流场中复杂液滴的变形运动与吸附

液滴动力学是多相流热物理学的重要基础研究方向.随着科学研究的逐步深入和工业技术的不断发展,人们发现液滴的界面可由多种物质分子组成且可出现复杂的结构,如石油工程中表面活性剂、固体颗粒等物质吸附于油水液滴界面,细胞等生物液滴由具有复杂分子组成和结构的膜包裹等.研究发现复杂的分子组成和结构使液滴界面具有剪切弹性、面积扩张弹性、抗弯特性等显著不同于普通液滴表面张力的力学性质,而复杂的界面力与流场黏性力、壁面物理化学吸附力等相互耦合导致液滴在流场中展现复杂的变形、运动、吸附等动力学行为.本文介绍了复杂液滴界面的力学性质及其模型描述,综述了近年来关于流场中复杂界面液滴的变形、运动、吸附行为的研究进展,并给出了后续研究的建议.     

线性剪切流中弹性界面液滴变形的惯性作用

弹性界面液滴(由弹性界面包裹而成的液滴)在流场中的变形等动力学行为是深入理解液滴群悬浮液流变特性以及发展基于液滴的物质输送技术的重要基础.流体惯性、液滴界面弹性、流体黏性等力学作用相互耦合,共同控制弹性界面液滴的动力学行为.已有文献以Stokes流假设进行简化,集中研究了忽略流体惯性条件下弹性界面液滴的变形动力学行为.本文结合Front Tracking Method和Finite Element Method,在传统两相流模拟方法中引入薄膜弹性力学理论,发展了能同时考虑液滴界面弹性和流体惯性的两相流数值模拟方法,研究了颗粒雷诺数(Re)对线性剪切流中弹性界面液滴变形动力学行为的影响.结果表明:雷诺数较高时,弹性界面液滴的瞬态变形出现振荡,且随雷诺数增大,变形振荡的幅值和周期都增大,液滴瞬态变形时间变长;随雷诺数增大,液滴的最大变形和稳态变形均增大,且液滴形状也有显著变化.由此可见,在Re1的条件下,流体惯性对弹性界面液滴变形动力学行为的影响不可忽略.     

用应力回复的实验方法来研究水解聚丙烯酰胺的黏弹特性

聚合物溶液在强化采油工业中有着十分重要的应用, 其独特的黏弹特性在提高微观驱油效率方面发挥了巨大的作用. 采用应力回复的实验方法对水解聚丙烯酰胺溶液的黏弹性进行了较为系统的研究. 研究表明水解聚丙烯酰胺溶液的黏弹性随浓度的增大而不断地增强; 随阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)含量的增加, 黏弹性降低; 氯化钠的加入对黏弹性有破坏作用.     

气液两相搅拌流内夹带液滴产生机理及粒径分布

对竖直管内气液两相搅拌流内夹带液滴产生机理,截面液相分布及夹带液滴粒径分布进行深入的实验研究,讨论了搅拌流内夹带液滴产生方式,揭示了夹带液滴产生方式对夹带液滴粒径大小影响规律,获得了搅拌流内液滴粒径分布特性.结果表明,不同的流动条件下,搅拌流内存在液桥破裂、袋式破碎和丝带式破碎3种夹带液滴产生方式.在弹状流向搅拌流转变时,液桥被气相来流冲破产生大液块;当气速较低时,夹带液滴以袋式破碎为主,夹带液滴粒径较大,气相场液滴浓度较高,液滴夹带效果显著;随着气速的增加,袋式破碎机理受到抑制,丝带式破碎机理作用逐渐显著并最终占主导地位,夹带液滴粒径较小,且气相场液滴浓度在搅拌流向环状流转变点附近达到最低.     

溶解润湿动力学的物理力学

溶解润湿涉及润湿、扩散及对流多个复杂的物理过程.本文采用物理力学方法研究了溶解润湿的动态过程,分析了溶质粒子进入液体内部对于液滴铺展、溶剂结构以及液滴内部流场造成的影响,结合理论得到了溶解润湿过程中的标度律.研究结果表明在液滴铺展前期界面张力驱动占主导,标度关系满足Tanner律.随着溶解的进行,溶质粒子进入液滴内部一方面造成溶剂分子结构的变化,另一方面浓度梯度的存在加快了液滴的铺展速度并改变了液滴内部的流场,且液滴内部流场中有无对流对于液滴铺展标度律会产生显著的影响.因此,溶解润湿对于液滴的内部结构、流场及铺展过程都会产生重要的影响,其研究对于理解、控制和优化涉及溶解润湿的实际问题具有十分重要的意义.     

