水滴撞击固体表面实验研究

为了研究水滴撞击固体表面的影响因素,利用高速摄影仪记录了水滴撞击不同固体表面的形态变化过程,记录速度为2000f/s.实验是在常温大气环境中进行的,水滴的初始直径固定在(1.8±0.05)mm.对不同材料和不同表面粗糙度的固体表面以及不同撞击角度进行了实验观察,并采用图像处理技术获得不同条件对液滴撞击固体表面行为的影响.实验结果表明:不同固体表面、不同表面粗糙度和撞击角度对液滴撞击固体表面后的润湿行为有非常显著的影响.随着We由50增大到300,液滴撞击在非润湿性表面上会出现部分反弹、反弹甚至飞溅现象;相同固体表面的表面粗糙度增大使撞击过程的接触角变小.     

氮化铝声表面波器件表面微液滴的声表面波操控研究

声学操控是实现芯片级微流体操控的重要方法之一,如何实现在新型压电器件表面用声表面波有效驱动操控微升量级流体是该方法中一个非常关键的问题。通过在氮化铝薄膜声表面波器件表面滴放不同体积微液滴,在微尺度下利用高速摄相机和红外热像仪研究分析了声表面波操控雷诺数较小的液滴流体力学特征和声波热效应。结果显示在较低加载功率条件下观察到声波激发液滴内粒子流场轨迹呈现出典型稳定的双涡旋蝶形结构;而加载功率继续增大时,液滴定向输运过程中输运速率随加载功率增加而增大,进一步在较高功率下液滴出现了喷射现象,进而从理论上讨论了上述特征中的耦合操控机理。同时,观察到微液滴操控过程中的声波加热效应,液滴温度变化量随加载功率呈正比线性增大趋势,但在较高功率时出现偏离。对比分析了器件表面特定位置滴放微液滴前后器件表面温度和液滴温度变化量分别随加载功率线性增大的特点,提出液滴内热量的来源以液滴内的声波因克服流体粘滞阻力做功产生的贡献占主导。     

基于特征解的有限弹性板中声表面波的二维分析

通常认为声表面波(Rayleigh 波)在无限大弹性板中具有不同的振动模态. 确切地说, 在板中具有代表对称和反对称模态的并以指数形式衰减和增长的成对模态出现. 随着板的厚度的增加, 这些成对出现的模态在叠加后将接近半无限弹性体中的表面波模态, 当然也具有表面波的变形和速度特征, 但在弹性板的表面却有着较大的变形. 将有限弹性体表面波的二维理论加以扩展, 在展开函数中除了熟知的指数衰减项外还考虑了指数增长项, 从而建立了有限弹性板中表面波分析的二维理论. 利用这些新的方程, 研究了不同厚度弹性板中表面波指数衰减和增长型模态的耦合. 发现对于厚度较小的弹性板, 这两组模态是强耦合的, 在分析中予以全部考虑也就显得非常重要. 当弹性板的厚度增加到一定程度, 如大于5个波长时, 只用厚度衰减模态就可以分析表面波的振动模态, 从而可以极大地简化弹性板中表面波分析的二维方程组.     

基于超声悬浮的液滴非接触操控及其动力学

超声悬浮是利用超声波的非线性效应产生声辐射力实现物体悬浮的独特技术.由于避免了与固体表面的接触,声悬浮技术特别适用于对液体样品的无容器操纵,被广泛应用于液滴动力学研究以及基于液滴的微生化反应与分析.本文简要介绍了声悬浮的基本原理和主要技术,综述了声悬浮液滴动力学的研究现状,包括液滴的平衡形状、振荡、失稳以及内外部流动,讨论了利用声悬浮技术对液滴进行操纵的若干方法.本文还总结了声悬浮技术的主要应用,提出了声悬浮的若干未来研究方向.     

