关键词： 流体静力学   流体力学   量纲分析   流体动力学   环境工程   基本方程式   冶金工业出版社   流体机械  

摘要： 流体力学是研究流体在外力作用下达到平衡的规律,在环境工程中应用较为广泛,例如设备的液封、流体在设备内压强的变化或测量等都是以其为依据的,且影响较大。由宋洪庆主编,冶金工业出版社于2016年7月出版的《工程流体力学及环境应用》一书,则基于适应环境专业流体力学课程教学及科研需要这一编写目的,从流体静力学讲述、流体动力学基础阐释、流体的流动阻力计算说明到流体机械之泵与风机阐述、相似原理与量纲分析,再到环境领城流体力学应用剖析,系统性揭示了流体力学,尤其是流体静力学与环境工程之间的关系.

关键词： 猪舍   冬季通风   气流环境   计算流体力学(CFD)   模拟   优化  

摘要： 为了探究北方猪舍冬季通风问题,满足猪舍的通风与设计优化需求,试验以吉林省前郭县某新建试验猪舍为研究对象,等比例建模仿真,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术研究了试验猪舍冬季机械通风条件下的气流环境,分析三维迹线分布,分别提取并讨论了仔猪、育肥猪和空怀母猪、产床上的哺乳母猪、饲养员呼吸高度水平面的气流速度云,对母猪舍进行通风系统优化与模拟。结果表明:试验猪舍内结构设施越简单,气流迹线分布越密集;舍内位置越高,气流速度分布越均匀;母猪舍和育肥猪舍射流明显,但育肥猪舍由于绕流而迅速衰减;母猪舍内高速射流范围贯穿南北,通过在南墙及进气口处安装通风管道能够得以消除。说明利用CFD技术对试验猪舍通风环境进行模拟,对猪舍的生产与优化具有重要意义。

关键词： 深海极端环境   拉曼光谱   定量分析   流体-岩石相互作用   原位探测  

摘要： 激光拉曼光谱技术是一种无损、非接触的快速检测技术,已被广泛用于深海极端环境的原位探测。本文介绍了激光拉曼光谱技术在原位探测深海极端环境自生矿物形成演化中的应用,以及流体对矿物热氧化过程的影响,深化了拉曼光谱技术对矿物结构和组分的分析能力。总结了针对热液、冷泉流体组分(SO^(2-)_(4)、HSO^(-)_(4)、Cl^(-)、CH_(4)、H_(2)S、H_(2)和CO_(2))和理化参数(温度)建立的拉曼定量分析模型,以及原位探测应用实例。基于上述对流体相态、组分定量分析和矿物组分和结构建立的激光拉曼光谱分析新方法,阐述了激光拉曼光谱技术对原位探测深海极端环境流体-岩石相互作用的启示。未来主要通过升级现有激光拉曼原位探测系统,引入表面增强拉曼、长期多通道拉曼等技术,提高激光拉曼光谱探测技术的检测限和应用能力,在深海开展流体-岩石相互作用过程的原位监测和原位可控实验,以实现“将实验室搬到海底”的设想。

关键词： 雷莱-泰勒不稳定性   双扩散不稳定性   混合效率   含颗粒层   层化环境  

摘要： 稳定分层环境中悬浮层的沉降现象普遍存在于海洋与环境流动之中，而沉降模式可分为沈降驱动或双扩散不稳定现象，其中这两种不稳定现象是由完全不同的机制引起的。在理论及数值文献中，悬浮层的密度剖线及层化环境经常地被描述为一个误差函数。由于悬浮层的误差函数具有极窄的宽度，使得在沉降时会产生鼻子状的密度剖线，并致使产生不稳定现象。然而，虽然可以在实验室中获得类似鼻子的轮廓，但在海洋环境中却不容易观察到。为了模拟海洋环境条件，本研究中的背景环境设置为线性且稳定的连续剖面，而悬浮层的剖面在界面处设置为不连续的。我们不仅通过使用线性稳定性分析推导出理论模态，而且总结沉降模式可以借由整体密度比率来分类。沉积作用的发展过程可分为不稳定的第一阶段和第二阶段。对于第一阶段的不稳定性，沉降模式可以很容易地根据主导模态和密度比率之间的关系分为三个型态，即瑞利-泰勒不稳定、过渡状态和双扩散对流。由于中性浮力高度的限制效果，第二阶段的不稳定性是由羽尖两侧不同的背景梯度引起的，且在背景扩散率较小的情况下可以观察到模态的显着变化。另一方面，一个经过修改的尺度法则被提出来改善最终阶段中沈降模式的分类。最后，我们还针对整个流体不稳定的阶段作混合效率的讨论。在含颗粒层中，具有大粒径的颗粒可以在流体块到达最大侵入高度之前提升混合效率。然而，最终的沉降模式主导了混合过程的效率，而最有效的混合过程是由双扩散对流引起的。