液滴蒸发形成单根分散的合成Imogolite纳米管

用透射电子显微镜和电子衍射技术研究了合成Imogolite液滴干燥形成的纳米管聚集形态. 研究表明, 液滴在空气中干燥时, 当溶液浓度较高时, Imogolite纳米管形成紧密缠结的网状结构；当溶液浓度较低时, Imogolite纳米管形成取向的管束结构. 在乙醇气氛下干燥时, 观察到了单根分散的Imogolite纳米管, 证实了合成的Imogolite纳米管长度具有多分散性.     

含非完好界面的非线性弹性波超材料中SH波的非互易传输

研究了含非完好界面的非线性弹性波超材料中的非互易传输现象.通过结构的非对称性和材料的非线性打破了经典弹性波系统中的互易性原理.入射的反平面剪切(shear horizontal, SH)波与材料的非线性效应相互作用产生二次谐波.根据Bloch定理,利用刚度矩阵法得到了基频波和二次谐波的带隙和透射系数.通过与完好界面情况下的结果对比,讨论了界面特性对层状周期结构中SH波的带隙和非互易传输的影响.本研究有助于设计具有非互易传输性能的弹性波超材料器件.     

纳米颗粒表面活性剂对T型微通道中液滴分裂的影响

液滴分裂是微通道中获得单分散小尺寸液滴的重要方法,纳米颗粒表面活性剂能够包裹液滴,是制备功能胶囊的潜在技术手段,研究纳米颗粒表面活性剂作用下的液滴分裂行为对于获得尺寸更小、分散性更好的功能液滴具有重要意义.本文通过微流体可视化实验和理论分析方法,研究纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响规律.在纳米颗粒表面活性剂作用下,液滴分裂存在阻塞分裂、过渡态分裂、非阻塞分裂、不分裂4种状态;通过分析液滴颈部宽度随时间的变化关系,得出纳米颗粒表面活性剂对液滴分裂的影响机理,即通过降低界面张力影响挤压颈缩速率;通过分析基于液滴尺寸与毛细数的液滴分裂状态分布相图,建立了液滴阻塞分裂与非阻塞分裂的临界转化理论模型.     

弹性变形对三维弹性液箱内晃荡波面的影响

弹性液舱舱壁在大幅晃荡液体的作用下会发生弹性变形,从而会对液舱内液体晃荡的水动力特性产生一定的影响.文中通过物理模型实验研究了水弹性效应对弹性方形液舱内液面晃动的影响.实验水深比h/L(h为液深,L为液舱长度)为0.167,激励频率在最低阶自振频率附近.由于液舱结构变形的影响,弹性液舱内液体的最低阶自振频率与同尺寸的刚性液舱略有差别.实验中分别对刚性和弹性两个方形液舱在不同频率的简谐纵向激励作用下的波动形态进行了分类分析,并比较了对应不同二维行波、过渡状态和三维共振以及二阶次共振等不同波动形态时弹性液舱和刚性液舱内的波面高度.     

油/水界面层膨胀流变特性的实验研究

利用一种基于Langmuir膜天平原理的液／液界面膜压力测定装置测量了油／水界面层的膨胀流变特性。界面膨胀弹性流变性能的研究结果表明，在纯净的烷烃／水界面上，有可能形成一种由色散力相吸引起的对界面压敏感的界面缔合物。缔合物在界面压作用下，其稳定性随烷烃碳数的增加而减弱。     

低压蒸汽滴状冷凝中液滴脱落滞后效应

利用界面结构效应实现蒸汽滴状冷凝对能源动力系统的高效化和集成化具有至关重要的作用.深入认识液滴动态特性对传热性能的影响有利于探究低压蒸汽冷凝中传热控制机理和研发高效紧凑的传热强化技术.本文系统地研究了蒸汽滴状冷凝中液滴脱落特性,提出了低压蒸汽冷凝液滴脱落滞后效应.随着蒸汽压力降低,冷凝液滴黏度增加,引起自身脉动特性下降,接触线移动受阻,接触角滞后现象明显,导致脱落尺寸明显增加而脱落速度大大降低.与常压蒸汽冷凝中液滴的快速启动连续下落不同,低压蒸汽冷凝中液滴长至脱落尺寸后表现出了"阶跃式"下落的现象,即液滴脱落滞后效应.在液滴整个生命周期中,低过冷度时液滴生长速度控制着传热过程,而高过冷度时液滴脱落滞后延缓了表面更新,降低了有效换热面积,成为了控制传热过程的因素.通过液滴脱落效应解释了传热通量随过冷度非线性增加现象的内在机理,明晰了蒸汽冷凝传热控制机制,为低压蒸汽冷凝传热强化指明了方向.     

