无序微纳米纤维膜的疏水性.此外,均匀的PAN纤维膜的微纳米结构是影响它疏水性的重要因素.     

NaCl溶液浓度及其腐蚀作用对Ⅱ型水合物颗粒黏附力影响

在天然气水合物资源开采和深水油气输运过程中,管道内的低温高压环境会导致气体水合物颗粒的生成和聚集并最终造成管道堵塞,严重影响生产效率.导致这一问题的根本原因是气体水合物颗粒间以及颗粒-表面间存在黏附力.因此,为了探明气体水合物在管道中的沉积和聚集机理,本文利用高压微机械力测量装置,对CH_4/C2H_6混合气生成的Ⅱ型水合物颗粒在不同盐度和碳钢表面腐蚀程度影响下的黏附力进行了原位测量.实验结果表明NaCl(1 wt.%–5 wt.%溶液)的存在能够降低水合物颗粒间的黏附力,根据毛细液桥理论模型估算结果,出现这一现象的可能原因是NaCl的存在降低了液桥与水合物颗粒表面的接触角.此外,经NaCl溶液腐蚀处理后,碳钢表面与水合物颗粒间的黏附力显著上升,最多可升高至无腐蚀条件下颗粒-碳钢表面间黏附力的5倍左右.     

插板法测表面张力公式的新证明及讨论

从力平衡的角度，建立固液接触角为零度时插板外液体的物理数学模型，推导证明液体表面形状曲线方程，然后证明固液接触角不为零度时的一般情况，为测量依据公式提供一种新的证明方法，最后，通过讨论得出３点有意义的结论。（１）对于一定的液体，不同材料插板 起液体上升的实际高度不同，但最高固液接触点都落在同一曲线上。（２）可以通过测量直线距离代替接触角的作测，以提高表面张力的精度。（３）由直线距离测量所得表面张力     

混凝土简支斜交箱型梁桥受力特性分析

为了深入分析简支斜交箱型梁桥的力学性质,研究其空间受力特点,以斜交角度为30°的简支斜交箱梁桥为背景,基于梁格法,建立了直桥有限元模型和斜桥有限元模型,对比分析了直桥与斜桥的支座反力、变形和主梁内力。研究结果表明：斜桥锐角处的支反力小于直桥,钝角处的支反力远大于直桥;斜桥出现明显的平面转动现象,表现为桥面整体在支承边处钝角方向往锐角方向转动;斜桥边梁的最大扭矩是直桥的2.06倍,增加斜桥箱梁腹板厚度和加密受扭箍筋对其抗扭能力有较大的提升作用。本文研究成果可为简支斜交箱型梁桥的受力性能研究和同类工程设计提供参考。     

索承桥的受力特性及结构特点

从结构构造和力学特点两个方面进行对比分析,得出斜拉桥随着跨径的增加,拉索与主梁的夹角逐渐变小,竖向有效分力也随着变小,因此,斜拉桥的跨越能力会受到限制,推导了最佳的高跨比范围;悬索桥吊杆与加劲梁是垂直或斜向交叉,不会随着跨径加大而受影响,悬索桥比斜拉桥的跨越能力更大.     

压气机盘片榫连结构接触特性分析

以某压气机燕尾形榫连盘片结构为研究对象,压气机盘片模型共有38个叶片,基于ANSYS有限元软件,选取整盘的1/38进行有限元建模.并考虑了旋转导致的离心力的作用,分析了榫头-榫槽之间的摩擦系数、榫头的安装角和接触面积对接触压力、接触滑移距离的影响.在计算时拉格朗日乘子算法被应用于榫头-榫槽之间的接触计算.研究结果表明:最大接触压力及最大滑移距离随着摩擦系数的增加而逐渐减小;最大接触压力随着榫头安装角的增大而增大,而最大滑移距离没有发生明显的变化;最大接触压力及最大滑移距离随着接触面积的增加而逐渐减小.     

液体在毛细微孔中接触角测量方法

建立了液体在毛细微孔中接触角的测量方法。主要介绍了微孔式接触角测量仪的组成、测量方法及数据处理方法。二次蒸馏水与正十四烷烃在石英毛细管中接触角的测量结果表明该仪器测量数据的重复性好、稳定性高。根据测量结果,讨论了液体在毛细管中接触角随着毛细管径的变化规律,接触角随着毛细管管径的减小而增大。     

Controllable and switchable capillary adhesion mechanism for bio-adhesive pads: Effect of micro patterns

