新型矩阵式微射流热沉性能分析

设计一种带有回流结构的矩阵式微射流热沉,采用实验和数值模拟方法对热沉性能进行了研究.在稳态条件下,获得了不同运行和结构参数时被冷却表面的温度分布、流体的速度场以及系统压损.结果表明:冲击距离对热沉性能影响较大,其值越小,平均努赛尔数越大,被冷却表面的平均温度越低,换热均匀性越好;被冷却表面平均温度与气体体积流量成反比;系统压损随着射流雷诺数的增大不断增大,雷诺数大于5500以后,压损急剧增加;换热均匀性与气体体积流量成反比,气体体积流量越大,换热均匀性越好.     

电液动力微泵的制作及实验研究

提出一种基于MEMS加工技术的新型电液动力微泵,介绍了电液动力微泵的工作机理和分类;从材料的选取,微电极的优化设计及电液动力微泵的封装工艺几方面介绍了电液动力微泵的制作过程;进行了针对不同工作流体和微通道尺寸的电液动力微泵的静压力实验和流动试验.实验结果表明:当施加90V驱动电压时,微泵最高能得到268Pa的静压头,微泵驱动流体的最大流速可以达到106μL/min;本文分析了微泵与热管相结合解决大功率电子芯片的散热问题前景,微泵所驱动的液体在热管的蒸发段完全气化,可实现的最大散热能力可达到87W/cm2.     

疏水表面微通道电渗流的数值模拟

电渗流（EOF）广泛应用于微流控芯片中的流体传输与混合.针对具有一定滑移长度的疏水表面微通道,建立了描述EOF的控制方程,基于有限元分析方法对微通道EOF进行了数值模拟,研究了微通道高度、电场强度和溶液浓度等对EOF的影响.结果表明,疏水表面和亲水表面微通道EOF的瞬态过程相似,稳态时间尺度在ms量级,大小与微通道高度的平方成正比;EOF速度大小与电场强度成正比,与微通道高度无关;由于边界滑移的存在,疏水表面比亲水表面EOF速度明显增大,且随着溶液浓度的增大,EOF速度增大相对要大的多.该结论对于具有一定滑移长度的疏水表面微通道内EOF的精确操控具有一定的参考意义.     

集成微泵式微流控芯片的设计与测试

介绍了集成微型无阀泵的微流控芯片的结构及工作原理, 针对微型无阀泵进行了数学建模及系统仿真, 测试了集成化微泵的流动特性, 确定了基本控制参数, 并将仿真与试验结果进行了比较分析. 将集成化芯片进行了样品检验测试, 证明了微泵在微量化学检测过程中实现自动换样及清洗的功能及实用价值.     

高效磨削时弧区热作用机理与强化弧区换热的基础研究

在研究了高效磨削时弧区热作用机理的基础上, 将热工领域有关强化传热的思想引入磨削加工, 并具体提出了利用高压水射流冲击强化弧区换热的独创构想. 为考查该项构想可能提供的极限换热能力, 完成了关于高压水射流冲击强化换热的传热学基础试验研究, 试验用射流速度最高达到110 m/s. 瞬、稳态试验结果证明, 水射流冲击的临界热流密度和换热系数相对于池内沸腾可分别提高70和30倍以上, 其中临界热流密度的绝对数值更是高达80 W/mm²以上. 随后介绍了专门设计研制和调试成功的可限制高压水只在弧区范围内作径向射流冲击的实验装置, 以及利用该装置完成的采用径向水射流冲击供液的缓进给磨削试验研究. 试验结果确证, 引入弧区的水射流冲击确有超常的强化冷却效果, 它可在普通供液已严重烧伤的情况下将工件表面温度轻松地维持在100℃以下的超低水平上.     

LHT-100霍尔推力器放电通道能量损耗数值计算与分析

为了对LHT-100霍尔推力器开展热分析及热设计优化,根据放电通道能量平衡关系,建立各项能量损耗微观表达式,采用PIC-MCC法对推力器工作过程进行了数值模拟,通过统计等离子体微观参数获得各项能量损耗并进行了实验验证.研究结果显示:激发损耗为51.1 W,电离损耗为66.2 W,阳极损耗为55.4 W,束流损耗为815...     

