大倾角综放工作面粉尘运移速度变化规律及影响因素分析

大倾角综放工作面内的粉尘运移过程主要受重力和拖曳力的作用。通过对其进行受力分析,分别建立了沿工作面方向和垂直工作面方向上的粉尘运动速度模型,研究其变化规律。结果表明:在拖曳力和重力作用下,风速、工作面倾角、粒径是影响粉尘运动速度的主要因素;沿工作面方向上,在0~0.2 s内,粉尘运动速度快速增加至接近于风速,且倾角和风速越小,逼近趋势越明显;沿垂直工作面方向,粉尘粒径越大、倾角越小,最终稳定沉降速度越快,5μm粒径的粉尘颗粒在工作面45°倾角条件下的沉降速度为0.36 m/s,与实际相符。研究结果为更好地采取措施降低采煤工作面粉尘浓度提供了理论支持。     

酥粉陶质文物含有可溶盐NaCl溶液的结晶分析

针对可溶盐溶液在陶质文物多孔孔隙中的运移与分布、结晶过程中的热力学变化以及引起陶质酥粉的破坏作用力等研究报道的空白,本文利用红外热成像分析和超景深显微观察引起陶质文物酥粉最为典型的可溶盐Na Cl溶液在结晶过程以及在不同毛细孔中所发生的温度、形态、运移和结晶速率等变化,结果表明:可溶盐晶核的形成和晶体生长主要处于低于环境温度的液相区域内进行,之后处于潮解状态的盐结晶体由于液相水分挥发的吸合作用变得更为紧密.同时,盐溶液在不同孔径毛细孔中结晶状态有所区别,在毛细管中的运移和结晶主要以3个阶段为主;采用自行设计的双层接触表面内压法以及超景深显微系统测试盐溶液结晶过程中对接触表面所产生的作用力,发现除了水分子的范德华力和结晶过程中的结晶作用力外,引起变化最为明显的是处于潮解状态的盐晶体在到完全失水干燥过程中水分挥发引起结晶体的吸合作用,这种作用对周围接触表面产生明显的收缩影响,变化非常显著.本文从微观角度研究可溶盐溶液的结晶变化以及作用力分析,作为基础研究,以期为进一步如何有效地防止可溶盐对多孔文物破坏采取的保护方案提供科学依据.     

土壤分形与土壤粘附

土壤对外表面的粘附性是土壤的动力学性质之一。土壤的诸多性能呈现分形特征。本文综合了介绍土壤颗粒尺寸分布分形和土壤颗表面分形特征及其对土壤粘附的影响。分析表明土壤与固体表面的粘附力随着土壤颗粒尺寸分布分形维数和土壤颗粒表面分形维数增大而增大,土壤的这两种分形维数一定程度上反映了土壤的粘附性。     

基于欧拉模型的淹没射流冲刷数值模拟

采用Eulerian双流体模型对二维淹没射流作用下的无粘性沙床冲刷进行数值模拟,水沙两相间以及沙粒之间的相互作用通过动量交换和相间作用力体现.分别针对Aderibigbe等人的轴对称实验和本文设计的平面二维实验进行计算,动态平衡状态下冲坑剖面形态的计算结果与实验结果吻合较好.分析结果表明：不同冲刷强度下射流水体速度场具有不同的特征;沙粒受水体作用力、重力和沙粒间的摩擦力的综合作用,在沙粒的密度、直径、孔隙度等参数均相同的条件下,水体作用力决定沙粒的运动方式,从而影响冲坑的最终形态;孔隙度是影响冲坑形态的重要因素,在本文的研究范围内,随着孔隙度的增加,孔隙水的流速增大,冲坑深度增加.     

原子力显微镜探针与样品的微观接触及黏滑数

原子力显微镜(atomic force microscope, AFM)的扫描探针、针尖以及样品组成了一个微观接触、弹性变形、相对运动和摩擦的系统. 采用微尺度黏着接触理论的M-D模型, 研究了微探针针尖和样品表面的弹性接触和相对运动, 探究了扫描过程中能量的转换和耗散过程. 推导出了无量纲的黏滑数, 模拟出了不同黏滑数下的AFM侧向力信号: η＜1时, AFM侧向力信号十分微弱, 没有剧烈突变; η = 1时, 出现针尖跳跃现象(对应微观黏滑现象), 但没有能量损耗; η＞1时, 针尖跳跃滞后加强, 黏滑现象明显, 并且伴随能量耗散. 该无量纲参数揭示了微观黏滑现象产生的机理, 统一地表示了探针刚度、结构参数、黏着接触表面、载荷、样品形貌以及扫描参数的综合作用和影响, 并与现有的AFM测试结果吻合良好. 最后, 提出了从AFM侧向力信号中定量提取摩擦力信号的分析方法.     