Some insects and animals, such as bugs, grasshoppers and tree frogs, realize their efficient adhesion mechanism to glass surface, wall and ceiling by injecting a wetting liquid thin film into the pad-substrate contact area. Their ability to control adhesion (attaching or detaching from a surface) is in many cases connected to the contact geometry and surface patterns of their attachment pads. This paper focuses on the dependence of the capillary adhesion (wet adhesion) on the micro patterns of the bio-adhesive pads. The objective is to reveal the possible mechanism for a bio-adhesive pad to control capillary force through adjusting its micro-scale surface pattern and topography. A capillary adhesion force model is built up taking account of the combined role of micro-dimple geometry as well as the wetting behavior of the confined liquid thin film. Calculated results of the apparent contact angle on the regularly micro-dimpled surfaces are compared with and in good agreement with the experimental measurements. Simulation of the capillary adhesion force reveals that it is controllable in a large magnitude by adjusting a dimensionless surface pattern parameter k defined as a/(a+b), where a is the diameter of micro dimple, and (a+b) is the side length of one pattern cell. When adjusting the parameter k more than 0.75, the capillary adhesion force could be switchable from attractive to repulsive. This effect of micro patterns on the interfacial capillary force is proved to be dominant when the pad-substrate clearance decreases to the nano/micrometer scale. These results indicate that a controllable and switchable capillary adhesive mechanism might be utilized by a living insect or animal to realize its stable adhesion and quick releasing movement through adjusting the micro-pattern topography of its bio-adhesive pad. Supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 50575123, 50730007), PPP Project from CSC and DAAD, and German Research Foundation (DFG) (Grant No. SFB622) (Y.H. Liu and S.I.-U. Ahmed)     

毛细管内两相流体驱替规律研究

本文模拟了不同半径毛细管中水驱油和油驱水时界面移动的全部过程,为深入理解液-液两相流动机理,建立正确的两相流流动模型提供一定的依据,探索孔隙内流体驱替速度与外加压差之间的关系。根据实验数据,发现它们之间存在很强的规律性,其流动规律明显偏离泊谡叶公式,依据实验资料,得到的结论是：两相驱替时界面移动的动态接触角余弦与外加压差之间存在线性关系;进而得到动态毛细管压力与外加压差之间的线性关系;两相驱替时,液体的流动规律是,界面的移动速度与外加压差成线性关系,对于水驱油和油驱水时,直线的斜率不同,其截距是静毛细管压力,转变点的压力与静态接触角和直线的斜率有关。     

剪切气流驱动下微沟槽表面液滴受力分析

通过对剪切气流驱动下液滴在平行微沟槽表面的受力及变形的理论分析,提出了沟槽表面液滴在剪切气流下脱落的力学模型.在卡特皮勒力计算中,分别改进了积分式中固液接触角、接触半径项,采用一个更符合实际物理现象的分段函数表征了积分式中的接触角项;而对于接触半径项,利用椭圆接触线方程导出.在拖拽力的计算中,引入了无滑移边界条件下的剪应力公式简化了已有的拖拽力表达式.利用小型风洞,对所建立的力学模型进行了验证.测量结果表明,液滴脱落所需要的风速随着沟槽尺寸的增大而增大,沟槽方向垂直切向流放置情况下液滴所需要的脱落风速明显大于平行方向放置情况.实验观测结果与理论受力模型具有较好的一致性,表明所建立的力学模型合理有效.     

基于格子玻尔兹曼的润湿性对降压效果的研究

改变油藏润湿性和降低油水界面张力是解决低渗/特低渗油田注水压力高问题的有效方法。而室内驱替实验时,表面活性剂浓度不仅影响油水界面张力,还会影响岩石表面润湿性能,无法准确评价表面活性剂的润湿性能对降压效果的影响。格子Boltzmann方法通过控制流体和固体间作用参数能够独立控制界面张力大小,并能够模拟任意接触角变化。因此,基于格子Boltzmann方法,应用二维平板模型,考虑粗糙表面,设置微观梯形结构,研究了毛管数、邦德数及黏度比等不同无量纲数条件下润湿性改变对降压率的影响。结果表明,毛管数越小,邦德数越大、黏度比越大、接触角越小,降压率越高、降压效果越明显;接触角存在一个最佳范围,超过此范围继续降低接触角,降压效果不明显;对于多孔介质,改变润湿性对降压率影响比单通道更加明显。     

铁路连续复合刚构桥墩梁刚性节点的受力分析

连续复合刚构桥墩梁刚性节点受力复杂,本文以工字型钢连续组合梁+RC桥墩的刚接接头为例,应用大型通用有限元软件MSC.Nastran进行3D-FEM分析,研究了其传力特性,重点探讨了剪力键传力机制.通过对连续复合刚构桥主梁(工字型钢主梁的组合梁)与RC桥墩刚性连接构造细节的3D-FEM分析,探讨了刚性节点的传力机制,重点是剪力键所承担的剪力分布.分析结果表明,墩梁刚性节点采用剪力键连接方式可以有效的传递内力,而且节点的施工性能得到极大改善.研究成果有利于组合刚构桥的设计和应用.