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.     

龙马溪组页岩应力敏感性实验评价

X射线衍射和全应力-应变结果表明龙马溪组页岩具有明显的硬脆性特征,破裂前曲线均呈现明显的线弹性变形。在5 MPa和10 MPa围压下,平行层理方向与垂直层理方向岩芯力学性质表现明显不同,平行层理方向的微裂缝由于受到张力作用而导致页岩突然破裂而完全失去承载能力;当围压达到20 MPa时,由于层理微裂缝的闭合,页岩的力学性质表现相似。氮气脉冲压力延迟测试结果表明:平行层理方向取芯页岩的应力敏感性更强,当有效应力增至10 MPa时,垂直层理方向岩芯渗透率下降1~2个数量级,而平行于页岩层理方向岩芯渗透率下降2~3个数量级;方解石充填的天然裂缝可提高岩芯整体渗透率2~3个数量级,且闭合型页岩天然裂缝应力敏感性强于张开型天然裂缝岩芯。     

气泡群动力特性模拟分析

采用VOF(volume-of-fluid)中的PLIC(piecewise linear interface calculation)界面重构方法模拟研究了三维气泡群的上升过程及其对周围流场的扰动.重点分析考察了大量气泡上升过程中的动力学特性,伴随着随机的碰撞与融合等现象,气泡分布经历了由规则到扇形体再到随机的过程;在大雷诺数时融合过程表现为整体行为.受到融合过程的影响,周围流场表现出明显的振荡现象,且气泡群中心受到的扰动高于外围流体.     

激光极化方向对氢负离子在金属面附近光剥离的调控研究

利用闭合轨道理论,研究了激光极化方向对氢负离子在金属面附近光剥离截面的影响。结果表明,当激光极化方向和金属面垂直时,光剥离截面的振荡振幅最大;当激光极化方向和金属面平行时,光剥离截面的振荡几乎消失。当激光极化沿其它方向时,光剥离截面的振幅在两种极限值之间变化。因此,可以通过改变激光的极化方向对负离子体系的光剥离截面进行调控研究。计算结果对于研究负离子体系在表面附近的光剥离问题具有一定的参考价值。     

液黏传动变形界面间油膜温度场实验研究

为揭示液黏传动变形界面间油膜温度场分布规律,建立油膜的三维物理模型,利用计算流体动力学原理,采用FLUENT软件对油膜温度场进行求解,并研制专门的液黏传动实验台进行实验研究.研究结果表明:平行界面和变形界面间油膜的温度随摩擦副运行时间的延长而升高,油膜温度与时间近似呈线性关系;同时,有沟槽区和无沟槽区油膜的温度沿径向递增,且有沟槽区油膜的温度远低于无沟槽区的温度;变形界面与平行界面间油膜的温度分布规律基本相同,但是,变形界面间油膜的平均温度略低于平行界面间油膜的温度.     

竹杨层积复合材料的冲击性能

以结构用竹杨层积复合材料为研究对象,采用落锤式冲击实验方法,研究垂直和平行层积方式两种冲击方向下的竹杨层积复合材料的冲击性能。结果表明:两种冲击方式下竹杨层积复合材料的冲击韧性、冲击过程和破坏方式均不相同。沿垂直方向冲击持续时间(17.21 ms)大于平行方向(11.37 ms),且垂直方向冲击过程吸收的总能量(524.42 J)也大于平行方向(403.56 J),冲击韧性垂直方向(24.16 J/cm²)优于平行方向(18.64 J/cm²)。由于垂直方向冲击过程中主要由纵向和横向应力波作用,裂纹扩展过程较长,破坏方式主要是弯曲破坏和层间胶层剪切破坏; 而平行方向冲击破坏以纵向应力波作用为主,主要发生弯曲剪切破坏。单元结构和胶合界面是影响竹杨层积复合材料冲击韧性的主要原因。     

线阵相关光纤束波长编码传像研究

介绍一种采用波长编码,通过线阵相关光纤束实现长光路纯光型图像传输的方法。运用积分抽样理论分析了该方法传输图像的机理和特性。结果表明：线阵光纤束波长编码传像的效果和特性随波长编码方向与线阵光纤束排列方向夹角的不同而不同。当两方向垂直时,线阵光纤束可并行传输二维灰度图像;当两方向平行时,可传输像质改善的一维图像。实验结果与理论分析一致。     

圆内开缝圆不同开缝方向自然对流换热

采用SIMPLE方法对圆内开缝圆在不同开缝方向时的自然对流换热进行了数值模拟,根据数值结果,分析了开缝圆不同开缝方向的自然对流换热规律和特性.数值结果表明:采用SIMPLE方法的计算结果与已有文献相同工况的实验结果相吻合;同一开缝方向,平均当量导热系数Keqs随着瑞利数Ra的增加而增大.当Ra较小时,Keqs基本不随开缝方向的改变而变化;当Ra继续增大,同一Ra下开缝方向从竖直到水平随角度φ增大Keqs值变小;当Ra超过一个临界值时,Keqs数值结果出现了振荡,且这个临界值与开缝方向相关;研究水平开缝的圆内开缝圆自然对流换热,随着Ra的增加,能够获得稳定解、周期性振荡解及非周期振荡解,最终为混沌.     