重力波波包在临界层附近的传播

应用二维可压大气线性与全非线性数值模型, 模拟了重力波波包在临界层附近的传播. 对线性传播的波包来说, 临界层相互作用与线性理论描述非常一致. 大初始振幅尽管会使对流不稳定条件在传播过程中得到满足, 但波包并不会因此变得不稳定. 在无风背景中, 重力波波包的位能和动能可以自由转化. 在进入切变风场后, 在线性传播中这种转化将立即停止; 而非线性传播过程中该转化仍将继续. 非线性作用显著改变了背景平均流, 减小了波包的动量和能量传输速度, 降低了临界层高度; 并使得波包的部分区域变得不稳定, 破碎成更小尺度运动. 波破碎首先消耗动能. 在破碎发展到一定程度后, 位能也开始损耗. 这表明, 是剪切不稳定首先导致了波破碎的发生.     

下送风空调系统送风口气流方向对室内气流分布的影响分析

一个设计良好的下送风空调系统具有改善热舒适性、通风效率和室内空气品质,减少能耗、建筑周期花费和层高等优点。本文通过对某一下送风空调系统在送风方向分别与地面之间的夹角（记为a）为0°、45°和90°的条件下,进行了数值模拟计算。分析了不同送风方向时室内气流分布的不同。研究结果表明：a为0°和45°时的室内气流分布类似,室内最大速度都贴近地面。且形成的涡位于室内高度1／2以下,45°时室内产生更多的涡流;a为90°时靠近地面处流速很小,形成的涡位于室内高度1／2以上。对a为0°的情况进行了水模型试验,试验现象表明近地面处速度的分布与模拟计算结果基本吻合。研究结果对预测和控制下送风空调系统的扬尘有理论意义。     

硅基微型振荡热管的流动可视化实验研究

利用MEMS技术,首次在硅基芯片上加工制作了梯形截面的微型振荡热管.借助摄像机,对以FC-72为工质的两个通道水力直径分别为352μm（#1）和394μm（#2）的微型振荡热管的启动和稳定情况下的运动特征和流型等进行了可视化观察.结果发现微型振荡热管的启动相当迅速,在启动过程中没有观察到明显的核化现象,蒸发段内的汽塞主要通过液塞断裂而产生;进入稳定阶段后,微型振荡热管对倾斜角度的适应性较强,在10°～90°的范围都可实现持续稳定的大幅振荡,但只在#2热管内明显地观察到工质的单向循环运动.实验中观察到泡状流、塞状流、环状流、半环状流和波环状流等,而核态沸腾只发生在#2热管的蒸发段,在其冷凝段还观察到了喷射流.     

纳米流体的格子Boltzmann模拟

纳米流体是由流体与纳米粒子组成的胶体悬浮物, 与普通固液两相流相比, 其传热性能明显增强. 悬浮在流体中的纳米粒子会受到运动阻力、Brown力、粒子间扩散力、重力等内力或外力的影响, 因而其运动规律极其复杂. 根据纳米流体中粒子和液体介质的受力关系, 建立了纳米流体的格子Boltzmann流动与传热模型, 并用于分析纳米粒子的动态分布.     

基于磁力场与速度场协同的高效微通道磁泳分离

磁泳是实现生化分离的重要手段之一.根据微通道内磁珠运动基本方程导出了影响磁泳分离效率的新因素,即磁场力矢量与流体速度矢量的夹角,提出改善磁力场与流场的协同性是提高磁泳分离效率的重要途径之一,并基于此设计了T型结构微通道磁泳分离芯片.通过建立磁珠运动的二维动力学模型,并运用有限元和龙格库塔法,对微通道内的磁泳分离效率进行了数值模拟研究.结果发现：相同条件下T型微通道分离效率较普通平直微通道明显提高;在高流速下直通道对小粒径磁珠的磁泳分离失效时,T型微通道仍能实现高效分离.进一步分析表明,T型微通道内分离效率提高的本质在于磁力场与流场的协同作用使得磁珠产生更大的偏转速度,从而增加了分离效率.研究结果对磁泳芯片优化设计具有理论指导意义.     

