液体爆炸分散过程中界面破碎的实验研究

设计了一种有上下平面约束的液体爆炸分散装置, 通过阴影照相获得气液界面破碎形态变化的时间序列, 并应用平面激光诱导荧光(PLIF)得到了径向膨胀液体环内诱导的荧光照片. 采用二维图像处理、分形几何和数值模拟相结合的方法, 较系统地分析了实验结果. 最后, 讨论了液体环及其气液界面运动数学模型建立中的问题.     

气-固界面吸附相变及润湿条件

为了探讨气-固界面吸附特征,结合重量法和光谱反射技术测量了不同压比下的界面吸附量,基于?等温吸附方程探讨了气-固界面吸附相变发生机理以及界面润湿条件.结果表明,采用?等温方程计算得到的吸附曲线与实验测量值吻合很好.当压比接近某一特定值时,界面吸附量急剧增大,直至趋于一个常数值.庚烷气体分子以团簇的形式吸附在硅界面上,当压比大于某一值之后,大分子团簇聚集,界面吸附发生相变,固-液界面取代固-气界面,形成性能均一的液膜,润湿界面.通过理论计算发现气-固界面张力随界面吸附量的增加而减小,且计算得到的界面润湿压比和实验测量值吻合.     

低维碳材料水伏效应的传感应用

以碳纳米管和石墨烯为代表的低维碳材料在与液体作用时,表现出一系列新的生电效应,如波动生电、射流生电、液滴生电、蒸发生电、湿度生电等,这些现象被统称为水伏效应,并成为近年低维功能材料领域研究的新热点.这些发生在固-液界面或固-液-气界面的生电效应为基于新型能量转化原理的能量捕获技术开辟了新的方向,也为基于固-液界面的传感探测提供了新的途径.本文总结了水伏效应在流体运动、溶液浓度、湿度、温度等方面的传感应用潜力,旨在为新型界面自驱动传感器件和传感系统的开发提供借鉴.     

金属有机框架/聚合物气体分离膜的界面结构设计研究进展

气体分离膜技术在节能减排领域具有突出优势,是一项具有很大发展潜力的气体分离技术.基于金属有机框架/聚合物的混合基质膜兼具聚合物膜材料的易加工性和金属有机框架的优良气体选择吸附特性,受到全球学者的关注.如何有效调控两相界面处微观结构,改善混合基质膜材料的气体分离性能是混合基质膜领域的关键问题.针对这一热点问题,主要综述了近几年学者在金属有机框架/聚合物基混合基质膜的界面结构设计优化、膜材料构效关系研究、膜的规模化制备等领域的研究现状与进展.重点介绍了如何优化与表征界面结构以及金属有机框架与聚合物对膜性能的影响规律两个方面.此外,对混合基质膜材料未来的发展方向进行展望,以期为高性能混合基质膜的理性设计等方面提供研究思路.     

基于格子玻尔兹曼方法的单孔射流鼓泡床的离散颗粒模拟

利用基于格子玻尔兹曼方法的离散颗粒模型对单孔射流鼓泡床进行了研究. 此算法基于四向耦合的离散颗粒模型, 流体的控制方程采用考虑了孔隙率和流固相的滑移速度对流体流动影响的修正格子玻尔兹曼方法来求解, 颗粒间相互作用通过时驱硬球模型求解, 流固耦合采用EMMS曳力模型. 首先研究了不同颗粒对形成气泡大小的影响, 结果表明, 在相同的射流气速下, 粒径越大形成的气泡越小. 在粒径相同的情况下, 提高气体的入射速度, 则形成的气泡越大. 同时考察了气泡的分离时间与粒径以及射流气速的关系, 结果表明, 随着粒径以及射流气速在一定范围内的改变, 气泡的分离时间并没有明显改变. 另外颗粒床层扩展影响气泡形状, 颗粒床层变宽后, 气泡的形状接近于圆形; 颗粒床层高度增加时, 气泡明显变小. 最后考察了气泡诱导现象, 模拟发现当区域有空腔时, 气泡会被诱导到空腔的方向.     

