关键词： 过载   流动沸腾   纳米流体   传热系数   摩擦压降   数值模拟   沸腾流型  

摘要： 由于机载换热设备的换热性能不仅影响飞行器机载电子设备的正常工作与否,甚至还影响着飞行员和乘客的生命安全,因此随着航空航天工业的迅猛发展,对小体积、高集成度和高换热效率的机载换热设备的需求越来越迫切。此外,由于传统纯流体的换热性能已经逐渐不能满足较高换热效率的要求,因而国内外对纳米流体传热特性展开了广泛的研究。但是根据不同种类、不同工况的实验结果可知,纳米流体的传热特性既有强化也有恶化的影响,基于此原因,本文开展了不同过载环境下不同浓度的Al2O3-水纳米流体流动沸腾实验和数值模拟研究。 主要研究内容和成果如下: （1）设计并搭建了过载环境下的流动沸腾实验系统。本文在现有旋转实验台基础上设计搭建了流动沸腾循环系统和数据采集与控制系统两个部分,其中流体循环系统由预热段、实验段、储液罐、齿轮泵、流量计和冷凝装置等设备组成;数据采集与控制系统由温度传感器、压力压差传感器、电压电流传感器、数据采集板卡以及主控计算机等设备组成。在实验进行前对热电偶、流量计、压力和压差等各类传感器以及预热段加热功率进行了标定,以确保实验数据测量值的精确性,还通过实验测量的单相流努塞尔数Nu和摩擦因子f分别与业内公认的Gnielinski和Fang预测关联式的计算值进行了对比,验证了实验系统的可靠性。 （2）采用两步法配置了0.02 wt.%、0.05 wt.%和0.10 wt.%三种不同浓度的Al2O3-水纳米流体溶液。对所采用的Al2O3纳米颗粒进行了TEM表征,发现颗粒平均粒径在30 nm左右且大体为球形;对0.02 wt.%纳米流体中添加了0 wt.%、0.004 wt.%、0.01 wt.%和0.02 wt.%四种不同浓度SDBS分散剂并通过透射比分析了其稳定性,最终选取分散剂与纳米颗粒质量浓度比为1:2的比例进行配置,得到了分散均匀、较为稳定的纳米流体溶液;对纳米流体密度、比热、导热系数和粘度等热物性进行了预测模型的分析,选取了较为精确的预测模型用于后续的实验数据处理和数值模拟研究。 （3）实验研究了管内单相对流传热系数和流动摩擦因子随纳米颗粒浓度和过载环境的变化趋势。结果表明:传热系数随着纳米颗粒浓度的增大而明显升高,这主要是由于纳米颗粒的布朗运动提高了流体的导热系数和粘度进而强化了传热,摩擦因子随着纳米颗粒浓度的增大也会提高;另外受二次流和科氏力的共同影响,流体传热系数会随着过载的增大而显著提高,摩擦因子也会随着过载的增大而出现升高的趋势。 （4）在不同过载环境下对纳米流体基液—纯水的流动沸腾传热特性和流动特性进行了实验研究,分析了过载、热流密度、质量流速和干度对沸腾传热系数和摩擦压降的影响。结果表明:随着过载的增大,沸腾传热系数出现了明显的降低趋势,但在1～3 g过载环境下的变化差距较小;当干度x小于0.3时,传热系数随着热流密度的增大而升高,而当干度x超过0.3时,此时继续增大热流密度则传热系数出现了降低的趋势;在不同工况下,传热系数均会随着质量流速的增大而升高;摩擦压降随过载和热流密度的升高变化不大,而随质量流速的升高出现了明显的增大;传热系数和摩擦压降均随着干度的增大而显著升高。将传热系数和摩擦压降实验结果分别与24个常重力传热预测模型和29个常重力压降预测模型进行了误差分析,结果显示Fang等模型、Xu和Fang模型分别对过载环境下的传热系数和摩擦压降预测精度最高,适用性最好。 （5）通过分析0.02 wt.%、0.05 wt.%和0.10 wt.%三种不同浓度纳米流体的流动沸腾传热系数和摩擦压降实验数据后发现:在低干度区域（x小于0.3）的传热系数随着纳米颗粒浓度的增大而升高,而在中高干度区域（x大于0.3）的传热系数则随着浓度的升高出现了明显的传热恶化现象,这主要是由于低干度区的传热由核态沸腾主导而在中高干度区则由对流沸腾主导;纳米流体传热系数随过载、热流密度、质量流速和干度的变化趋势均与纯水类似;在低干度区,纳米颗粒浓度越高则摩擦压降有略微升高的趋势,而在中高干度区的摩擦压降随着浓度的提高出现了降低的趋势;摩擦压降在不同过载环境、热流密度、质量流速和干度工况下随浓度的变化不大,可知纳米颗粒对于流动沸腾摩擦压降的影响很小。 （6）采用Fluent软件中的VOF多相流模型结合UDF对纳米流体热物性的定义,数值模拟了纳米流体在不同浓度和不同过载环境下的管内流动沸腾流型图。通过分析数值模拟结果可知:纳米颗粒浓度的变化对沸腾流型的影响较小,而过载大小和方向对沸腾流型的影响较大。当过载方向与流动方向垂直时,由于浮力的影响,气泡、气塞和气弹将逐渐向管壁上侧靠拢而形成分层流;当过载方向与流动方向相同时,由于惯性力占主导使得气弹挤压变短、气塞被拉长;当过载方向与流动方向相反时,粘性力占主导作用从而气弹被逐渐拉长。