不同围压与不同截齿侵入角作用下镐形截齿破岩数值模拟分析

为分析围压、截齿侵入角等对镐形截齿破岩效果的影响,采用颗粒流离散元法对不同围压和截齿侵入角下的镐形截齿破岩进行数值仿真,研究不同围压与截齿侵入角下对应的岩石破碎模式、牵引力、切割力以及裂纹数目的变化。研究表明:随着围压与截齿侵入角的变化,截齿破岩时呈现3种破坏模式:当围压为0~20 MPa、截齿侵入角为45°~60°时,可以产生向岩石内部扩展的裂纹,最利于破岩;当围压一定,截齿的侵入角为45°左右时,切割力最大而需求的牵引力最小,且两者波动最小,切割岩石最稳定;当截齿的侵入角为45°时,破岩效果最好,侵入角为60°时,围压10~20 MPa左右破岩效果较好,当截齿的侵入角为90°时,围压对截齿破岩无影响,且切割效果差。通过模拟,得出合适的截齿破岩参数,为截齿参数的选择提供指导。     

穿越河道天然气管道泄漏数值模拟

为了分析穿越河道管道泄漏后天然气在漏孔角度和河流速度影响下的迁移扩散规律,建立穿越河道天然气管道泄漏扩散的计算流体动力学(CFD)数值模型,利用FLUENT建模并模拟管道漏孔方向与水平方向夹角呈30°、60°、90°、120°和150°时不同河流速度条件下气体在河水中的扩散过程。结果表明,气体到达水面的时间和水平迁移距离随漏孔角度变化不敏感,而其与河流速度的关系为正相关。无量纲分析进一步证实了此结论。在此基础上,采用高斯非线性拟合得到气体水平迁移距离与河流速度和漏孔角度的定量关系式,其中拟合确定系数大于0.99。此结果可为穿越河道管道天然气泄漏风险评价和事故后应急策略的制定提供一定的理论指导。     

液滴冲击自由液面的SPH法数值模拟

液滴冲击液面是一个在自然界及工业生产中极其普遍的现象,同时又是一个极其复杂的强非线性瞬态冲击与自由表面流动问题．本文在二维黏性不可压缩N-S方程的基础上,采用光滑粒子流体动力学方法对液滴（水珠）以一定的初速度冲击盛水容器内液面问题进行了数值模拟研究．研究过程中通过搜索自由表面粒子,在表面粒子之间,考虑了表面张力的作用;运用人工黏性解决了初始冲击效应;同时引入边壁虚粒子和镜像虚粒子处理边界条件,很好地解决了粒子法的边界缺陷问题,并消除了容器角落处实粒子的不稳定现象．计算结果得到了粒子分布图、流场图,压强图及不同粒子位移和速度变化曲线,通过将模拟结果与实验照片进行比较说明了模拟的有效性,最后还定性比较了分别采用Level—Set法、BEM法及SPH法时的液面波动曲线变化情况．研究结果表明：液滴冲击液面时会出现液体飞溅、不连续液面以及自由液面大幅晃荡等强非线性现象;冲击过程中液体粒子运动呈现震荡特性;SPH法对处理自由表面大变形问题具有一定的优势．     

环路热管启动特性的实验研究

通过大量的实验研究了蒸发器内气液分布、反重力工作高度、启动热载荷的大小、热沉温度等因素对启动的影响, 描述并分析了4种不同蒸发器内气液分布情况下的启动现象, 给出了系统温度变化曲线图, 分析了启动的难易程度. 根据实验数据得出结论: (ⅰ) 对于液体干道内充满液体的启动情况, 储液器温度上升的主要原因并不是漏热, 而是回路压力升高所致. (ⅱ) 热载荷大有利于启动. (ⅲ) 未完全绝热时小热载荷下热沉温度不影响启动. (ⅳ) 环路热管在反重力情况下启动时, 当蒸汽槽道存在蒸汽时, 所需启动时间、启动温升增大; 而蒸汽槽道充满液体时, 所需时间、过热度和启动温升都减少. 实验还观察到了反重力启动时呈现两种启动方式的特别现象.     

一种菱形结构的二维耦合振荡器阵列及其在有源天线阵中的应用

传统的二维互注入锁相耦合振荡器阵列采用矩形栅格结构，可以实现无移相器的波束形成和扫描．矩形结构阵列相邻阵元相位差限制在[-90°，90°]内，当阵元间距为半波长时，其水平和俯仰波束扫描范围限制在偏离法线方向30°以内，论文提出了一种菱形结构的二维耦合振荡器阵列，给出了其相位控制方法，并对相位控制误差进行了分析，在对菱形结构的耦合振荡器阵列的稳定性进行分析后，给出了稳定条件，对阵列的稳定过程和相位控制方法进行了计算机仿真，对理论分析结果进行了验证．该菱形结构耦合振荡器阵列，在水平和俯仰方向上相邻阵元的相位差可达[-180°，180°]，具有比矩形栅格结构更宽的波束扫描范围。     

