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关键词： 假塑性流体   错位六弯叶桨   洞穴   表观粘度   切应力  

摘要： 以假塑性流体为搅拌介质的生产操作在食品、生化、聚合物以及医药等工业领域中应用广泛。通常来说，此类流体相对其他流体会呈现出较为复杂的流变性，其中以出现剪切稀化行为和初始屈服应力为主要流变特征。在搅拌过程中，通常会在叶轮附近区域的流体混合比较充分，形成“洞穴”区域，而槽内非“洞穴”区域内的流体，一般都会处于缓慢流动状态，甚至是达到停滞状态，这将严重阻碍和降低传热、传质效率，对流体的搅拌混合过程极为不利。因此，本文以六弯叶桨和错位六弯叶桨两种不同的径流式搅拌桨作为研究对象，采用两个实验使其分别与CFD数值模拟结果进行双重结合验证的方法，对典型的假塑性流体之一的黄原胶水溶液的流场洞穴大小及其触壁前后的洞穴轴向扩展演化规律特征进行深入的分析和研究，为强化高效流体搅拌装置的优化研究提供参考和假塑性流体的高效混合应用提供理论依据。　　本文首先通过采用流变仪等实验设备的方式测定了黄原胶水溶液的相关流变参数，继而利用流场PIV实验设备对6PBT搅拌桨的流场特性进行了测试，并利用流场搅拌设备进行了搅拌功耗的实验研究，结果表明，在所研究质量分数范围内的黄原胶水溶液的流变特性与Herschel-Bulkley模型两者是相符合的，进而通过后处理软件Origin2018将所得的实验数据进行处理，获取模型中所需的各项参数，为后续所建立的数值模型等相关条件和参数等提供相应的数据支撑。为了验证所建模型的正确性，对流场搅拌功耗和速度矢量结构两个方面进行分析，其中，主要通过数值模拟结果以及实验数据两个方面进行比较判断。结果表明，在这两方面的CFD模拟结果与实验数据均有较高程度的吻合，进而表明本文所建层流模型是准确的，通过该模型所模拟的结果是具有可靠性的。　　通过研究不同流变性和不同搅拌转速下的黄原胶水溶液流场洞穴在搅拌槽内轴向演化规律，发现同种工况下，搅拌流场洞穴高度与黄原胶水溶液质量分数成反比例关系，且6PBT桨的搅拌洞穴高度高于6BT桨;洞穴触壁前，洞穴的轴向高度与搅拌转速成正比例关系，洞穴触壁后，随着搅拌转速的继续增加，洞穴轴向高度先增大后保持不变，且溶液质量分数越大，洞穴轴向高度的最大值越小，表明了当转速增加到一定程度时，继续增加并不能很好地改善搅拌槽内切应力分布。　　基于所建立的计算模型，对表观雷诺数高达1204.22的流场洞穴进行研究，发现在径向位置为-100mm-100mm和轴向位置为-70mm-80mm的区域范围内，表观粘度的梯度变化较小且具有完整的速度矢量线包裹，洞穴内部实际处于湍流状态。继而建立湍流模型，对洞穴内部的真实流动特征进行研究，发现在处于湍流状态的洞穴内部，随着搅拌转速的提升，对整个洞穴内部的速度分布以及整体切应力分布变化并不明显，而桨叶背液面的湍动能分布却有明显的提升，说明湍流状态下继续增大转速，所输入的能耗多数消耗在桨叶背液面处。　　本文研究在以下方面体现出较好的创新性：　　（1）基于假塑性流体特有的剪切稀化流变性，建立了能够反映假塑性流体搅拌流场的计算模型，并探究了两种桨（6BT桨和6PBT桨）的搅拌流场洞穴轴向扩展规律。　　（2）基于边界粘度法，确定了合理的洞穴边界研究范围，明确指出了洞穴内部假塑性流体的流动特征。