垂直相分离冷凝管内流型调控的数值研究

基于非能动相分离概念,开发了新型相分离冷凝管,形成了"气在管壁,液在中心"的分布模式.目前我们已经实验研究了相分离冷凝管对流型的调控作用,并定性分析了其内在机理为了深入研究这种新型结构内在的流型调控机理,基于跨尺度网格系统及VOF方法,对垂直相分离冷凝管内单个气弹的调控过程进行了数值研究.研究发现气弹从光管区域进入流型调控区域后,液膜厚度减少了近70%;气弹上升速度提高了1倍多,带动环隙区域内液体速度和速度梯度的大幅提高,从而起到减薄流动边界层的作用;气弹上升速度的大幅提高引起环隙区域和核心区域内流体质量和动量的交换,同时引起核心区域内流体的自维持脉动,促进了近壁区和主流区内液体的交混,以上3个因素将对提高设备冷凝换热性能起到积极的作用.     

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.     

原子力显微术研究相分离混合单分子膜中微晶畴的多相性

近10年来,利用荧光显微术和布儒斯特角显微术等光学观测手段,已对气-液界面上两亲性分子的微晶畴结构(Domain)进行了广泛的研究.但是,这些研究主要集中在单组分单分子膜从液态扩张相(LE)到液态凝聚相(LC)的相变过程,很少涉及混合单分子膜的畴结构与相行为.这一状况主要源于光学显微术在分辨率上的局限性.新近出现的原子力显微术(AFM)由于其具有极高的分辨率,为混合单分子膜Domain结构的观测提供了十分有效的手段.这里,我们报道在混合单分子膜——花生酸(AA)和5,10,15-三苯基-20-(4-dl-α-苯丙氨酰氨基)苯基卟啉(TPPP)中所形成的Domain以及Domain的某些生长过程.     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

两组分混合单分子膜分相结构的AFM研究

一些非完全互溶的混合单分子膜会在气-液界面发生相分离现象,形成多种二维微晶畴(Domain)结构,这为人们提供了一个了解与认识准二维混合体系中诸如相变、分相等多种物理过程的机会.同时,混合单分子膜这一结构形式,还提供了一种将多种功能分子组装于同一个单分子层中的方法.因此,对混合单分子膜微观结构的研究与表征具有十分重要的理论及实际意义.     

探测表面的眼睛——离子中和谱仪

表面就是不同物质之间的边界区域,它是当前很受人们注意的一个研究对象.一般说来,固体与真空、气体或液体之间的分界面称为自由表面,而固体与固体之间的分界面则称为界面.表面上的原子虽然仍附在固体上,但它并不是固体格点的简单终端,一般都要偏离理想的格点位置,形成一个比较复杂的两维结构,有人称它为表面相.实际的固体表面包括最外层     

数值分析螺杆槽道内气液两相流液相分布及压降特性

主要利用数值模拟对螺杆槽道内气液两相流的液相分布和压降特性进行研究,数值模拟结果和已经取得的试验结果进行了对比,结果表明:本文采用的数值模型具有很好的预测结果.数值模拟主要通过改变螺杆槽道的节圆直径、入口截面含液率以及流体运动速度,获得相应条件下的压降及液相分布特性.减小螺杆槽道节圆直径或者增加入口截面含液率可以增加外壁面的液相含量,同时引起压降的增加.根据数值模拟结果,并考虑螺杆节圆直径和流体入口含液率的影响,拟合得到螺杆槽道内气液两相流的摩擦压降计算关系式.     

光电化学反应中界面气泡多尺度作用机制的研究进展

太阳能驱动的光电化学转化制燃料是解决能源危机、助力我国“双碳”(碳达峰、碳中和)目标达成的重要途径.常见的光电化学转化制燃料包括光电催化分解水制氢、二氧化碳转化制碳氢燃料等.上述光电催化反应是一个典型的界面析气反应过程,可在界面位点生成多种气体燃料.反应界面析气过程从表面的气体成核开始,以两相流结束.需要指出,该过程涉及不同时间和空间尺度的匹配以及各子过程的相互作用,对界面光子、电子、分子、离子等多载能子的耦合传输与转化有关键影响.本文的目的是阐明析气反应界面气泡生长各过程之间的内在联系.首先,以光电催化分解水为例,分析光电极表面气泡动力学多尺度过程及其对界面能质传递和转化的作用机理;随后,详细讨论微观尺度界面气泡成核、介观尺度气泡生长、宏观尺度气液两相流这一系列界面气泡生长演化的多尺度过程,并分析每一个子过程之间的耦合作用及其对光传递、物质传递、物质转化的影响规律;最后,对光电化学反应中界面气泡多尺度作用的研究挑战和未来方向进行展望.     