关键词： 聚合物脱挥   降膜流动   数值模拟   流动特性   减压流场   气泡运动  

摘要： 降膜式脱挥器具有结构易设计、动力消耗小、物料处理效率高,且物料在降膜内构件上成膜流动时表面更新速率快、热质传递效率高等优点,作为一种高效加工设备在材料化工生产实践中具有巨大的潜在应用价值。在许多脱挥操作中,挥发份在减压的环境中通过气泡扩散运动至气液界面后逸出,体系中物料流动与气泡运动相互影响。如缩聚体系,小分子副产物以气泡形式脱除聚合体系的脱挥过程决定了聚合反应效率和产品质量。气泡在降膜流动过程中会出现生长、运动、聚并、破裂以及逸出等多种行为,其动力学行为特点对最终的整个脱挥器的脱挥效率以及传质传热效果起着决定作用。探索减压环境下的黏性流体降膜流动特性及气泡运动行为可为对阐明缩聚体系脱挥机理和高效脱挥反应器设计提供理论指导与技术支撑。本文利用计算流体力学(CFD)数值模拟技术研究了黏性流体沿一种凹形壁面垂直降膜流动的特性及气泡运动行为。采用流体体积(VOF)法对气液两相界面进行追踪,在考察不同流场环境压力对流体降膜流动特性影响的基础上,探究了减压环境下变换流体物性参数和操作参数时降膜流动的自由面、特征位置的膜厚和速度场等成膜流动特性。结果表明:提高降膜流场环境的真空度,液膜的成膜厚度变小,从而有利于提高脱挥器的物料传质效率;当黏性流体降膜流体黏度为130 Pa·s时,其成膜效率最高可达12000 m/(m/s),表现出较好的成膜性能。基于对静置黏性流体中气泡上升运动的数值模拟研究与实验研究,通过对比验证了数值模拟方法的可靠性以及为降膜流动气泡运动数值模拟方法提供了参数设置及研究内容参考。在此基础下探究了流体流量、流场压力以及流体黏度对气泡速度、气泡形状、气泡的脱离时间等运动行为以及气泡与降膜的相互作用。结果表明:在同一流量下,相对于低黏体系,气泡在高黏体系当中对液膜自由面的影响更大;在同一黏度下,受液膜膜厚的影响,气泡对自由面的影响在低流量下比高流量下更大;气泡在低黏流体降膜流动过程中,头气泡在运动过程中会产生尾涡效应使得尾气泡的速度加快进而两气泡发生聚并;降低降膜流场环境压力能够加快气泡的脱离,在压力为0.1 k Pa时其脱离时间达到最短为4.8 s;气泡形状由开始的近似球形先演变为椭球型并最终变成无规则的狭长型。