超软脑组织切割过程数值模拟

脑组织试样的无损切割是脑组织力学性能精准测试的前提条件.通过准静态拉伸、松弛实验建立脑组织的黏弹性本构.利用接口子程序VUMAT将脑组织的五参数黏弹性属性及等效Mises应力失效准则嵌入ABAQUS中,进行脑组织切割过程数值模拟.研究了刀具与脑组织间摩擦系数、刀刃曲率半径、刀刃夹角和刀具切割速度对切入力和切入位移的影响规律.结果表明曲率半径对切入力的影响最为显著,摩擦系数和刀刃夹角的影响相对较小,切入力和切入位移随切割速度增加而减小.研究结果对软物质的切割过程数值模拟研究以及脑组织力学性能实验试样的微创切割具有参考价值.     

仿荷叶微凹凸表面的疏水机理与判据

根据液滴在有限液固界面上接触角恒增大原理,提出仿荷叶微凹凸表面提高疏水性是众多小尺寸有限液固界面所集成的结果.建立了液滴在类荷叶结构表面的稳定性数学方程,推导出微凹凸表面空隙的理论临界半径与固体、液体性质之间的关系,阐述了实现疏水性的3个条件.计算结果表明,当微凹凸表面空隙半径小于理论临界半径rc时,液滴在固体表面均可呈现接触角大于90°的稳定状态,而液固界面面积的最小化以及低的固体表面能是实现疏水性的重要因素.提出用有效黏附功W′a作为衡量固体表面疏水能力的判据.     

格子Boltzmann方法在电流体动力学中的应用: 均匀电场中液滴的变形和失稳

均匀静电场中液滴变形问题是电流体动力学的重要基础内容, 用格子Boltzmann方法研究此问题是一个崭新的领域. 基于Peng等人提出的可以得到高液气密度比和低液相压缩性的单组分两相格子Boltzmann模型, 采用本文提出的液相和气相统一的介电常数与密度的关系式, 对均匀静电场中二维绝缘液滴在绝缘媒质中的变形问题进行了数值模拟. 结果表明, 本研究采用的方法可以很好地模拟出液滴形态变化及其规律, 特别是液滴的失稳射流现象, 并得到电场中绝缘液滴变形问题的重要特征参数——临界介电常数比和临界电场强度. 这些结果与相关的理论和实验符合较好, 表明格子Boltzmann方法在研究存在多相的电流体动力学问题上具有独特优势和很大潜力.     

多相格子Boltzmann方法及其在相变传热中的应用

经过30余年的发展,格子Boltzmann方法已成为一种非常有效的数值模拟方法.该方法是介于微观分子动力学模拟方法和基于连续介质假设的宏观数值模拟方法之间的一种介观数值模拟方法.与传统数值模拟方法不同,格子Boltzmann方法基于气体动理论,具有清晰的物理背景和粒子图像,能够非常方便地从底层刻画流体内部的相互作用,因而对多相多组分等复杂流体系统的模拟具有很大优势.近年来,该方法被应用到沸腾及冷凝相变传热的研究中,体现出了一定的优势与特色.与VOF, Level Set等界面跟踪或界面捕捉方法相比,格子Boltzmann方法中的气液界面可以自动产生、演化与迁移,无须采用任何界面跟踪或界面捕捉技术.此外,在相变传热的研究中,气泡或液滴可以自动成核,无须布置种子气泡或种子液滴.本文总结了近些年多相格子Boltzmann方法的发展,并结合作者的研究工作,重点评述了伪势多相格子Boltzmann模型的研究进展及其在沸腾与冷凝相变传热中的应用.     

分散体系中液滴间力学行为

分散体系的物理及化学性质依赖于分散相液滴聚并、液膜排液等微观过程,而借助于扫描探针显微镜(SPM),通过模拟分散液滴的布朗运动,可以从液滴力学行为的角度对这些现象加以研究.本文综述了SPM技术在研究可变形介质间动态作用力、变形及聚并方面的发展及现状,介绍了相关技术及在可变形介质相互作用力测量方面的应用,阐述了近年来液滴间DLVO力、非DLVO力、动水作用力等方面的研究进展,并对该方向上取得的关键成果进行了评述,在此基础上,对相关技术的发展方向及亟待开展的研究进行了展望.     