关键词： 电弧光谱   电弧收缩   温度场   焊接熔池   表面张力  

摘要： 活性钨极氩弧焊(A-TIG)是一种特殊的TIG焊接方法,该方法具有大幅增加焊缝熔深、提高生产效率、改善焊缝成形的突出优势。在工业生产中拥有广阔的应用前景,但当前对于熔深增加机理缺乏统一认识,限制了其在工业领域中的进一步应用。目前科研工作者对熔深增加机理普遍所接受的理论为:电弧收缩理论和表面张力改变理论,但研究结果却存在很大差异。电弧收缩理论主要通过电弧形态和数值模拟来研究,研究结果受实验设备和模型假设的影响,导致形成的结论差异较大;表面张力改变理论主要通过数值模拟和示踪粒子法研究,模拟结果受模型假设的影响,与实际焊接条件差距过大,示踪粒子法用于判断熔池金属的流动模式,不能获取熔池表面张力数据,导致认识不清熔池金属表面张力的变化规律;并且现有的研究没有将电弧和熔池热物理行为有机的统一起来,从而使A-TIG焊熔深增加机理尚未形成统一认识。首先搭建了电弧空域光谱、电弧形貌及电信号、熔池表面温度和熔池振荡测量系统,实现了电弧光谱、电弧形貌及电信号、熔池表面温度和激光视觉熔池振荡频率信息的采集,研究了不同活性剂对TIG焊电弧和熔池热物理行为的影响。其次利用电弧空域光谱和电弧形貌及电信号采集系统,研究不同活性剂对TIG电弧空域光谱特征及电弧温度场的影响。研究结果表明:Ti O并不会对TIG焊电弧行为和电弧温度场产生明显的影响;BO、Si O焊接时能够进入电弧空间,并引起电弧电压升高和电弧收缩现象;BO、Si O引起的电弧收缩对整个电弧电子温度场的影响不大。氯化物活性粒子(NaⅡ)布满电弧空间;使电弧形貌发生收缩,电弧电压升高;电弧收缩引起电弧温度场集中,使阴极区附近、弧柱区附近及阳极区附近的电弧电子温度大幅上升。氟化物活性粒子(AlⅠ、MgⅡ、CaⅡ)布满整个电弧空间,电弧电压均升高,但未使电弧形貌发生收缩现象;氟化物活性剂均增加电弧阳极区附近的电弧电子温度,温度增加的幅度与活性剂在熔池表面的热解离及带电粒子复合时释放的电离能有关。第三利用红外测温系统,研究不同活性剂对TIG焊熔池表面温度的影响。研究结果表明:氧化物活性剂均使熔池表面整体温度发生下降;BO和Si O作用下的熔池表面温度梯度明显减小,Ti O作用下的温度梯度略有增加,对熔池表面温度场的影响较大。Na Cl活性剂使熔池表面整体温度发生略微下降;Na Cl作用下的熔池表面温度梯度基本无变化,对熔池表面温度场的影响较小。碱金属氟化物(NaAl F)活性剂使熔池表面整体温度和温度梯度都明显减小;碱土金属氟化物(Mg F、Ca F)活性剂使熔池表面整体温度和温度梯度增加,对熔池温度场存在一定影响。最后利用熔池振荡原理建立的表面张力测量系统,研究不同活性剂对TIG焊熔池表面张力及熔深增加机理的影响。研究结果表明:氧化物活性剂使不锈钢TIG焊熔池平均表面张力温度梯度系数由负变正;氯化物活性剂未改变熔池平均表面张力温度梯度系数;氟化物活性剂能够使熔池平均表面张力温度梯度系数存在两种状态,当熔池表面平均温度较低时,熔池平均表面张力温度梯度系数为负,当熔池表面平均温度较高时,熔池平均表面张力温度梯度系数为正。结合电弧温度场变化特征、熔池表面温度场变化特征,发现三种不同类型活性剂对熔深增加的机理各不相同:氧化物活性剂增加熔深的主要原因是熔池表面张力温度梯度的改变;氯化物活性剂增加熔深的主要原因是电弧收缩;氟化物活性剂增加熔深的主要原因是氟化物活性剂能够引起电弧和熔池温度升高,降低熔池表面张力绝对值,促使熔池金属流速增加,而不是电弧收缩。

