GaAs纳米颗粒快速熔化过程的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟1×1011K/s熔速下理想闪锌矿结构GaAs纳米颗粒(NPs)快速熔化过程中的微观结构演变,并采用径向分布函数、平均原子势能、平均配位数和可视化等方法对熔化过程中的微观结构变化进行分析。结果表明,高温下As容易以As蒸汽形式脱离体系;GaAs NPs依赖晶格极化、变形来减少过高的表面势能;由于颗粒不同位置上原子的势能大不相同,导致各区域熔化所需外界提供能量大小有所差异,GaAs NPs呈现出阶段性、区域性的熔化现象; GaAs NPs中部分闪锌矿结构的极化扭曲导致体系中纤锌矿结构形成。     

纳米颗粒吸附微管道水流特性的格子Boltzmann方法模拟

纳米颗粒吸附可以显著降低微管道的水流阻力.针对纳米颗粒吸附毛细管流动试验特征,引入速度滑移边界条件,采用Lattice Boltzmann(LB)模型分别模拟了纳米颗粒吸附前后的毛细管流动状态.结果表明,柴油处理前,毛细管内的去离子水流动规律满足N-S方程;纳米颗粒吸附后,毛细管道壁面的润湿性发生改变,边界上产生了滑移速度,纳米颗粒吸附产生的理论滑移长度达到85 nm.数值模拟结果与试验数据、理论数据吻合较好,表明LB方法数值模拟具有相当精确的可预测性.     

纳米颗粒吸附微管道水流特性的格子Bohzmann方法模拟

纳米颗粒吸附可以显著降低微管道的水流阻力。针对纳米颗粒吸附毛细管流动试验特征,引入速度滑移边界条件,采用Lattice Boltzmann（LB）模型分别模拟了纳米颗粒吸附前后的毛细管流动状态。结果表明,柴油处理前,毛细管内的去离子水流动规律满足N-S方程;纳米颗粒吸附后,毛细管道壁面的润湿性发生改变,边界上产生了滑移速度,纳米颗粒吸附产生的理论滑移长度达到85nm。数值模拟结果与试验数据、理论数据吻合较好,表明LB方法数值模拟具有相当精确的可预测性。     

颗粒尺寸与表面吸附对低浓度非金属纳米颗粒悬浮液有效导热系数的影响

运用纳米颗粒导热系数模型和颗粒吸附液体时厚度的Langmuir公式,同时考虑由颗粒Brown运动引起的颗粒输运过程等因素,分析了低浓度非金属纳米颗粒悬浮液导热系数增强的机理,建立了有效导热系数模型.分析结果表明,尺寸效应和吸附作用是悬浮液导热系数增加的重要原因,而颗粒输运过程对悬浮液导热系数增加的贡献则很小.文中提出的有效导热系数模型尚未考虑颗粒团聚的因素.     

纳米颗粒调控流体润湿性微观实验观测

通过添加纳米颗粒调控油-水界面润湿性接触角是当前提高采收率技术研究的前沿热点。然而微观实验数据的缺乏使得纳米流体驱油机理始终存在争议。本文采用原子力显微镜的轻敲模式成像原理首次对液滴添加纳米颗粒后形成的纳米流体微观动态接触线进行测量。结果表明硅油液滴和正丙醇液滴在添加质量分数为5%的纳米石英颗粒后,微观接触角分别减小1.6°和0.9°,同时接触线在20 nm高度范围产生凸起结构,这与所添加纳米石英颗粒粒径一致。纳米凸起结构的产生为颗粒提高系统浸润性的结构分离压理论提供了直接的实验证据。     

阴离子木薯淀粉纳米颗粒的制备及其吸附性能

以木薯淀粉为原料,三氯氧磷为交联剂和阴离子化试剂,采用酸水解及W/O微乳液交联法合成了木薯淀粉纳米颗粒(P-SNPs).运用纳米粒度分析仪、X射线衍射仪(XRD)、N2吸附脱附分析仪、扫描电子显微电镜(SEM)等仪器,对P-SNPs的粒度、形貌、结构进行表征,并以亚甲基蓝(MB)、结晶紫和罗明丹B模拟阳离子污染物,研究了P-SNPs的吸附特性.结果表明:P-SNPs为圆整、含有中孔的球形颗粒,平均粒径为237 nm,比表面积高达93.62 cm2/g,结晶度低至3.29％;吸附时间、介质pH值、MB初始浓度对MB的吸附量和吸附效率有显著影响,适当条件下P-SNPs对MB的吸附量和吸附效率分别可达103.72、86.43％,对结晶紫和罗明丹B的吸附量分别可达98.32、83.63 mg/g.P-SNPs具有较好的脱附再生能力,在4次吸附脱附循环之后,吸附量仍然可达77.12 mg/g.P-SNPs对MB的吸附行为研究表明,P-SNPs对MB的吸附为单分子层化学吸附,符合Langmuir等温吸附模型和准二级动力学模型.     

