微管内流场的可视化实验研究

以蒸馏水作为工质, 龙胆紫溶液作为着色剂, 对内径为520和315 μm的石英玻璃管内的流动做可视化实验研究以研究其流态. 经光学显微镜放大后由CCD相机拍摄, 得到了在不同Reynolds数下, 石英玻璃管内流动的流型图, Re数在200~2300间的微管进出口压力差也同时被测量来表征微管内的摩擦阻力系数. 实验结果清楚表明, 微管内部流动处于小Re数时, 微管内部的流动基本处于层流态, 其摩擦系数与常规尺寸下的经典理论解基本一致. 当Re数大于1200~1500时, 微管内流态已经由层流向紊流开始转变, 同时, 其摩擦阻力系数已偏离经典层流理论解. 当Re数达到1500~1800左右时, 微管内的流态基本上全部处于紊流态.     

铜-水纳米流体流动与对流换热特性

建立了测量纳米流体流动与传热性能的实验系统, 测量了不同粒子体积份额的Cu-水纳米流体在层流与湍流状态下的管内对流换热系数和摩擦阻力系数, 详细讨论了Reynolds数和纳米粒子体积份额对纳米流体对流换热系数和摩擦阻力系数的影响. 实验结果显示, 在液体中添加纳米粒子显著增大了液体的管内对流换热系数, 而纳米流体的阻力系数并未增大. 例如, 在水中添加2.0%体积份额的Cu纳米粒子, 相同Reynolds数条件下, 纳米流体的对流换热系数比水增大了约60%. 综合考虑影响纳米流体对流换热的多种因素, 提出了计算纳米流体对流换热系数的关联式, 通过比较关联式的计算结果与实验数据, 表明关联式正确地描述了纳米流体对流换热过程, 可以用来计算纳米流体的对流换热系数.     

浮升力因子和流动加速因子改进及其在超临界流体混合对流传热中的应用

重点对浮升力效应和流动加速效应引起的超临界二氧化碳强迫对流传热强化、传热恶化现象进行了综合研究.理论分析了浮升力效应和流动加速效应影响超临界二氧化碳强迫对流传热的机理,并对已有表征浮升力效应和流动加速效应强度的无量纲因子Bu和Ac进行了改进.与已有研究不同,本文在改进Bu过程中使用了更合理的运动边界层和热边界层厚度之间的关系式,在改进Ac过程中使用了与二氧化碳物性变化规律符合更好的van der Waals方程.理论估计了Bu和Ac的临界值分别为1.3×10~(-5)和3.3×10~(-6),并得到了实验数据验证.与已有浮升力因子和流动加速因子相比,经改进后的浮升力因子和流动加速因子及临界值可以更好地解释超临界二氧化碳拟临界区复杂的强迫对流传热现象.基于改进后的浮升力因子Bu和流动加速因子Ac建立的传热关联式有90.1%的预测值与实验测量值偏差在±30%以内.     

基于微观分析的质量侵蚀模型研究

采用微观分析实验研究侵彻实验后剩余弹体表面的质量侵蚀痕迹,确定和总结弹体质量侵蚀的物理机制.基于微观分析实验结果,改进Archard模型的形式,获得表征切削弹体头部材料的切削速度,考虑侵彻过程中弹靶间的摩擦生热对切削因子的影响,采用温度项连接摩擦与切削两种机制,采用节点回退法表征弹体头部形状的变化,建立融合摩擦与切削两种机制的质量侵蚀模型,对比数值计算结果与国内外典型的实验数据,证实该弹体质量侵蚀模型有效.     

窄通道内导线绝缘层着火先期特性的研究

利用窄通道提供的弱浮力环境,研究了通道高度对导线绝缘层及其附近流场的温升特性、导线绝缘层着火前期的烟气流动规律和着火延迟时间等导线绝缘层着火先期特性的影响.实验结果表明10～15mm窄通道内的实验可以有效地抑制浮力作用,提供了一种模拟微重力环境下导线绝缘层着火先期特性的有效方法.     