"串并联"法在计算平行板电容器电容中的应用

对充有非规则电介质平行板电容器的电容计算方法进行了探讨,并用概念图进行了描述.提出采用"串并联"法求解其电容,通过实例介绍了平行板电容器中多种介质交面与平行板平行、垂直、斜交等几种情况下"串并联"法的应用.此方法类似电路中电阻的串并联,简洁、实用.     

水平通道内黏性指进现象LBM模拟

采用格子Boltzmann方法(LBM)研究了水平通道内非混相驱替过程中的黏性指进现象.考察流动方向与重力方向垂直时,驱替和被驱替流体间黏度比及壁面可润湿性的影响,比较了不同条件下的指进前缘形状,并利用突破时间和面积扫掠效率分析了驱替效率.研究表明,在重力的影响下,指进前缘形状关于水平通道的中心线是非对称的.随着非混相流体间黏度比的增大,指进现象也随之增强,导致驱替效率降低.当驱替流体不易润湿通道壁面时,指进现象被强化;当驱替流体易于润湿通道壁面时,指进现象则被抑制.     

双疏水表面润湿和传热动力学研究

为实现润湿图案化的超疏水表面在航空电子设备散热中的应用,本文对液滴撞击双疏水表面(具有疏水性图案的超疏水基质)的润湿行为和传热特性进行了分析.通过使用高速相机和红外相机,我们获取了液滴铺展和回退阶段的动力学以及表面温度和热流量的相应空间分布.本文研究了液滴撞击超疏水、疏水和双疏水表面上的动态润湿和局部传热的差异.此外,本文还分析了表面温度和撞击高度对液滴撞击过程的影响.结果表明,所有表面在铺展阶段都具有相同的润湿特性和相似的传热行为.表面温度变化并不能对铺展阶段表面润湿特性产生较大的影响,液滴铺展时间与表面温度和撞击高度无关.在回退阶段,表面润湿特性的差异使得三个表面之间的传热特性明显不同.双疏水表面特殊润湿特性使得回退阶段液膜的接触线速度存在跳变现象,形成了许多小液滴,增加了接触面积,同时又兼具了超疏水表面的回弹特性.     

石油磺酸盐对玻璃纤维聚结脱水性能的影响

目前,关于纤维表面水滴聚结与脱落过程的研究多为定性分析,缺乏相关实验数据,并且各种因素对纤维聚结脱水效果的影响并不清晰。针对以上问题,搭建了一套可视化微流道实验系统;在航空煤油-水体系中加入表面活性剂石油磺酸盐,制备了两种不同界面张力的乳状液;利用建立的实验系统观测在不同界面张力下纤维表面水滴的聚结与脱落过程,并讨论了影响水滴聚结与脱落的主要因素。结果表明：在18 mN/m的界面张力下,最大水滴粒径在前3 min增长较快,在3 min后增长较为缓慢;在8 mN/m的界面张力下,在前6 min最大水滴粒径的增长趋势较为平缓,6 min后最大水滴粒径几乎不再增长,并且在聚结初始阶段水滴呈单侧分布;水滴单位面积的表面活性剂分子数存在饱和值,当达到饱和值时,水滴被表面活性剂分子完全包围,很难与其他水滴发生聚结行为;在18 mN/m的界面张力下,流场流速是引起水滴断裂脱落的主要原因;在8 mN/m的界面张力下,水滴的断裂脱落不仅受流场流速的影响,而且还与表面活性剂的含量有关。     

石油磺酸盐对玻璃纤维聚结脱水性能的影响

目前,关于纤维表面水滴聚结与脱落过程的研究多为定性分析,缺乏相关实验数据,并且各种因素对纤维聚结脱水效果的影响并不清晰。针对以上问题,搭建了一套可视化微流道实验系统;在航空煤油-水体系中加入表面活性剂石油磺酸盐,制备了两种不同界面张力的乳状液;利用建立的实验系统观测在不同界面张力下纤维表面水滴的聚结与脱落过程,并讨论了影响水滴聚结与脱落的主要因素。结果表明：在18 mN/m的界面张力下,最大水滴粒径在前3 min增长较快,在3 min后增长较为缓慢;在8 mN/m的界面张力下,在前6 min最大水滴粒径的增长趋势较为平缓,6 min后最大水滴粒径几乎不再增长,并且在聚结初始阶段水滴呈单侧分布;水滴单位面积的表面活性剂分子数存在饱和值,当达到饱和值时,水滴被表面活性剂分子完全包围,很难与其他水滴发生聚结行为;在18 mN/m的界面张力下,流场流速是引起水滴断裂脱落的主要原因;在8 mN/m的界面张力下,水滴的断裂脱落不仅受流场流速的影响,而且还与表面活性剂的含量有关。     

介电泳效应的液滴聚结过程与分布

基于Cahn-Hilliard建立Navier-Stokes两相流体动力学和电场Maxwell应力张量法的多物理场耦合模型,用于平行极板型、针型和圆环型电极的液滴聚结仿真.研究结果表明:较强的电场强度诱导分散相液滴聚结耗时较短,液滴链的结构和均匀度受电极形状和电场空间均匀性的影响较大;均匀电场诱导液滴成链较为均匀,并不受液滴数量的影响.在指针型和圆环型电极产生的非均匀电场只能在液滴数量较少的条件下,实现规则液滴链的生成.通过多物理场模型建模,仿真结果能够为静电纺丝、液滴合并、液泡回收等复杂微流体电学控制提供理论基础.     