关键词： 磁流体   旋转密封   液体环境   失效机制   结构优化  

摘要： 磁流体密封能够实现轴与密封部件的无接触旋转,具有优异的耐久性。然而,用于密封液体时,由于结构及性能问题导致磁流体密封普遍存在不稳定性。随着应用领域的拓宽,开展磁流体密封液体的研究,在航空、船舶、核电、水电、医疗、化工等许多领域具有广阔的工程应用前景。本文从对现有装置用于密封液体存在的问题为出发点,研究了磁流体密封液体失效机制,提出一种优化聚磁结构,对液体密封发展有一定的指导意义。本论文的主要工作内容和得到的主要结论如下:(1)针对现有装置用以密封液体时耐压、耐久性能不足的问题,对传统磁流体密封结构用于密封液体性能展开研究。通过漏磁分析,确定极靴端部为楔形,楔宽为4mm,厚度为8 mm,楔形角为45°,从而实现漏磁最小、间隙内磁感应强度最大的目的。用于液体密封时,分别以饱和磁化强度M和密封间隙L作为特征参数,拟合出其动态密封性能曲线,发现动态耐压能力和转轴转速之间为二次函数关系。密封耐压性、耐久性均与间隙呈负相关关系,尤其在高转速工况下,磁流体密封的耐久性随着间隙的增大不断降低,在0.7 mm间隙下密封仅可持续45 min。(2)为了探究密封液体时发生失效的原因,提出一种非导磁轴聚磁结构,首次采用中空透明轴,从转轴内部观察静、动态失过程,分析液体密封失效机制。依据实验结果将静态失效过程分为挤压、渗透和磁流体“屏障”的破裂两个阶段;静密封在达到其临界密封压力时不会完全泄露,泄露通道只会循环开启,超过其临界压力密封才会完全泄露。动密封失效是由相溶、挤压、界面失稳综合而成的复杂机制引起的;达到临界转速时,界面处的流动由层流向湍流过渡,两种流体产生明显的分层、波动现象,磁流体薄膜及其不稳定,转速为700 rpm时,密封瞬间发生泄露。(3)提出一种优化聚磁结构,旨在提高磁流体密封用以密封液体的性能。对其密封液体性能展开研究,与传统结构密封性能进行比较。结果发现,优化结构的磁流体密封性能优于传统结构,尤其在大间隙密封结构中临界密封压力是传统结构的2-3倍。静态密封中,随着密封间隙的增加,密封性能下降,且磁流体对密封性能的影响仅与饱和磁化强度有关,而与磁流体的其他物性无关。动态密封中,磁流体粘度也会影响临界密封压力,粘度越高临界密封压力越大,粘度同样会影响动态密封的耐久性,在相同密封间隙下,耐久性和磁性流体的饱和磁化强度呈正相关而和粘度呈负相关;转速和密封间隙的增大,均会导致动态密封的耐久性下降。