非均匀尺寸气泡形成的层流泡状流

对于非均匀尺寸气泡形成的泡状流,根据气泡尺寸分布将气泡划分成若干组,使每组内气泡尺寸近似均匀一致,对液相和每组气泡建立了基本方程.通过分析气泡在流场中的运动和受力,给出相应的本构关系式,建立了封闭的多流体模型,用于描述非均匀尺寸气泡形成的层流泡状流. 模型预测值与实验数据对比表明所建立的多流体模型能够较好地描述非均匀尺寸气泡形成的层流泡状流动.     

氢促进位错发射的分子动力学模拟

利用第一原理和陈氏三维晶格反演公式获得了Al和H的互作用对势 .分子动力学计算表明 ,当Al晶体中含H时 ,裂尖发射位错的临界应力强度因子从0 .1 1MPam降低为 0 .0 75MPam(CH=0 .72 % )和 0 .0 6MPam(CH=1 .44% ) ,即氢促进了位错的发射 .计算表明 ,氢在裂尖富集后能形成许多小气团 ,同时使平衡空位浓度升高     

亚氯酸钠溶液脱除Hg0及传质-反应动力学研究

以亚氯酸钠（NaClO2）溶液为吸收剂,利用鼓泡反应器实验研究了元素态汞（Hg0）的吸收行为.系统地研究了NaClO2溶液浓度、pH值、反应温度、Hg0浓度等主要参数对Hg0脱除效率的影响,确定了最佳实验条件.实验结果表明,酸性NaClO2溶液可实现72.91%的Hg0脱除效率.通过反应后吸收液中Hg2＋含量分析和NaClO2物种电极电位与Hg2＋/Hg0电极电位的比较,揭示了酸性NaClO2溶液脱除Hg0的机理.实验研究了NaClO2溶液氧化Hg0的传质-反应动力学,结果表明,随NaClO2溶液浓度的增加和pH的下降,增强因子E和KG（Hg0）/kG（Hg0）比值增大,液相传质阻力降低,有利于传质吸收反应.反应温度升高随然可改善增强因子E,但KG（Hg0）/kG（Hg0）比值下降,液相传质阻力增加,因此降低Hg0脱除的反应速度.     

沙纹床面明渠层流稳定性特征的研究

河流床面总是伴随有一定的形态, 如沙纹或沙垄等. 即使原始理想的平整床面, 并保持水流运动的层流状态, 在流动开始后不久, 由于外界的扰动作用, 层流失稳, 床面也会出现沙纹. 而沙纹的出现, 又将进一步改变原始平整床面层流失稳的“轨迹”. 床面沙纹的波状特征, 将诱发明渠层流新的不稳定性, 与平整床面层流失稳相比, 两者存在本质的区别, 其稳定中性曲线前移, 失稳临界Reynolds数降低, 流动失稳过程中, 对扰动波数的响应范围加大, 层流失稳更容易发生. 沙纹移动频率也会对流动失稳产生较大的影响, 动床明流失稳与定床明流失稳有很大差别, 对此也做了研究.     

基于Favré平均的高超声速可压缩转捩预测模型

本文在Favré平均的框架下推导了可压缩层流脉动动能输运方程,并根据一定的假设和尺度分析封闭了该方程.通过将Favré平均层流脉动动能方程与Favré平均Navier-Stokes方程联合求解,构造了适用于高马赫数的层流-湍流转捩位置预测模型.应用所发展的可压缩模型及不考虑其显式可压缩项的模型对来流Mach数为5.91的裙锥绕流进行了数值模拟,给出了不同壁面条件下边界层的转捩位置,并与现有的基于参考温度进行可压缩修正的转捩模型计算结果以及实验结果进行了对比,表明所发展的模型在高超声速流动转捩预测上具有更高的精度.     