基于平板热管技术的电池热管理系统实验研究

温度是影响锂离子动力电池性能的关键因素,本文采用平板热管作为电池热管理的传热部件,实验研究了平板热管在不同电池产热功率条件下的传热性能和均温性,理论计算了平板热管扩散热阻及导热系数.研究表明,在25 W产热条件下,平板热管扩散热阻为0.044℃W-1,等效导热系数650 W K-1,随着电池产热功率的增大,平板热管的扩散热阻降低,等效导热系数显著增大.在多热源条件下,平板热管表面最大温差低于4℃,表明其较好的均温性,在电池热管理系统中具有较好的应用前景.     

适于光子集成及光互连的回音壁微腔半导体激光器

介绍了正三角形和正方形微腔的类回音壁型模式特性,以及与输出波导连接的正三角形和正方形定向输出微腔激光器.实验表明正三角形微腔激光器作为光探测器应用具有共振增强的响应特性.提出了采用两个定向输出微腔激光器与硅上光波导连接实现芯片上的光互连的设想.     

Si-N-O薄膜表面微图形的制备及对内皮细胞黏附行为的影响

采用光刻技术、湿法刻蚀在(100)硅片表面制备微米级沟槽图形结构, 并运用非平衡磁控溅射(UBMS)设备在图形表面沉积Si-N-O系薄膜, 最终得到Si-N-O薄膜表面微图形. 运用表面轮廓仪对微图形结构尺寸进行了表征, 采用X射线光电子能谱(XPS)对Si-N-O薄膜的成分结构进行了检测, 应用静态接触角测量评价了样品表面的亲疏水性, 运用体外内皮细胞粘附及Alamar blue实验评价Si-N-O薄膜表面微图形对内皮细胞粘附、取向及增殖等细胞行为的影响. 实验结果发现图形样品表面的内皮细胞数量和活性优于平面样品. 图形对培养1 d的内皮细胞取向有明显的引导作用, 细胞多沿与沟槽平行方向生长; 3 d后多数内皮细胞跨过沟槽区域相互融合, 细胞活性仍显著优于平面样品. 实验表明样品表面的微图形化可有效促进了内皮细胞在样品表面的附着与增殖生长.     

非等温、非灰体不透明漫射固体表面组成的封闭空腔中的辐射（火积）流及其应用

对于不透明漫射固体表面组成的稳态封闭空腔表面辐射传热系统,分别针对非等温灰体漫射表面和非灰体漫射表面定义了辐射（火积）流、单色辐射（火积）流等概念.基于这些定义,分别在全波长和单色波长下得到了辐射（火积）平衡方程和辐射（火积）耗散函数,进而发展了辐射（火积）损失极小值原理、辐射（火积）耗散极值原理和最小辐射热阻原理.辐射（火积）损失极小值原理表明,满足控制方程和边界条件的热势与热流分布,必使系统的辐射（火积）损失达到极小值.辐射（火积）耗散极值原理表面可通过寻求辐射（火积）耗散的极值来获得给定系统传热量时的最小系统平均传热势差以及给定系统平均传热势差时的最大传热量;而最小热阻原理则表明,辐射（火积）耗散的极值与最小辐射热阻是相对应的.本文还给出了单色辐射（火积）耗散极值原理和最小单色辐射热阻原理的应用算例,论证了该原理的适用性.     

嵌有离子选择性膜的微通道内增强电渗流及除盐效应分析

离子选择性纳米多孔膜材料在分子分离、海水淡化、生物分子富集、电池等诸多科学工程领域都有着非常重要的应用.本文通过数值仿真分析嵌有阳离子选择性膜的带电微通道内增强电渗流以及系统的除盐效应.结果表明,当浓度为1 mmol L~(-1)的KCl溶液在40 V cm~(-1)的外电场驱动下流过长60μm、宽10μm的微通道时,如果在通道中心离子选择膜性上加25 mV的跨膜电压,除盐效率约为29%;而当跨膜电压为250 mV时,除盐效率则高达89%.流体运动方面,在低跨膜电压下,通道内流体运动由传统电渗流主导,压力流主要用于平衡通道上游与下游电渗流速度的差别.然而在高跨膜电压下,膜表面附近生成很强的非线性涡流,进而形成泵效应;通道内流体运动则是压力流为主导,通道上下游均呈现带滑移边界的压力流特征.对照等参数的无膜通道,嵌膜系统在跨膜电压为400 mV时可以实现15倍以上的流速.本文所揭示物理机制可为新型微泵以及海水淡化装置的设计及优化提供重要的指导.     