关键词： 西藏   鸡公村铼钼矿床   地质特征   流体包裹体   矿质沉淀机制  

摘要： 鸡公村铼钼矿床位于西藏曲水县,是一个以富铼为显著特征的石英脉型铼钼矿床。为查明该矿床地质特征以及成矿流体特征,本文通过野外实地观察,系统采集手标本样品,制作光薄片并进行显微观察和鉴定,结合电子探针实验详细研究了矿区典型硫化物矿物及其矿物组合特征、划分了蚀变类型和成矿期次,并针对不同类型和不同成矿期次的流体包裹体进行均一法测温以及激光拉曼测试分析,获得了以下认识:矿区岩体主要为花岗闪长岩和石英闪长岩,岩体时代范围为(51.8±0.5)Ma,矿床成矿时代为(21.8±6.2)Ma,成矿时代明显晚于岩体形成时间。矿区热液蚀变在空间上主要分布于断裂及两侧围岩岩体,由深部到浅部分别发育钾化、绿帘石-绿泥石化和黄铁-绢英岩化。成矿阶段从早到晚可以划分为石英-钾长石-硬石膏阶段、石英-黄铁矿阶段、石英-辉钼矿阶段、石英-方铅矿阶段、钼华表生氧化阶段,其中铼、钼主要沉淀于石英-辉钼矿阶段。矿区含铼金属矿物主要为辉钼矿,其次为U-Ti氧化物和铋碲化物等。电子探针分析辉钼矿、黄铁矿、黄铜矿硫化物矿物主微量元素含量,辉钼矿中Re元素含量范围多为0.10～0.30%,最高为0.88%,平均值约为0.20%。辉钼矿单矿物Re-Os同位素分析结果显示,Re含量为(1334～2148)×10,平均值为1606×10。此外,用能谱分析出少量富铼U-Ti氧化物和铋碲化物,其中U-Ti氧化物Re含量最高为0.07%,平均值约为0.02%。铋碲化物Re元素含量范围为0.13%～0.19%,平均值约为0.15%。矿区成矿流体属于CO-HO-NaCl体系。矿区主要为HO溶液包裹体(L1类和L2类)和CO-HO包裹体(C1类和C2类),其中以L1、C1和C2类流体包裹体为主,其次少量可见L2类以及单一相流体包裹体。Ⅰ1号矿体各阶段均一温度范围为:石英-黄铁矿阶段251.4～311.4℃、石英-辉钼矿阶段232.2～295.7℃、石英-方铅矿阶段180.7～239.4℃,Ⅱ1号矿体石英-钾长石-硬石膏阶段263.0～325.6℃、石英-黄铁矿阶段246.5～303.5℃、石英-辉钼矿阶段201.0～270.0℃、石英-方铅矿阶段180.0～218.5℃,温度总体上逐渐降低。从成矿早期至成矿晚期,成矿流体呈现中温中低盐度逐渐向低温、低盐度演化趋势。导致鸡公村铼钼矿床矿质发生沉淀的因素可能有流体沸腾作用、冷却降温作用、流体氧逸度降低以及流体p H值变化等。然而,随着成矿流体不断演化,流体物理化学条件发生变化,进而直接或间接导致矿区矿质发生沉淀。因此,矿质沉淀可能并不能说明是某一种特定的因素引起,而可能是以上因素共同作用的结果。

摘要： 你知道表面张力吗?用彩虹气泡蛇的实验来学习一下吧。You will need An empty water bottle一个空水瓶An old sock一只旧袜子A small bowl一个小碗Liquid food coloring液体食用色素Scissors剪刀Water水Liquid dish soap洗洁精What to do 1. Use the scissors to cut the bottom off of a water bottle.