氢燃烧单步反应模型和输运系数模型的建立

提出了更为合理的氢气-空气混合物的单步反应模型和输运系数模型建立方法.针对氢-空气单步反应方程式H2＋0.5O2→H2O,其反应速率模型为=1.13×1015[H2][O2]exp（46.37T0/T）mol/（cm3s）,输运系数模型为=K/CP=D=7.0×105T0.7g/（cms）.采用该模型和文献模型对ZND爆轰和自由传播层流火焰进行模拟,二者结果具有很好的一致性.另外还采有本文模型模拟了障碍通道内燃烧转爆轰过程,模拟结果与实验结果基本一致.验证了本方法和模型的正确性.     

微纳通道内稠密气体流动和换热的Monte Carlo模拟

使用Enskog模拟Monte Carlo法(ESMC)对稠密气体在微纳通道内的流动和换热进行了模拟, 并与直接模拟Monte Carlo法(DSMC)和一致性Boltzmann算法(CBA)所得的结果进行了对比, 对微纳通道内稠密气体流动和换热特性进行了分析. 结果表明, 当气体密度较大时, 稠密气体效应对流动和换热的影响不可忽略, 这种效应使得通道内壁面阻力系数减小, 且壁面换热特性也与不考虑稠密气体效应时有所不同.     

空间流动影响因子——室内空气污染控制新概念及其应用

提出了空间流动影响因子概念. 藉此概念, 提出了室内优化有机挥发物(VOC)源和人员活动区域布置的方法, 具体为: (ⅰ) 在室内流动情况确定后, 对给定的污染源, 利用空间流动影响因子可方便确定使房间或特定区域污染物浓度最小的污染源的最优布置方式; (ⅱ) 在给定污染源位置的情况下, 利用空间流动影响因子可方便确定使室内特定区域污染物浓度最小的气流组织形式(空调送风形式); (ⅲ) 空间流动影响因子本身, 提供了流场污染危险性或免疫性的评价指标. 通过算例, 介绍了此方法在室内空气污染控制中的应用.     

包层模块几何特征对MHD流动和流道插件力学行为的影响

在国际热核聚变反应堆中,液态包层是能量转换的关键部件,位于包层模块内的流道插件(FCI)的主要作用是绝缘和绝热,流道插件的几何尺寸对包层内MHD流动特性、传热性能和结构安全性有很大影响.本文应用相容守恒格式的有限体积法分析磁场作用下金属流体的流动行为和温度场特点,并采用顺序耦合的方式,用有限元方法分析流场和温度场对结构的应力应变产生的影响.详细研究了流道插件厚度和间隙区宽度对MHD流动传热的作用,并引入无量纲数定量分析包层的传热效率.研究结果表明,插件厚度和间隙区宽度非线性、非单调地影响着传热效率、MHD压降、第一壁温度和流道插件的热应力.通过对大量计算数据的分析,本文建立了MHD压降与间隙区宽度的关联式;综合热效率、压降、第一壁温度和结构热应力作用,推荐了包层结构设计方案.本文为包层模块的优化设计提供了理论基础.     

交流电场增强的牛副结核快速血清免疫检测

人/动物发病初期的免疫检测在疾病诊断和防治领域具有重要意义.发病初期病患血清中抗体浓度较低,而传统检测方法单纯依靠抗体自身的随机运动使之与抗原结合发生特异性免疫反应,需要数小时甚至更长的时间才能识别出阳性血清,不利于疾病的快速诊断.因此加快对血清中低浓度抗体的检测速度是提高临床诊断效率的关键因素.本文提出基于交流电热和介电泳技术的血清中低浓度抗体快速检测的新方法,搭建"硅基底非对称平行电极阵列-PDMS微通道"微流控测试平台,以牛副结核为例,通过对免疫反应过程中"电极/血清"界面双电层电容的实时测量,以单位时间内电容的相对变化率为指标,成功分辨出阴性和阳性血清,检测时间仅为2 min.结合交流电场下微流体的流动和可极化粒子的介电泳理论,分析了免疫反应加快的机理.交流电场加速了微通道内抗体分子的对流和传质,大幅度提高了免疫反应效率,结合免疫反应方程,给出了免疫检测过程中微通道内抗体浓度变化的数值仿真,在理论上证明了快速血清免疫检测新方法的可行性.     