Si-N-O薄膜表面微图形的制备及对内皮细胞黏附行为的影响

采用光刻技术、湿法刻蚀在(100)硅片表面制备微米级沟槽图形结构, 并运用非平衡磁控溅射(UBMS)设备在图形表面沉积Si-N-O系薄膜, 最终得到Si-N-O薄膜表面微图形. 运用表面轮廓仪对微图形结构尺寸进行了表征, 采用X射线光电子能谱(XPS)对Si-N-O薄膜的成分结构进行了检测, 应用静态接触角测量评价了样品表面的亲疏水性, 运用体外内皮细胞粘附及Alamar blue实验评价Si-N-O薄膜表面微图形对内皮细胞粘附、取向及增殖等细胞行为的影响. 实验结果发现图形样品表面的内皮细胞数量和活性优于平面样品. 图形对培养1 d的内皮细胞取向有明显的引导作用, 细胞多沿与沟槽平行方向生长; 3 d后多数内皮细胞跨过沟槽区域相互融合, 细胞活性仍显著优于平面样品. 实验表明样品表面的微图形化可有效促进了内皮细胞在样品表面的附着与增殖生长.     

淡水龙虾螯的结构及力学性能的研究

本文用X射线衍射仪、场发射电子显微镜和能谱仪分别分析和观察了龙虾螯的微观结构和成份,并用纳米压痕仪和UMT-2摩擦磨损实验机测量了龙虾螯的硬度和摩擦学特性.结果表明：龙虾螯含有Ca,Mg,C,O和Na等元素,以非晶的矿物质相存在.在螯的表面存在微小凹坑和半圆微凸起,在凹坑内和微凸起周围有刚毛,刚毛上有小刺,呈非光滑表面.螯被分为上表皮、外表皮和内表皮,其外表皮层和内表皮层是由螺旋夹板层构成.螯的表面硬度和弹性模量分别为0.27和5.28 GPa.随着横截面距离的增大,龙虾螯的硬度和弹性模量逐渐降低,存在明显的力学性能梯度.当热处理温度低于200°C时,螯的硬度和弹性模量变化不大,随后逐渐增加.在水润滑条件下,螯/氮化硅摩擦副的摩擦因数大于其干摩擦下的摩擦因数.该研究为抗压复合材料和抗摩表面的设计提供仿生学依据.     

外电场作用下铁电畴极化反转机制的相场法模拟

采用相场方法模拟了铁电畴的形成及外电场作用下的极化反转,探讨了不同外电场作用下的极化反转机制.结果表明:无外电场作用下,铁电畴的形成是一个形核和长大的过程,系统达到稳定时具有4种铁电畴,其形貌均为平行四边形,其中180°反向畴沿-45°方向规则分布,90°反向畴呈阶梯状规则分布;恒定电场作用下,铁电畴产生90°和180°极化反转,极化方向有利的铁电畴长大,系统达到稳定时,平均极化增加,且恒定电场越大,平均极化越大;交变电场作用下,铁电畴产生极化反转,形成电滞回线和蝶形回线,电场频率或者强度越大,矫顽电场和剩余极化越大,温度越高,矫顽电场和剩余极化越小.     

粗糙圆柱水平入水的界面流动分离特性试验研究

针对具有微米级颗粒的粗糙圆柱水平入水开展试验研究,通过以高速摄影为工具的流动显示技术研究了粗糙圆柱以不同初速度入水后,水与圆柱表面的界面流动发生的几何形态、运动的变化,对流动分离位置进行了较准确的测量.研究表明,粗糙表面会导致圆柱入水时气-固-液三相接触线出现锯齿形失稳,接触线速度明显降低,液面更容易与圆柱表面分离.其次,对液面分离的影响因素开展研究,发现随着表面颗粒尺寸减小和单位面积的颗粒数目增加,分离角呈现先增大后减小再增加的变化规律;随着入水速度的增加,分离角度减小,界面流动更容易发生分离.最后,通过对不同粗糙表面静态及动态接触角的测量,对粗糙表面动态接触角滞后特性与入水界面流动分离的相关性问题开展了研究.     

水平梯度表面能材料表面上的液滴运动

通过化学气相沉积的方法（CVD），利用十二烷基三氯硅烷（C12H25Cl3Si）在硅基板表面上的自扩散方式，形成单分子自聚合薄膜，在硅基板上制取了梯度表面能表面．采用原子力显微镜对梯度表面能材料表面微观结构进行了测量．通过躺滴法，获得了梯度表面能材料水平表面上的微量液滴接触角的分布，并以此表征材料表面能的分布．使用高速摄像仪对液滴在水平放置的梯度表面能材料表面上的运动规律进行了测量．实验表明：水平放置的梯度表面能材料表面可驱使液滴从憎水侧向亲水侧迁移，单个液滴的运动速度最大可达40mm／s,液滴在梯度表面能材料表面的运动一般可分为加速运动区和减速运动区；当液滴峰值速度较小而减速运动较大时，液滴运动会呈现蠕动的现象．