纳米颗粒防止储层颗粒运移室内评价及机理分析

塔里木油田塔中地区志留系柯坪塔格组储层速敏较强,速敏造成渗透率降低,进而引发该地区油井产量严重下降。区别于常规的防膨、防颗粒运移措施,提出了应用纳米颗粒技术解决该问题。用人造岩心评价了不同纳米流体浓度对于不同驱替速率下纳米流体防止颗粒运移的效果,并通过天然岩心验证了该结果,同时从理论上计算了由于纳米流体的注入孔道内储层颗粒受力的变化。实验结果表明:纳米颗粒在浓度为0.15%条件下具有较好的防止颗粒运移的效果。     

耗散粒子动力学中固壁模型对纳米颗粒吸附模拟的影响

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)方法是模拟介观流动的有力工具. 模拟中常用的FCC (face centered cubic) 固壁模型会在壁面附近产生虚假的流体密度波动. 作为纳米颗粒吸附问题的关键区域, 这个现象不可忽略. 采用随机壁面模型模拟纳米颗粒吸附问题, 并就壁面附近液体密度分布和纳米颗粒吸附的模拟与传统的FCC 壁面模型进行了比较.     

核壳结构柠檬酸改性纳米磁性颗粒的特性研究

 采用了两步法制备柠檬酸改性纳米Fe₃O₄磁性颗粒。对样品进行了傅立叶红外光谱（FTIR）、Zeta电位分析、透射电镜(TEM)、热重分析(TG)和磁化曲线测定等表征分析,并对柠檬酸吸附特性进行了研究。所得柠檬酸改性Fe₃O₄纳米颗粒粒径约为30 nm, 磁性颗粒饱和磁化强度可达38.9 emμ/g,可用于药物载体研究。     

天然气管输减阻剂减阻效果现场评价方法研究

减阻剂的合理使用可有效降低天然气长输过程中的能耗并提高管道的输气能力,天然气减阻剂减阻效果的科 学评价是指导减阻剂在现场合理应用的关键所在。目前国内外现有的减阻效果评价方法在管输现场的使用中有一定 的局限性,不能较好地满足现场需要。结合减阻剂减阻机理及管输现场对评价方法的要求,对国内外已用到的3 种评 价方法进行分析与完善,并提出两种新的评价方法。运用模糊综合评价法对5 种评价方法进行优选,得出采用输气效 率系数与流量反演求水力摩阻系数联合评价法是评价管输现场减阻剂减阻效果较为合理的方法。根据该评价方法, 研发了一套天然气管输减阻剂减阻效果评价软件。在某输气管线的应用中,软件评价分析结果符合现场实际情况,且 同时满足了管输技术工程人员和生产管理者的需求。软件操作简单,使用方便,得到了现场工作人员的好评。     

基于正交试验法的厢式货车气动减阻优化

为了优化某厢式货车的气动阻力系数,设计了驾驶室前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器、底部涡流发生器等3种气动减阻装置。研究了3种单一气动减阻装置主要相关参数对气动阻力的影响,分别从货车外流场的速度轨迹、压力分布和湍动能分布等3方面详细分析了各单一气动减阻装置的减阻效果。在此基础上采用正交试验法对3种气动减阻装置的主要参数进行优化,获得最优减阻货车模型。研究表明:驾驶室前部突出部分的长度对货车整车气动阻力系数的影响比倾角更大;最优货车头部形状的倾角和长度分别为135°和300 mm,该模型的气动阻力系数为0.721 4,相对于货车原始模型的减阻率为8.93%;涡流发生器的高度和位置对货车的减阻效果均有较大的影响;涡流发生器可以增加货车尾部分离区流场的能量,使得尾涡区减小,气动压差阻力减小;3种气动减阻装置对货车气动阻力系数的影响大小依次为:底部涡流发生器、货车前部仿生减阻结构、顶部和侧部涡流发生器,其最优厢式货车模型的空气阻力系数为0.683 3,其复合减阻装置的最佳减阻率为13.8%。     

亚音速飞行器壁面沟槽减阻研究与应用

固/气界面间强烈的剪切作用是亚音速飞行器壁面摩擦阻力产生的主要原因。该文基于k-ε湍流模型及动态网格划分技术,研究沟槽内微漩涡流动特性、沟槽结构对表面受力影响及沟槽内局部压力场及压差阻力的产生原因;以壁面阻力系数为计算目标,对沟槽形貌构型优化,获取亚音速飞行时具有最佳减阻效果的壁面沟槽形貌构型参数。在中国航天某研究院FD06风洞进行试验,试验结果表明:亚音速飞行器壁面沟槽结构可显著降低壁面阻力系数。Ma=0.4时,壁面摩擦阻力由1.7N降低为0.908N,减阻率为45.57%;Ma=0.8时,减阻率为13.5%;Ma=0.9时,减阻率为18.4%。     