关键词： 表面张力   固液界面   浸润性   流体定向传输   微纳加工  

摘要： 自然生物独特的表面浸润性为人造超润湿性仿生表面的制备提供了新思路。近年来,研究者从生物表面浸润性机理出发,逐步揭示出了固液界面浸润性的影响因素,结合现代微纳制备工艺,成功开发了多种仿生超浸润性表面,并初步探索了其在各个领域的潜在应用。基于此,可实现界面液体定向传输的超润湿性表面在水雾收集,油水分离,微流控,电能采集,增强传热和传感器等方面都展示出了独特的优势。然而,在各种不同的界面液体动态操控形式中,对固液界面的动态相互作用机理的认识还不够深入。由此引发的,涉及界面上液体定向传输中的液滴极限驱动效率,浸润性调控新策略,界面液体定向传输新应用等诸多问题仍然有待进一步解决。针对上述问题,本文根据影响固液界面浸润性的三个因素—外场介入,表面能改性和微纳结构,利用相应的浸润性调控方法,分别制备了三种能实现液体定向传输的功能表面,重点研究了不同方式中的流体定向传输机理和界面上流体操控规律,实现了基于介电润湿调控的极限效率液滴驱动,提出了利用织物表面能改性,通过机械拉伸调控浸润性的新策略,探索了基于微结构浸润性调控的自吸式界面太阳能蒸发器的新应用。主要研究成果归纳如下:(1)通过介电润湿浸润性调控,制备了一种利用电场驱动的液滴定向传输器件。单极板数字微流控芯片是一类开放式的液滴操控芯片,具有进样取样方便和表面污染易于清理等诸多优点,但却存在驱动效率较低、液滴操控不够稳定等问题。本文基于介电润湿动态行为的研究与分析,通过构建数学模型,实现对液滴驱动性能的定量评估。在理论上,计算出相邻电极上外界电压施加的最佳时间间隔,最大限度的提升了液滴驱动效率。实验上,通过搭建液滴驱动的系统平台,实现了液滴在不同路径上的连续定向传输和液滴的载物传输,展示了极好的液滴连续定向操控稳定性。本工作为提升单极板数字微流控芯片上液滴驱动效率提供了新方法,对提升液滴的驱动效率和操控稳定性具有重要意义。(2)利用织物表面能改性,通过机械拉伸进行浸润性调控,制备了一种可调谐的油水分离膜。针对当前油水分离速度无法动态调谐、油水分离膜堵塞失效等实际问题,本文提出对可拉伸织物进行表面能改性,制备出了具有不同超浸润性的可拉伸油水分离膜,实现轻油(ρ>ρ)和水与重油(ρ<ρ)和水的分离。在此基础上,细致研究了织物衬底拉伸对浸润性和液体定向穿透的影响规律。在油水分离应用中,通过织物拉伸改变分离膜表面结构周期和孔径尺寸,不仅实现了油水分离速度的调谐,还实现了固体杂质堵塞物的自疏通性能,这对油水分离效率的提升和实际工程应用意义重大。(3)通过微结构进行浸润性调控,制备了一种具有水定向自输运功能的结构化表面太阳能蒸发器。基于多孔材料的界面太阳能蒸发器面临受热面积小、水供给不足和积盐堵塞等问题,难以实现工程应用。本文基于微结构浸润性调控,制备了一种结构化流体定向传输表面,用于太阳能蒸发器的研制。通过3D打印和软光刻技术构建了具有各向异性的倒金字塔形PDMS微凹槽阵列(离散的各向异性)的表面,并通过在PDMS材料中掺杂石墨烯粉赋予其优异的光热性能。利用这种方法制备的太阳能蒸发器,不仅实现了自吸式的水定向传输,保证了充足的水供给,还可以实现高效的光热转化。基于结构化表面的太阳能蒸发器展现了优异的海水脱盐净化效果和酸性污水净化能力。该方法对界面太阳能蒸发技术的大规模应用具有重要的推动作用。

关键词： 金矿床   流体演化   深部   成矿前景  

摘要： 冀东铧尖金矿床是与岩浆活动有关的,近地表的,中等温度的,热液脉型矿床,矿区位于华北地台内燕山台褶带东部山海关隆起与马兰峪复背斜接触部位的东侧。经历了中生代强烈的构造岩浆活动,包括印支期与燕山期两期造山作用。通过对该矿床的地质特征、流体包裹体及稳定同位素的系统研究,探讨了该矿床成矿流体的时空演化特征和成矿机制,为该区的深部找矿提供了一定的理论依据。矿床的地质学研究表明,矿床的成矿过程按照时间顺序可分为3个阶段。成矿早期以产出大量的石英、钾长石和少量的黄铁矿为特征。成矿中期以出现石英、黄铁矿、黄铜矿、方铅矿、闪锌矿等为特征。成矿晚期以出现大量的石英和方解石为特征。流体包裹体的研究表明铧尖金矿床的成矿流体是中低温低盐度的HO-Na Cl±CO的流体体系。成矿早阶段以L型和L-V型为主;成矿中阶段主要是L-V-S型、L-V型和L型。成矿晚阶段主要是L型。显微测温结果显示铧尖金矿床的均一温度约为77-403℃,成矿早阶段的温度主要为270-330℃,平均318℃,盐度平均7.2%Na Clequ;主成矿阶段的温度主要集中在230～290℃,平均258℃,盐度平均6.48%Na Clequ;成矿晚阶段的温度主要为90-150℃,平均119℃,盐度平均4.73%Na Clequ。从成矿早阶段到成矿晚阶段,铧尖成矿流体的温度和盐度都有下降的趋势。主成矿阶段的深部成矿流体的均一温度主要240-290℃,平均260℃,盐度为平均为4.46%Na Clequ;中部成矿流体的均一温度主要为180-230℃,平均207.9℃,盐度平均为3.96%Na Clequ;浅部成矿流体的均一温度为141-277℃,平均183.7℃,盐度平均为3.58%Na Clequ。从深部到浅部,主成矿阶段的流体包裹体在温度和盐度上也稍有下降,且深部流体活动要强于浅部。不同深度的液相成分都主要是HO,少数样品出现SO的拉曼特征峰。包裹体气相成分也主要是HO。主成矿阶段不同深度流体包裹体的氢氧同位素研究结果为:δO为-2.42～8.64‰;δD为-61.98～-102.02‰。表明铧尖成矿流体主要来自岩浆水和大气水。且在H、O同位素组成图上,从深部到浅部,越来越靠近大气雨水,表明大气水的影响越来越大。硫同位素结果显示,δS值变化范围较小,为3.4～6.2‰,平均为5.1‰,表明可能主要来自深部岩浆。δS从深部到浅部有降低的趋势。综合矿床地质、流体包裹体和稳定同位素研究,推测铧尖金矿床主矿化阶段成矿流体可能来源于中酸性脉岩的岩浆活动;成矿晚期矿化阶段流体为一种低温较低盐度热液,推测其来源可能主要为大气降水。因此,总体来看,铧尖金矿床是燕山期不同期次岩浆活动与大气降水多次叠加成矿作用的结果。图18幅;表10个;参76篇