关键词： 口腔摩擦副   流体食品   流变性能   润滑机制   滑移模型  

摘要： 食品的口感属性与其流变性能和口腔组织表面特性的组合密切相关,仅从流变学角度出发难以评估流体食品在真实口腔环境下的口腔感知,其在口腔环境中润滑性能也非常重要,它有助于洞察摩擦学与感官感知相关性的驱动机制。为应对愈发多元化的饮品需求,流体食品润滑机制的研究极其重要。因此,本文主要开展基于模拟口腔环境下蔗糖和豆浆粉溶液润滑性能的试验研究,并建立囊括牛顿和非牛顿流体食品的口腔软接触滑移模型,从试验和理论角度出发探究口腔环境下流体食品的润滑机制,研究结果将为适用于不同人群的多元化饮品开发提供技术支撑。首先,开展牛顿流体食品的润滑性能研究,即测试不同质量分数的蔗糖溶液及其混合人工唾液后的流变性能,考察不同模拟口腔摩擦副中蔗糖溶液的润滑性能,并讨论表面特性和人工唾液对其润滑性能的影响。结果表明,不同质量分数的蔗糖溶液及其混合人工唾液后的溶液近似为牛顿流体;随着速黏积(uη)的增加,蔗糖溶液的平均摩擦系数经历了先稳定后减小再增加的变化,表明其润滑状态从边界润滑向混合润滑过渡,最后转移到流体润滑状态;当uη处于混合润滑状态向流体润滑状态转换的拐点附近时,蔗糖溶液的平均摩擦系数较低;以质量比1:1混合人工唾液没有显著改善蔗糖溶液的润滑性能;鉴于蔗糖溶液在聚二甲基硅氧烷(PDMS)球-盘摩擦副和钢球-PDMS盘摩擦副之间润滑性能的差异主要来源于其润湿性能,而蔗糖溶液在钢球-PDMS盘摩擦副中的润湿性能较好且边界和混合润滑状态下的平均摩擦系数较小,表明较好的润湿性能有助于改善蔗糖溶液的润滑性能。其次,开展非牛顿流体食品的润滑性能研究,即配制不同冲泡比例的豆浆粉溶液研究其流变性能以及蔗糖和人工唾液对其流变性能的影响,在PDMS球-盘构建的软摩擦副中研究其润滑性能,并探究添加蔗糖和人工唾液对于不同豆浆粉溶液润滑性能的影响。结果表明,豆浆粉溶液黏度与豆浆粉质量分数呈正相关,蔗糖和人工唾液的添加导致了其黏度的降低;无论在豆浆粉溶液还是其混合人工唾液后的溶液中,添加蔗糖均能够改善其润滑性能;与其他冲泡比例相比,冲泡比例为1:5(豆浆粉:水)的样品平均摩擦系数更低,从顺滑感角度出发,冲泡比例1:5是优先推荐的冲泡比例。最后,基于弹流润滑理论,以PDMS球-盘构建的模拟口腔摩擦副为基础,建立口腔软接触滑移模型并验证其可靠性,以此来考察在不同工况下流体食品的润滑机制。结果表明,在流体润滑状态下,随着uη的增加,牛顿流体食品的压力变化较小,但膜厚和摩擦系数均随之增大;粗糙度幅值将影响牛顿流体食品压力和膜厚分布曲线的形状,但对于摩擦系数的影响较小;随着载荷的增大,流体食品对应的接触区面积和压力值随之增加,非牛顿流体食品的实际膜厚也随着增大,但牛顿流体食品的实际膜厚值却差别较小且摩擦系数呈减小变化;流变参数和稠度系数以及滑移速度的增大都会造成非牛顿流体食品膜厚的增加。这些研究结果将为饮品的开发提供较好的技术参考。