一种二元复合结构聚合物减阻涂层的制备

为了通过表面形貌构型实现水下减阻,基于Benard对流理论制备了一种具有二元复合结构的聚合物涂层。采用高压空气喷涂工艺,将涂料喷涂在基体材料上形成液膜;液膜固化后,亚mm级和μm级二元复合的形貌结构在涂层表面自发形成。对液膜体系中温度变化及物料迁移分析的结果表明:溶剂蒸发导致了温度梯度和表面张力梯度的出现,由此引发的界面流和界面变形,是二元复合结构表面形貌形成的主要原因。在清华大学SKLT-1小型高速水洞中,对涂层的减阻性能进行了初步测试。测试结果表明,涂层具有显著的减阻效果。     

仿生射流表面减阻特性实验研究

基于鱼类鳃裂部位仿生射流表面理论分析,对仿生射流表面回转体进行射流实验,研究其减阻特性。运用扭矩信号耦合器,分别对光滑表面实验模型和射流表面实验模型在不同旋转速度下进行摩擦扭矩测试,得到射流减阻特性曲线。研究结果表明:仿生射流表面具有较好的减阻效果,减阻率与实验模型转速、射流速度、射流孔径有着密切关系;射流最大减阻率达到10.8%。     

射流表面射流孔菱形排布减阻特性实验分析

针对射流表面流场特性,以回转体的U-PVC管为实验样件载体,在其表面上加工出按菱形排布的射流孔结构.在射流表面减阻测试实验平台上,对光滑表面和不同射流孔排布方式的射流表面所受摩擦扭矩进行模型实验,分析射流孔排布、射流速度、旋转速度等因素对射流表面减阻率的影响,研究射流孔不同排布方式下射流表面减阻特性.结果表明:不同排布方式的实验样件射流表面具有较好减阻效果,射流孔菱形排布的两个对角线均能影响射流表面减阻特性.     

仿生表面微结构减阻优化及机理研究综述

介绍了自然界中几种较为典型的非光滑结构表面生物,阐明了合理表面微结构可以改变近壁区湍流结构的规律,针对表面微结构的类型、减阻研究实例、减阻机理和减阻应用等4个方面进行了评述,提出了沟槽扩展类型,并指出减阻机理研究应拓展至复杂形态结构。分析表明:微结构类型对减阻效果有较大影响,减阻优化及其机理研究是仿生表面微结构减阻工作的重点,仿生表面微结构减阻优化可进一步提高节能降耗的效率,在飞行器、高速列车、汽车等工程领域具有广泛的应用前景。     

Fabrication of a micro-structured surface based on interfacial convection for drag reduction

Based on interfacial convection in the presence of solvent evaporation, a novel method for the fabrication of a micro-structured surface is proposed to facilitate drag reduction. A mixture was coated on a substrate through a specially developed spray-painting system. Micron scale pits formed spontaneously in the coated surface because of interfacial convection and deformation driven by the gradient of the interfacial tension. Experimental results indicated that particles in the mixture played a crucial role in pit formation, and with a suitable selection of particle size and dosage, the characteristic parameters of the pitting could be controlled. The drag reduction experiments were first performed in a water tunnel, and the results showed that the micro-structured surface had a remarkable drag reduction performance over a great range of flow speeds.     

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。     

Research progress on the ultra hydrophobic surface topography effect

The study on the effect of surface topography on hy- drophobicity involves solid-liquid-gas contact line ef- fect and solid-liquid interphase effect. The former is chiefly related to the wettability of the solid surface, while the latter is mainly concerned with the solid-liquid interface resistance during the process of relative movement. The hydrophobicity or wettability is one of the main characteristics of solid surface, determined by both the chemical components and the microstructures of…     

High-precision bio-replication of synthetic drag reduction shark skin

Nano-long chains were grafted over the replicated micro-grooves of shark skin in a novel attempt to replicate bio-synthetic drag reduction structure with high precision through synthetic bio-replication. Pre-treated shark skin was used as casting template to prepare a flexible female die of silicone rubber by soft die formation. A waterborne epoxy resin was then used to graft long-chains of drag reduction agent and prepare a synthetic drag reduction shark skin with nano-long chain drag reduction interface and lifelike micro-grooves. Replication precision analysis shows that this technology could replicate the complicated three-dimensional morphology of a biological drag reduction surface with high precision. Drag reduction experiments show that the material had an excellent synthetic drag reduction effect, with a maximal drag reduction rate of up to 24.6% over the velocities tested.