摩擦阻力对水蒸气超音速流动自发凝结的影响

建立了一维有摩擦损失条件下的喷管内水蒸气超音速流动自发凝结数学模型，对水蒸气在喷管内的超音速流动自发凝结过程进行了数值计算，结果表明，模拟结果与相关文献实验结果基本一致．利用上述数值模型系统研究了摩擦阻力对水蒸气超音速流动自发凝结的影响，结果发现摩擦阻力的大小对喷管内水蒸气超音速流动自发凝结参数有着直接影响，在喷管设计过程中，准确考虑流动阻力的影响对于保证喷管的工作性能是重要的．     

恒壁温边界条件下不可压缩气流在微通道内的二维层流换热

基于贴壁层概念和已经求得的贴壁层内气体黏度和导热系数变化规律,求解了等壁温边界条件下微通道内气体完全发展的二维层流换热,分别得到了平行平板微槽道和微圆管内温度分布和对流换热系数.     

蒸气在变壁温竖直细圆管内的流动凝结换热特性

针对细小直径圆管的特点, 对经典的Nusselt分析进行修正, 考虑凝结液膜弯曲引起的表面张力以及气液界面蒸气剪切力影响, 建立变壁温条件下竖直细管内流动凝结换热的数学模型, 从理论上探讨小管径下, 沿程管壁温度和重力等作用因素对流动凝结影响程度发生的变化. 实验检验证实分析模型的结果是可靠的.     

嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析

离子选择性纳米多孔膜材料在分子分离、海水淡化、生物分子富集、电池等诸多科学工程领域都有着非常重要的应用.本文通过数值仿真分析嵌有阳离子选择性膜的带电微通道内增强电渗流以及系统的除盐效应.结果表明,当浓度为1 mmol L~(-1)的KCl溶液在40 V cm~(-1)的外电场驱动下流过长60μm、宽10μm的微通道时,如果在通道中心离子选择膜性上加25 mV的跨膜电压,除盐效率约为29%;而当跨膜电压为250 mV时,除盐效率则高达89%.流体运动方面,在低跨膜电压下,通道内流体运动由传统电渗流主导,压力流主要用于平衡通道上游与下游电渗流速度的差别.然而在高跨膜电压下,膜表面附近生成很强的非线性涡流,进而形成泵效应;通道内流体运动则是压力流为主导,通道上下游均呈现带滑移边界的压力流特征.对照等参数的无膜通道,嵌膜系统在跨膜电压为400 mV时可以实现15倍以上的流速.本文所揭示物理机制可为新型微泵以及海水淡化装置的设计及优化提供重要的指导.     

三峡库区紫色土粘粒悬浮液的稳定性

研究了三峡库区紫色土胶体的表面电荷性质及其对变化环境的响应以及对紫色土粘粒悬浮液稳定性的影响。三种紫色土胶体在2：1型电解质中的表面电位分别约-0.14～-0.192V，1：1型电解质中约为其两倍。1：1型电解质中粘粒悬浮液完全沉降时同分剐达到40．6—47．0h，比2：1型电解质中长12．4—14．6h，电解质浓度增加，粘粒悬浮液完全沉降时间下降，稳定性减弱。pH对完全沉降时间影响强烈，当pH=5时，两种电解质体系中的粘粒悬浮液完全沉降时间减少近一半；pH=3时，60min左右悬浮液已经沉降完全。三种紫色土粘粒悬浮液稳定性是酸性紫色土〈中性紫色土〈石灰性紫色土。