关键词： 弱轴对称   圆形喷泉   直接数值模拟   标度分析   PIV/PLIF  

摘要： 负浮力射流在自然界和工农业领域随处可见,有着非常广泛的应用领域。如工业和生活污水排入江河、工业烟囱排放在大气中的工业废气、太阳能脱盐制淡水的污水排放、农业喷灌污水以及在建筑热环境中,新风通过地板送风系统向上注入室内时,注入空气温度和污染物浓度与室内温度和污染物浓度不同导致密度不同从而形成负浮力射流。负浮力射流和环境流体之间会发生卷积和掺混,对负浮力射流在温度和浓度共存环境流体中处于各种不同流动状态下的瞬时流动特征和输移机理以及卷积掺混特性进行透彻的了解和掌握至关重要。本文通过用户自定义函数（UDF）计算流体密度,并利用自定义标量方程（UDS）构建流体浓度输运方程,建立二维非稳态温度和浓度共存均匀环境流体中弱轴对称圆形喷泉流动物理和数学模型,并通过经典文献验证模型有效性。喷泉流动行为主要受Reynolds数（Re）,Froude数（Fr）,浮力比N等关键参数的影响,本文对弱轴对称圆形喷泉在0.25￡FrT￡2.0,20￡Re￡300,-0.75￡N￡5.0（这里FrT为只考虑温度计算得到的Froude数）区间范围进行一系列二维直接数值模拟（DNS）计算来研究这些控制参数对喷泉瞬态行为的影响,并根据DNS计算结果定量和定性分析和量化Reynolds数（Re）,Froude数（Fr）,浮力比N对喷泉初始最大射流高度、时间平均最大射流高度、到达初始最大射流高度时间、射流穿透总体宽度、射流上升流宽度和卷吸等的影响。根据本文所研究的Reynolds数（Re）,Froude数（Fr）,浮力比N范围内的直接数值模拟（DNS）研究结果表明:（1）当Fr数或Re数较低时,喷泉一般能在整个时间段内保持对称特性;但当Fr数或Re数较大时（Re200,FrT1.0）,喷泉只有在早期发展阶段呈现对称特性。与Fr数和Re数影响趋势相反的是,浮力比N对负浮力射流流动的稳定和减小甚至消除喷泉的非对称特征起到积极作用。（2）初始最大射流高度,时间平均最大射流高度、到达初始最大射流高度时间、射流穿透整体宽度、射流上升流宽度都随Fr数或Re数的增大而增大。与Fr数和Re数的影响趋势相反的是,随N数的增大而减小。（3）当Fr2.0时,本文也根据直接数值模拟（DNS）结果得到了和课题组先前对弱负浮力射流在只有温度存在的环境流体中利用无量纲和标度分析方法定量分析关键参数（初始最大射流高度,时间平均最大射流高度、射流穿透总体宽度）得到的线性比例关系,尽管有细微差别也是由于浓度作用力所引起的。将一系列不同温度和不同浓度的盐水从底部中心垂直向上射入静止的均匀密度和温度的测试水箱,并通过调节喷泉入射口体积流量实现0.5￡FrT￡6.0,47￡Re￡824,0￡N￡5.0范围内的29组温度和浓度共存于均匀环境流体中喷泉的粒子图像测速法（PIV）和二维激光诱导荧光技术（PLIF）实验,并挑选三组喷泉实验结果与相应工况的直接数值计算（DNS）进行定量和定性比较后表明两者几乎一致,表明直接数值计算（DNS）程序的准确性。通过一系列的实验结果表明:（1）当Re(Re（?）100)或Fr(Frr（?）T2)数较低或N较大时负浮力射流一般能始终保持对称特征,但当Fr、Re较大或N较小时,对称性只呈现在早期发展阶段,而后失去对称性。（2）与Fr数和Re数的影响趋势相反的是,当负浮力比N增大时,浓度所产生的浮升力相应增大,负浮力增大,对喷泉流动失稳和湍流形成起到抑止作用。（3）根据实验结果,定性分析和量化喷泉初始最大射流高度zm,i与Fr,Re和N之间的标度关系,结果表明课题组前期研究的弱负浮力射流在只有温度存在的环境流体中通过无量纲和标度分析得到的初始最大射流高度zm,iFr的关系式也适用于温度和浓度共存环境流体中的弱喷泉,并且Fr和Re对这些特征参数有显著的影响,而浮力比N对这些特征参数的影响相对较小。对于负浮力射流在温度和浓度共存环境中的具体应用方面,本论文以建筑物室内地板通风排污为研究对象,采用直接数值模拟计算（DNS）定性和定量分析送风强度（Re）、送风温度（Fr）、污染物强度（N）对室内空气品质和通风效率的影响。研究结果表明:（1）通风效率随送风强度和污染强度的增大而增大,随送风温度的增大而减小;（2）通风效率和空气品质的影响因素中送风强度占主导地位;（3）所有的直接数值模拟DNS计算工况中建筑物室内都呈现温度和浓度分层现象。直接数值模拟计算（DNS）研究结果为地板送风系统的设计提供一定的参考价值。综上所述,本文将综合利用粒子图像测速法（PIV）和二维激光诱导荧光技术（PLIF）实验测试方法、直接数值模拟（DNS）计算方法以及标度分析方法来研究温度和浓度共存均匀环境流体中圆形喷泉的输移机理和卷吸掺混特性,从而为工程水力学和环境流体力学以及湍流理论提供宝贵的新知识和新内容,这无疑具有十分