大空间内仓室火灾机械排烟的实验研究与模拟计算分析

首先理论分析得到了仓室火灾时大空间机械排烟换气量的计算模型. 通过全尺寸热烟测试实验, 研究不同换气率(air change per hour, ACH)情形下仓室火灾在大空间内的蔓延过程, 实验表明规范设计换气量情形下, 仓室火灾的热释放速率为0.34 MW, 0.67 MW, 1 MW时, 有效空气高度大约分别为6 m, 4 m, 2 m. 通过自发展的大空间-仓室双区模拟程序进行数值实验, 比较0.25 ~ 4 MW的仓室火灾在不同ACH情形下大空间内的烟气控制效果, 计算表明烟气层控制在5 m以上的换气率分别为3 ACH, 6 ACH, 10 ACH, 10 ACH, 指出集中排烟量的需求要远超过规范的设计量. 针对这个问题, 提出了对高火灾荷载仓室进行辅助分布式机械排烟控制的方法, 通过火灾算例预测, 表明如果从安全和经济两个角度考虑, 辅助地采用分布式仓室排烟设计, 可以有效的减少大空间机械排烟换气率的设计值的需求量.     

一种基于高斯过程的数据驱动光度立体视觉全局优化算法

光度立体视觉技术难点之一在于快速有效地解决非朗伯体材料的复杂反射问题,针对这一问题,本文提出了一种基于高斯过程的数据驱动光度立体视觉全局优化算法.该方法利用高斯过程,通过贝叶斯推理学习给定材料的实测双向反射分布函数值,建立用于描述非朗伯体材料非线性反射性质的连续数学模型.该模型以光源方向和表面反射光强作为输入,以双向反射分布函数值作为输出,可在光度立体视觉系统中建立更为精确的反射模型,从而得到更高的法向量预测精度.仿真实验和实际实验表明,该方法显著提升了光度立体视觉的法向量恢复精度,且拥有较高的计算效率.     

地基观测空间在轨运行圆锥目标的激光多普勒频谱

利用目标坐标系下旋转圆锥目标激光多普勒频谱特征,结合一种假想运行轨道数据和空间目标坐标系、地基坐标系和地心坐标系间的变换关系,构建了空间在轨运行圆锥目标的激光多普勒频谱地基观测模型.通过3种实例,详细计算并分析了不同尺寸、粗糙表面圆锥目标以及不同地基观测方向下的激光雷达后向接收归一化功率随在轨运行时间和多普勒频移量的变化情况.数值计算表明:在轨运行的圆锥目标,其尺寸、表面粗糙度、地基坐标系下的观测方向都对多普勒频谱特征都有影响,地基激光雷达后向接收归一化功率随在轨运行时间和多普勒频移的变化都按一定规律呈周期性波动;旋转速度一定的情况下,圆锥目标尺寸越大,多普勒频移也越大;圆锥目标表面越粗糙,地基激光雷达后向接收归一化功率随在轨运行时间和多普勒频移的变化起伏越显著.本文工作对进一步开展地基观测空间在轨运行的各种复杂目标奠定了理论研究基础,将为开展空间微运动和真假目标地基激光雷达探测实验研究提供技术支持.     

复层孔隙分布含油轴承的孔道渗流及润滑机制

含油轴承基体中油液的渗流行为对轴承油膜润滑性能影响显著.以不同孔隙率分布的环面复层含油轴承为研究对象,耦合分析轴承系统(包括轴承间隙和多孔轴承内部)的流体流动,基于Darcy定律描述油液渗流行为,并在极坐标下建立含油轴承系统的渗流润滑模型,研究轴承系统中油膜压力的分布规律,分析表面粗糙度、结构参数等对油膜润滑性能的影响.采用粉末冶金工艺制备不同表层孔隙率的复层含油轴承试样,在端面摩擦试验机上开展含油轴承的摩擦学实验,并对数值分析结果进行验证.结果表明,与普通单层含油轴承相比,不同孔隙率分布的复层含油轴承能阻止润滑油液渗入多孔介质,提高轴承润滑性能;随着综合表面均方根粗糙度增大,油膜润滑性能变好,随着表层厚度或表层渗透率增加,油膜润滑性能变差.摩擦实验与润滑理论分析具有相似的结论,验证了所建数值模型的可靠性.研究工作为明晰含油轴承渗流润滑机理及其影响机制提供一定理论依据.     