独领风骚的"等离子体隐形术"

什么是等离子体隐形术 "等离子体隐形术"是利用等离子体来回避探测系统的一种新技术."等离子体"是广泛存在于自然界中的一种电中性的电离气体,它是继物质存在的固体、液体、气体三种形态之后出现的第四种物质形态.等离子体具有数量与密度近似相等的自由电子和正离子,其产生和运动主要是受电磁场力作用与支配,因而对电磁波的传播有很大影响.在军事上,高空爆炸、放射性同位素的射线,燃料中掺有铯、钾和钠等容易电离成分的火焰,喷气式飞机的射流、高超音速飞行器的激波,以及电弧放电和微波等,都能产生一定数量的弱电离等离子体.     

矩形微槽道平板热管流动与传热特性可视化

以去离子水为实验工质,通过可视化研究方法,探索矩形微槽道平板热管内的流动传热机理.通过对多种工况下平板热管性能的对比,重点探讨了槽道结构和充液率对平板热管内相变现象与传热特性的影响.研究结果表明,不同槽道尺寸下,平板热管的热阻变化规律存在明显差异.低充液率下,随加热量增大, G-400热管热阻呈现先减小后增大的趋势.而在不同的充液率下, G-800热管热阻随加热量增大逐渐减小.在不同槽道尺寸和充液率下,蒸发端相变行为主要包括液膜蒸发和连续气泡生成两种方式.此外,冷凝传热不仅发生在气液界面处,还发生在槽道肋片顶面处,并形成稳定的周期现象.     

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.     

高分子复合膜的界面与性能的相关性

复合膜一般由不对称多孔支撑层上复合超薄功能层而成,复合膜的性能和与渗透组分直接相接触的超薄功能层的理化性质有着密切的关系,超薄功能层/多孔支撑层界面的物理化学性质对复合膜分离性能的影响也不可忽视,实验表明,界面层的化学组成与结构.极性强弱、荷电性、形态分布、界面结合能对复合膜的性能有较大影响.超薄功能层的化学组成直接影响着复合膜的性能,它一般只有几十个纳米,超薄功能层/多孔支撑层之间的界面层的化学组成间接影响复合膜的性能,如反渗透复合膜的该界面引入极性基因如磺酸基有利于提高水通量;在气体分离用复合膜中,结合待分离气体的理化性     

粒介质在类固-液相变过程中的时空参数特性

颗粒介质的类固-液相变过程除受材料性质影响外, 还与其运动速率和密集度有密切关系, 而接触时间数和配位数是表征该相变过程中颗粒间相互作用的重要时间和空间参量. 本文采用三维离散元方法对不同切变速率和密集度下颗粒介质的动力学行为进行了数值模拟, 确定了颗粒材料在类固-液相变过程中接触时间数和配位数的参数特性和演化过程, 并结合宏观应力的分布特性, 进一步确定了颗粒介质在液态和固态相互转化中的动力学机理, 讨论了颗粒介质在由快速流动向慢速、准静态转化的相变过程. 通过对颗粒单元相互作用的细观数值模拟, 获取了颗粒介质在宏观上的动力学行为, 为研究其在不同相态下的本构模型提供了依据.     

功能生物界面的“微纳尺度构建-功能-力学耦合”机制

功能生物界面由于其呈现出的独特功能引起研究者的极大兴趣,而微纳尺度结构是其关键结构基元,它们是界面特定功能的内在本质.然而直到目前描述刻画特定功能的整个形成过程依旧困难.越来越多的证据开始支持功能生物界面上的"微纳尺度构建-功能-力学耦合"的论点.本文重点介绍不同微纳尺度复合功能生物界面上的"形貌和力学耦合行为",以获得对微米纳米复合结构更好的理解.还介绍了自然界中生物体表气/液/固三相生物界面的"形貌-力学耦合行为",生物体内微纳尺度的"形貌-力学耦合行为",微纳尺度人工界面上活细胞的"形貌-力学耦合行为"和微纳尺度形貌、界面曲率与力学微环境的最新研究进展,并提出了一些新的概念,如"基于空间曲率的形貌-力学耦合行为"、"医学功能生物界面"和"生物力药理学"等.     

四川盆地降水过程中水气之间SO_2浓度关系

Drewes在SMICK模式中,已将大气化学动力学和大气输送扩散过程联合起来,提出了在降水过程中污染物液相和气相浓度的两类控制方程,在实际应用中获得了好的结果,并指出液相浓度受气体浓度的影响。Pena研究过降水中SO_2含量与大气中浓度之间关系,并分析了SO_2与降水中pH的关系。Hales利用SO_2液相和气相浓度平衡关系,由已知气体浓度计算水中SO_2含量,并和实际作了比较。