关键词： 舌鳞状细胞癌   细胞迁移   非甾体抗炎药   水凝胶   三维培养  

摘要： 舌鳞状细胞癌是最常见的头颈部恶性肿瘤,因舌部具有丰富的血供和淋巴回流以及显著的运动特性,舌鳞状细胞癌具有极大的侵袭性和高转移率,晚期舌癌的5年生存率不足50%。非甾体类抗炎药是一类种类繁多的止痛、退热和预防心血管疾病的常见药物。研究发现,非甾体抗炎药具有抑制环氧合酶活性,减少前列腺素合成,从而抑制肿瘤细胞迁移的作用。目的:为了筛选具有抗舌鳞癌细胞体外迁移作用的非甾体类抗炎药物,需要构建全新的三维动态体外迁移模型,以弥补传统静态二维细胞培养的缺陷,通过体外药物筛选模型的成功构建以及优异的抗迁移药物筛选作用,为临床前实验提供理论基础。方法:1.设计同轴微量注射装置,制备中空海藻酸钙水凝胶微管,探究制备参数(内、外向液体流速)对微管结构的影响,选择最佳制备参数制备中空微管,利用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)以及激光共聚焦显微镜(CLSM)对微管结构进行表征,装置改良,引入垂直向含舌鳞癌细胞(CAL-27)悬液,选择最佳制备参数,利用荧光显微镜和CLSM对细胞微管进行表征。2.添加天然细胞外基质成分(纤维蛋白)对海藻酸钙水凝胶进行生物改性,体外培养72 h,观察细胞状态与增殖情况,Calcein-AM/PI活/死细胞染色及细胞骨架染色验证水凝胶良好的生物相容性和细胞形态变化。3.选择三种非甾体类抗炎药(阿司匹林、吲哚美辛、尼美舒利),CCK-8实验验证药物的细胞毒性作用,筛选合适药物浓度,分别利用划痕实验和细胞微管实验评价三种非甾体抗炎药对CAL-27细胞迁移运动的影响。结果:1.测量不同参数下制备的微管的内外径和管壁厚度,结果显示制备参数与微管结构存在线性关系,形貌表征证明了微管的中空结构,微管管壁内封装CAL-27细胞,调整制备参数,实现了细胞聚集有序化排列。2.体外培养细胞状态观察、活/死细胞染色以及细胞骨架染色结果证明添加天然细胞外基质成分(纤维蛋白)显著提高海藻酸钙水凝胶的生物活性,细胞呈圆形,生长状态良好,证明细胞三维培养模型成功建立。3.细胞毒性实验结果显示,三种非甾体类抗炎药(阿司匹林、吲哚美辛、尼美舒利)的细胞毒性与药物浓度和作用时间成正相关,划痕实验结果表明三种药物均具有抗CAL-27细胞体外迁移的能力,微管模型实验结果同划痕实验且三种药物可进行对比以尼美舒利作用更为显著。结论:利用设计的微流控装置成功构建了CAL-27细胞体外三维培养模型,并筛选出了三种具有抗CAL-27细胞体外迁移作用的非甾体类抗炎药(阿司匹林、吲哚美辛、尼美舒利)。

关键词： 多光谱   太阳能   光谱分频   纳米流体   温室  

摘要： 太阳光谱根据其应用可以分为用于植物生长的作用光谱(PAS:Plant active spectra,300～800nm)和引起温室效应的加热作用光谱(HAS:Heat active spectra,800～1500 nm)。PAS被植物吸收进行光合作用,而HAS进入温室会引起室内高温,这一部分能量对植物来说是不利的。纳米流体光谱分频(NSS:Nanofluid-based spectral splitter)因其具有高透过PAS和强吸收HAS性能,是提高温室太阳能多光谱利用的有效途径。本文围绕纳米流体分频调控温室内光热环境及作物的生长响应进行了探索性研究。(1)采用两步法制备得到混合氧化锑锡(ATO:Antimony tin oxide,SnSbO)和氧化钨(WO)纳米颗粒的流体,包括了2.4 vol%ATO和97.6 vol%WO纳米颗粒,物性分析表征其具有很好地分散性和稳定性。引入植物生长因子理论分析了不同体积浓度透过光谱对植物生长的影响,确定了ATO-WO纳米流体最佳浓度为0.005 vol%。室外耐久性试验得到在42天内,0.005vol%ATO-WO纳米流体在PAS的透过率和在HAS的吸收率基本保持在79.56%和75.78%。在45天后,纳米颗粒开始产生团聚,到98天纳米流体仍然具有一定选择性透光和吸光能力。(2)利用制备的0.005 vol%ATO-WO纳米流体,结合现有的温室中空覆盖结构,设计并制造了中空循环纳米流体的NSS。在不同纳米流体厚度和流量下进行室外光热试验,得到纳米流体厚度为10 mm,流量为100 L/h,运行时间为上午9:00至下午14:00夏季的最佳运行模式。此时NSS太阳能利用总效率达73.6%,其中包括热利用效率34.4%,光学利用效率39.2%。(3)使用10 mm厚、流量为100 L/h的0.005 vol%ATO-WO纳米流体应用实际温室(NSS-G)试验,并设置以中空空气覆盖结构的温室(Air-G)为对照。试验结果表明,NSS-G室内的光热环境满足植物的正常生长,且相比于Air-G,NSS-G能使室内冠层气温和植物叶片表面温度分别降低7.5℃和8.7℃。确定NSS-G在冬季运行时间为上午10:00至下午13:00较为适宜。此时NSS-G的太阳能利用总效率为55.3%,其中被植物吸收效率25.8%,NSS集热效率25.2%。引入分离系数评价系统光谱分频的能力,NSS分离系数为7.5,接近于Air-G的3.6倍,表明NSS具有较强的光谱分离能力。经济性分析结果表明,NSS的初始投资为28.8元/m。在系统使用周期10年内,不考虑温室生产收益前提下,相对于温室常用天然气加热,NSS-G累积节约现值和回收期分别为5.01万元和8.45年。(4)在NSS-G和Air-G室内种植芽苗菜和生菜,通过测试植株的形态和生理指标,研究温室作物对纳米流体调控的光热环境的生长响应。结果表明:在NSS-G调控的环境下,与对照Air-G相比,植物叶片光合能力降低,即生菜叶片的净光合速率和PSⅡ光化学效率分别降低了7.4%和6.0%。但生菜和芽苗菜在生物量积累上,与对照Air-G相比,没有显著差异。