考虑尺度效应的微平板声振耦合特性研究

长宽厚均处于微米级的微平板结构广泛存在于微机电系统(MEMS)中,开展其声振耦合特性研究对于MEMS在声激励下的稳定性研究以及微型声传感器的性能研究具有重要意义.针对声压激励下的四边简支微平板结构,基于Cosserat理论与Hamilton变分原理建立了考虑尺度效应的结构声振耦合理论模型,并结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程.基于理论模型开展数值计算,系统研究了尺度效应对微平板结构声振耦合性能的影响,具体讨论了不同尺度效应下板厚度、板长宽等关键系统参数对微平板声振耦合特性的影响,为MEMS中微平板结构的工程优化设计提供了理论参考.     

氨工质脉动热管的可视化启动和传热性能研究

开展了以氨为工质的脉动热管的可视化启动和传热性能实验研究.实验所用6弯脉动热管由石英玻璃制成,玻璃管外径和内径分别为6和2 mm.通过可视化手段观测脉动热管的流型转换特征和启动特性,并重点研究了脉动热管在不同倾角下的温度波动趋势和热阻分布规律.结果显示,氨工质脉动热管在任意倾角下都能顺利实现启动.运行稳定后其整体热阻可以低到0.02℃/W,表明热量能够十分迅速地从热端传到冷端,并且热阻随着倾角的增大而减小.     

制备血管支架表面涂层超声波喷涂工艺研究

本文从理论推导、流体力学仿真、喷雾粒径检测分析以及支架喷涂试验四个方面研究超声波喷涂技术并成功应用于血管支架喷涂工艺的优化.首先基于超声波雾化物理模型推导建立超声雾化粒径方程,其次利用计算流体动力学模拟超声雾化微观过程,定义超声雾化过程的三种雾化模式：亚雾化模式、理想雾化模式以及射流雾化模式,并建立了超声雾化临界振幅方程以及理想雾化模式下的雾化体积和功率方程.然后设计超声喷雾粒径检测实验,研究功率、气体压力、表面张力等工艺参数对雾化粒径的影响,结果表明超声波喷雾运动过程中少量粒子碰撞合并,但喷雾质量总体稳定,粒径尺寸在10m左右.在粒径尺寸分布方面,利用Rosin-Rammler分布拟合超声喷雾粒径均匀度指数在7.11～11.48之间,相比传统喷雾技术雾化均匀性、可控性大大提高.最后,在上述研究基础上制定血管支架超声喷涂工艺参数并进行了优化,消除了常见的血管支架涂层表面各种缺陷,为制备性能优良的血管支架表面涂层提供了理论和技术支撑.     

高混凝土坝气幕隔震控制的模拟分析理论与试验验证

针对高坝动力灾变过程控制这一核心科学问题,首次提出高坝气幕隔震控制的液-气-固三相耦合建模理论和数值实现方法,给出三相强耦合-热力学状态-材料-接触/非接触双重非线性的复杂动力学问题的理论描述和气幕隔震高坝工程的动力灾变关键效应的全过程数值模拟;给出刚性坝-平面波简化情况的解析解.完成了高305m锦屏拱坝的地震灾变过程控制与非控制的对比模拟,结果与振动台实验相互印证,基本相符.提出整体式气室和变厚度优化气幕,发展了高坝控制优化方法.首次完成大型振动台拱坝隔震的模型实验并满足基本动力相似准则,实验数据合理可信,并与模型坝的动力模拟结果基本符合,为模拟理论方法提供了实验验证.数值模型与物理模型相结合的试验表明,动水压力削减可达70%以上,坝体第一/第三主应力峰值降低20%～30%以上,有效地提高了高坝工程的整体抗震能力,表明气幕减震是高混凝土坝防震控制的优先发展方向.     

醋酸处理对TiO2薄膜亲水性的影响

本文用溶胶-凝胶法制备均匀透明的TiO2薄膜,在400℃锻烧2 h,再在一定浓度的醋酸中浸泡处理24 h,最后在300℃、400℃、500℃进行第二次热处理0.5 h.用X射线衍射、原子力显微镜、紫外-可见分光光度计表征了处理前后薄膜的晶相结构、表面形貌及薄膜的光学性能.研究了醋酸的浓度、避光时间及光照时间对薄膜亲水性的影响.实验表明：用醋酸浸泡处理后的薄膜亲水性明显提高.光谱及AFM分析表明,导致TiO2薄膜亲水性改善的原因是醋酸浸泡处理后的薄膜表面结构的发生了变化.醋酸的最佳浓度为1 mol/L.