基于声表面波谐振器的三维纳米团簇敏感薄膜关键技术研究

设计了一种新型基于声表面波技术的气体传感器,理论分析了三维纳米线结构的比表面积大、灵敏度高等优点,采用具备高Q值和低插损的谐振型声表面波器件结构,制备了三维敏感膜结构的声表面波气体传感器.在此基础上,为提高吸附效应,对三维纳米线簇进行了修饰改进.通过将沙林气和芥子气注入放置了声表面波的气体传感器密闭腔体内,经过神经网络识别系统进行定性识别.实验结果表明,基于修饰改进后的纳米线簇敏感膜制备的声表面波气体传感器对给定毒气混合气体的整理识别率大于90%,能够满足通用的毒气定性检测要求.并且三维纳米声表面波气敏传感器的灵敏度和响应速度优于传统的传感装置,在识别系统加大样本数据量时,能够进一步提高识别精度.     

液滴在类刀-工-屑狭缝中的动态润湿特性

针对切削过程中切削液液滴在刀具-工件-切屑构成的狭缝中的润湿铺展行为不易观测及分析的问题,采用透明石英砖和带沟槽的不锈钢板构成类刀-工-屑微狭缝,利用具有显微功能的高速摄像机拍摄微狭缝中液滴的润湿动态过程.基于图像处理技术,提取实验拍摄的视频帧中数据.描述微狭缝中的液滴二维扩散过程,采用Logistic模型加以拟合,结合模型中参数,定性衡量了不同高度狭缝中渗水速度的相对大小.研究发现,水滴在深度200μm以下的狭缝中铺展时,渗入狭缝的流量随狭缝深度减小而减小,这说明尽管随着尺度缩小,毛细压力增加,但是渗入狭缝还是越来越困难,并通过多次重复性实验验证了这一结论.     

柴油、甲醇和水三组元乳化液滴微爆过程的研究

分别采用激光全息摄影技术和高速数字摄影技术观察了柴油、甲醇和水乳化液喷雾在高温高压（773K，3．1MPa）环境中发生微爆现象的瞬间和全过程，证实了微爆现象的存在．由于微爆机理的复杂性，尚难以用数学方法准确描述该过程．实验分析表明：若环境温度处于“最佳温度”范围内，乳化液滴表面首先形成“无水层”，液滴内部形成一个水滴的概率很小，可能形成几个相对较大的水滴，只要其中一个较大水滴的蒸汽压力大于液滴的表面张力和环境压力之和，液滴就有可能发生微爆，微爆不仅与液滴直径、组分的质量分数和组分间的沸点差等乳化液的本身特性有关，而且环境温度和压力的影响也不容忽视．该研究可以为乳化液喷雾微爆过程的数学模拟提供参考．     

带有温度检测的声表面波气体传感器

设计并分析了一种新型多参量声表面波传感器.相比于传统的气体传感器,设计通过两组声路可以对气体与温度同时进行检测并直接显示被测数据.设计解决了不同温度下器件对气体敏感度不同而导致的测不准问题.实验中分别使用了中心频率为99.85 MHz和174.5 MHz的声表面波器件对气体和温度进行了检测.对理论及实验结果进行了讨论分析,实验数据与理论推导结果相吻合.     

基于P_n近似方法的消防水幕辐射传输模拟分析

水幕系统对火焰辐射衰减问题包含了气体、水滴粒子、不完全燃烧产生的炭黑粒子等吸收、散射以及液滴蒸发吸热等过程。针对此问题,本文首先采用Mie散射理论与有效介质理论相结合,建立了水滴粒子以及炭黑掺杂混合液滴的吸收散射特性参数计算模型;在此基础上,考虑燃气辐射吸收作用,采用球谐函数法构造了多层半透明水幕介质的辐射传输计算模型。利用该模型分析了载液量、液滴粒径、水滴蒸发、粒子混合等因素对辐射衰减能力的影响。     

基于磁流体黏性负载效应的压电层状结构SH-SAW传播特性分析

在分析声表面波(SAW)传感器机理的基础上,提出一种新型的磁流体-声表面波传感器(MF-SAW),建立起工作在均匀磁场中的MF-SAW理论模型,并进行数值求解,讨论不同磁场强度下的SH-SAW传播相速度、能量损耗特性。结果表明,通过改变磁流体黏性,磁场强度与SH-SAW传播属性具有较好的曲线关系,有助于对MF-SAW传感器的进一步研究分析。