关键词： 编程游戏   小学生   问题解决模式   心流体验   ***   序列挖掘法  

摘要： 编程游戏是计算机科学教育的重要载体之一。图形化编程游戏因其算法可视化和概念隐喻等特点,为儿童计算问题解决学习提供有效环境。玩游戏被视为问题解决的过程,并能潜在促进学习者进入心流。然而,在心流体验相关研究中,虽证实心流对学习者学习参与度、学业成绩、学习表现等有一定成效,但心流如何影响学生学习行为和策略尚缺少相关实证研究。因此,对于如何借助教学使学生进入心流进而影响计算问题解决仍需进一步探究。为此,本研究通过心流的“流动”参与模型调查小学生在图形化编程游戏中的心流变化,并探究学习者个体差异与心流的关系。通过记录学生参与游戏的计算问题解决行为,总结学生在心流下的问题解决模式,为设计能够触发学生心流的有意义问题解决行为的教学方法提供建议和参考。本研究的主要研究方法、内容、过程和结论如下:第一,对学生在图形化编程游戏中的心流变化展开调查。首先,本研究采用了基于web的过程性心流调查方法,从Csikszentmihalyi的三通道模型出发,调查小学生在每个游戏关卡的“感知技能”和“感知挑战”变化。其次,对学生在游戏中的心流变化进行分析表明,学习者的感知技能与游戏关卡难度成反比,感知挑战与关卡难度成正比,适当的增加编程游戏的难度可以促使其在活动中趋近心流。为了深入探究学习者个体差异与游戏中心流变化及心流对小学生学习迁移效果的影响,本研究采用kolb学习风格量表和scratch等级考试测试题对学生进行后测。通过心流变化和知识诊断结果,对性别、学习风格、心流体验三个变量进行独立样本T检验、单因素、双因素以及三因素方差分析。独立样本T检验结果表明女生的焦虑状态是男生的2倍,男生的知识迁移效果要高于女生。单因素方差分析结果显示,心流的学生知识迁移效果最好,焦虑最差。双因素方差分析结果表明,(1)焦虑状态对男生的知识迁移效果影响小于女生;(2)发散型、聚敛型、同化型学习者在心流状态下的知识迁移效果最佳。三因素方差分析结果表明,心流对同化型男生和发散型女生的知识迁移效果最显著。第二,对学习者在心流下的行为偏好和问题解决模式进行分析。首先,对小学生在“***迷宫编程关卡2-9”的游戏活动进行视频编码。其次,通过滞后序列分析法和序列模式挖掘法对行为数据进行处理。行为关联及偏好分析结果表明,(1)在解决方案开发上,心流可以增加学习者实现正确代码开发的行为;(2)在反思解决复杂得替代方案上,处于心流的学生对新知的自主学习和实践执行力最强;(3)在监控问题解决进展上,调试被心流学习者作为推进问题进展的有效工具,帮助其优化解决方案,促进问题解决能力提升。心流学习者更有意愿进行问题反思,实现更深层次问题解决;(4)在中间策略使用上,图形化编程游戏中脚手架呈现方式、设置或撤离会影响学生心流变化。序列模式分析评估结果表明,心流学习者共出现10类问题解决模式。其中,实践-调整型和反复试错型是所有学习者最常使用的计算问题解决模式。在纠错任务中,心流学习者最常使用直观-编译型、选择性搜索型进行问题解决;在程序开发任务中则最常用实践-调整型、反复试错型、具象-迁移型、反思推理型、具象-验证型。以上行为数据分析结果显示,心流促使小学生出现更多问题解决行为模式,并实现其更深层次的问题解决和知识迁移。本研究在已有研究的基础上,以过程性的心流调查为出发点,将学习者的学习行为聚焦于一个更细微的问题解决过程,其目的在于探究学习者在心流状态下的计算问题解决模式,对教师创设有意义的问题解决教学具一定的指导作用。希望在未来研究中,依据小学生在图形化编程游戏中心流状态下的问题解决行为偏好和行为模式类别,设计能触发学生进入心流,实现高效问题解决学习的教学方法。