Static and dynamic characterization of droplets on hydrophobic surfaces

We report on our study of the static and dynamic wetting property of hydrophobic surfaces with micro-and dual micro/nano-scale structures.Simulations based on the lattice Boltzmann method showed that the apparent contact angle of water droplets on hy-drophobic surfaces with micro-scale structures increases as solid area decreases,whereas dual micro/nano-scale structures not only increase surface hydrophobicity but also greatly stabilize the Cassie state of droplets.Droplets falling on a superhydrophobic surface distort and,depending of free energy,sometimes bounced on the surface before finally adhering to the surface.These phenomena are in agreement with experimental observations.Simulated results also show that micro/nano-scale surface structures can increase droplet rebound height,which depends on static apparent contact angle.     

基于液滴局部轮廓的接触角测量方法

为了实现超疏表面上液滴的接触角测量,提出了基于液滴局部轮廓的接触角测量方法,通过超疏水表面的接触角测量实验对所提出的测量方法进行了验证。结果表明:基于液滴局部轮廓的接触角测量方法能有效稳定地测量出超疏水表面上的液滴接触角值;实施提出的接触角测量方法时需要测量点均布在液滴高度的2/5范围内的液滴轮廓上;基于液滴局部轮廓的接触角测量方法中接触点的选择误差对接触角测量结果的影响是可控的。可见基于液滴局部轮廓的接触角测量方法可用于表征表面的润湿性能。     

接触面温度对表面液滴蒸发过程的影响

详细研究了不同接触面温度对液滴蒸发过程的影响.通过分析液滴中间平面的粒子图像,首先阐述了接触面温度对液滴内漩涡流动的影响,并指出液滴周围水汽的凝结过程对液滴底部成像的影响.然后计算了不同接触面温度条件下液滴的量纲一体积与接触角随时间的变化曲线.结果表明,随着接触面温度的降低,液滴的量纲一体积和接触角减少的速度都变慢,在接触面温度较低的时候(例如5°C),液滴的量纲一体积和接触角都因空气中水汽凝结过程的影响而增大.     

Mechanism and simulation of droplet coalescence in molten steel

Droplet coalescence in liquid steel was carefully investigated through observations of the distribution pattern of inclusions in solidified steel samples. The process of droplet coalescence was slow, and the critical Weber number (We) was used to evaluate the coalescence or separation of droplets. The relationship between the collision parameter and the critical We indicated whether slow coalescence or bouncing of droplets occurred. The critical We was 5.5, which means that the droplets gradually coalesce when We ≤ 5.5, whereas they bounce when We > 5.5. For the carbonate wire feeding into liquid steel, a mathematical model implementing a combined computational fluid dynamics (CFD)-discrete element method (DEM) approach was developed to simulate the movement and coalescence of variably sized droplets in a bottom-argon-blowing ladle. In the CFD model, the flow field was solved on the premise that the fluid was a continuous medium. Meanwhile, the droplets were dispersed in the DEM model, and the coalescence criterion of the particles was added to simulate the collision-coalescence process of the particles. The numerical simulation results and observations of inclusion coalescence in steel samples are consistent.     

基于螺线拟合的高精度接触角测量方法

液滴在表面上的接触角是表征材料表面性能的重要参数,在流体力学、表面化学、医学等学科中具有重要应用。高精度的接触角测量与三相接触点的准确定位和拟合曲线的吻合程度密不可分,因此提出一种新的接触角测量方法。首先,基于Harris角点检测算法实现液滴三相接触点的自动检测,通过角点间的距离进行筛选,在筛选出角点的基础上进行亚像素角点检测,得到精确的三相接触点的位置。其次,针对多项式曲线拟合疏水和超疏水液滴轮廓不准确的问题,使用对数螺线和阿基米德螺线对液滴轮廓进行拟合,并求出拟合曲线在三相接触点处的切线,得到准确的接触角测量值。最后,对多幅液滴图片进行测量验证,结果表明本方法不仅适用于测量静态接触角,还适用于测量动态接触角,且接触角自动测量结果与电子量角器测量结果基本一致。     

Effect of upper contact line on sliding behavior of water droplet on superhydrophobic surface

With a low surface energy, high apparent contact angle(>150°) and low sliding angle(<5°), superhy- drophobic surface has recently been attracting a great deal of attention. The true factor determining the sliding angle still remains unclear. In this paper, various superhydrophobic silicon surfaces with pillars are fabricated by photolithography and hydrophobized with octadecyltrichlorosilane (OTS). Relations between sliding angles and micro-structured surfaces are being investigated in detail with 10 mg wat...