湖泊底泥疏浚对内源释放影响的过程与机理

对城郊污染湖泊五里湖和玄武湖底泥疏浚前后内源负荷模拟研究和现场样品采集分析表明, 疏浚可在短期内使内源污染负荷得到一定程度的抑制, 由于疏浚方法所造成的疏浚质量差异将对底泥内源控制效果产生影响; 随着颗粒沉降、动力扰动和生物转化等生物地球化学过程的持续作用, 内源回复现象将有可能逐步出现, 其回复的速度主要与疏浚方式、新生表层界面过程变化有关, 沉积物中较高的营养物和有机物含量本底对底泥界面过程和营养物再生起促进作用. 浚前研究污染湖泊底泥物化、生物特性和底泥释放特征, 对确定污染湖泊底泥疏浚方式和预测疏浚效果等极其重要.     

MgSO_4微液滴表面和内部结构的微区拉曼研究

利用疏水的聚四氟乙烯为基底,在其表面得到球形的硫酸镁液滴.利用微区拉曼技术,实现了在硫酸镁液滴表面和球心两次聚焦,由此获得了来自表面和内部组成不同的拉曼信号,初步认定MgSO4液滴形成的胶态结构为具有一定厚度的膜状结构.这种膜状结构覆盖在液滴表面,阻碍液滴内部水分蒸发,导致MgSO4液滴表面和内部的结构差异.     

冰核细菌Pseudomonas syringae是否可以影响大气的冰核核化过程

近年来,大量的研究表明:生物气溶胶作为有效云凝结核与冰核在大气物理和化学过程中发挥着重要的作用.环境大气和云水样品中,冰核活性细菌Pseudomonas syringae的可培养菌株已经成功地被分离筛选出来.其在大气云物理过程尤其是降水过程中的重要作用也已经成为当前国际大气生物气溶胶气候效应研究的热点.本研究采用液滴冻结实验技术,测试了当前已被确定含有冰核活性菌的3种菌属即假单胞菌属(Pseudomonas)、欧文氏菌属(Erwinia)和黄单胞菌属(Xanthomonas)的代表性标准菌株(P.fluorescen,E.uredovora,X.campestris和P.syringaepv.panici),和被证实具有冰核活性的细菌菌株(P.syringaepv.lachrymans)的菌悬液液滴的冻结温度.结果显示:所测试的目前国际公认的冰核活性细菌属的标准菌株P.syringaepv.panici,P.fluorescen,E.uredovora,和X.campestris并不具备冰核活性,被测细菌菌悬液(OD600=0.25,数浓度108cells/mL)的液滴冻结温度分别是:20.3±2.3℃,21.8±2.3℃,20.8±3.4℃和19.9±3.3℃,与超纯水液滴的冻结温度(20.8±2.7℃)差异不大;而相同浓度下,P.syringaepv.lachrymans(ps1-10)菌株的冻结温度是5.0±0.8℃,具有显著的冰核活性.ps1-10菌株液滴平均冻结温度随着菌悬液浓度梯度降低的变化特征表明,当菌液浓度低于105cells/mL时,菌液液滴冻结温度明显降低,当菌液浓度低于104cells/mL时,菌液液滴与无冰核活性的液滴冻结温度接近.由此本文提出疑问:冰核细菌P.syringae是否能以浸润核化活性在大气真实环境中的冰核异质核化过程中起到重要作用,还是存在其他的作用机制?     

三元Fe-Co-Cu包晶合金中壳核组织形成机制

三元Cu₅₀Fe_37.5Co_12.5包晶合金液滴在自由落体过程中发生亚稳液相分离, 主要形成由L₁(Cu)和L₂(Fe,Co)两相构成的壳核组织. 在测定固相面和液相面温度以及液相分离临界过冷度的基础上分析了壳核组织形成机制, 发现分离两液相的界面能随温度降低而增大, 合金液滴沿着半径方向从内向外存在着由小变大的温度梯度. 作用于L₂(Fe,Co)相上的Marangoni力(F_M)随其尺寸增加而增大, L₂(Fe,Co)相小液滴在F_M力的作用下从外向内迁移过程中逐渐粗化, 同时发生碰撞和凝并, 进而形成壳核结构的凝固组织.