关键词： 血管新生   血管內皮細胞   氧氣梯度   微流體系統   寬場頻域螢光生命週期顯微術  

摘要： 为研究血管内皮细胞在形成血管过程中受氧气微环境的影响，本文开发一可调控氧气微环境之微流道装置，同时搭配生物（三维）水凝胶基质建构一可提供血管内皮细胞新生为血管之体外微环境模型，以及藉由已开发之宽场频域萤光生命周期显微术（FD-FLIM）量测氧气浓度分布，以精确评估微流体系统内之氧气微环境浓度分布，模拟血管内皮细胞於体内不同氧气张力（oxygen tension）以及不同氧气梯度下，血管生成的过程。实验结果表明，在血管生成过程中，不仅环境中的氧气浓度会影响血管新生的速度。氧气梯度的大小以及方向也同时扮演着关键的角色。此研究提供之微流体平台，可用於研究内皮细胞从一开始之单层内皮细胞层到在水凝胶基质中各种氧气微环境下新生为三维的血管状结构之生成过程与机制，并应用於更进一步之生物医学相关之研究。

关键词： 油基钻井液   地化录井   流体性质识别   油气层评价   宝云亭地区  

摘要： 随着东海西湖凹陷宝云亭地区勘探向深层、复杂构造区推进,钻井现场引入油基钻井液以确保高效钻进。在录井过程中,由于该区荧光显示微弱且样品受油基钻井液干扰严重,快速识别储层含油气性难度很大。通过地化录井资料统计分析,总结出适用于该区油基钻井液环境下准确识别和评价储层流体性质的方法。该方法基于芳香烃区域参数Yx、地化热解S1值的校正值参数建立交会图板,可有效识别宝云亭地区储层轻质油、凝析气和水层,在定性对比油质轻重及确定流体界面位置方面也有很好的应用。实践证明,该评价方法有效解决了油基钻井液环境下储层流体判识的难题,现场应用效果良好,为该区储层的录井解释评价提供了可靠的技术手段和参考依据。

关键词： 水下柔性结构   流固耦合   水动力函数   压电宏纤维   动力学模型   频响特性  

摘要： 柔性结构与周围流体的耦合作用机制广泛应用于仿生机器人、水下航行器、精密仪器及生命医疗等领域。具有驱动变形大、防水性好且柔韧性好的压电宏纤维(Macro fiber composite,MFC)致动器是水下柔性结构变形控制的首选。建立MFC内部致动弯矩和水动力载荷共同作用下柔性结构的流固耦合动力学模型。对粘贴MFC致动器的柔性结构特征截面进行计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)分析,得到不同振动特征频率下柔性结构周围流场、压力分布及所受水动力载荷,分别拟合得到MFC致动柔性结构水动力函数的实部和虚部表达式。结果表明柔性结构水动力载荷的附加质量和阻尼效应都随着振动频率的增加而减小。在等振动特征频率下,MFC致动梁结构水动力函数的实部大于匀质等截面梁的实部;在高振动频率下其水动力函数虚部同样大于匀质等截面梁。试验测试了MFC致动柔性结构的水下振动特性,试验所得MFC激励下柔性结构末端稳定振动的幅频特性和相频特性与建立的耦合动力模型相吻合,证实了所建立MFC致动柔性结构的水动力函数及流固耦合振动模型的有效性。