关键词： CaCO3纳米晶体   疏水化改性   非水相泡沫   表面张力   发泡性能  

摘要： 非水相泡沫在油气田开发、食品加工、多孔功能材料以及医药等领域有着广泛的应用。然而,由于其自身的低界面张力和低介电常数导致发泡性能较差,制约着相关工程作业的发展。CaCO3纳米晶体由于其丰富的形貌结构以及各向异性特点在泡沫领域受到广泛关注。目前,CaCO3纳米晶体仅研究了在水相溶剂中的发泡性能,然而在非水相泡沫中尚未开展相关研究工作。因此,本文制备了不同形貌的CaCO3纳米晶体,采用月桂酸与1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷两种改性剂对其进行疏水化改性,并探究其在不同极性溶剂中的发泡性能,开展了以下研究工作:（1）CaCO3纳米晶体的制备。以无水Na2CO3和无水Ca Cl2为原料,采用复分解法制备不同形貌的CaCO3纳米晶体。研究了反应温度、反应时间、晶形控制剂的种类和加量对其形貌的影响。并采用TEM、FT-IR、TGA、XRD等测试手段对所需样品进行表征。研究表明,添加不同的晶形控制剂可分别制备出片状、球形、纺锤形、立方体四种所需不同形貌的晶体颗粒。对于球形CaCO3纳米晶体,采用单因素实验法研究了影响其粒径大小的因素。结果表明,分别控制反应温度为15℃、20℃、25℃,所形成的晶体颗粒粒径分别为5.09 nm、45.6 nm、121.4 nm。（2）CaCO3纳米晶体的疏水化改性。采用湿法改性对亲水性CaCO3纳米晶体进行润湿性调控。月桂酸改性:控制改性时间为60 min、改性温度为75℃,调节改性剂加量为0.5%～5%,制得的晶体颗粒接触角范围在24.8°～121°。1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷改性:控制改性时间为180 min、改性温度为60℃,调节改性剂加量为0.5%～20%,制得的晶体颗粒接触角在35.8°～134.2°。（3）不同极性溶剂的发泡性能。采用Waring-Blender法研究了不同形貌、不同润湿性的CaCO3纳米晶体对不同极性溶剂的发泡性能。研究表明,水相泡沫:晶体颗粒含量为5%,接触角为73.9°的片状CaCO3纳米晶体形成泡沫的含气率为50.98%,稳定性达88 h。非水相泡沫:月桂酸改性CaCO3纳米晶体在强极性有机溶剂中能够形成非水相泡沫;1H,1H,2H,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷改性CaCO3纳米晶体在弱极性与非极性有机溶剂中形成非水相泡沫。实验发现,片状晶体颗粒的发泡性能最佳,所形成的非水相泡沫含气率均在10%～56.9%。能够在强极性有机溶剂形成泡沫的晶体颗粒接触角范围为53.5°～73.9°,能够在弱极性和非极性有机溶剂形成泡沫的晶体颗粒接触角范围为47.5°～66°。

关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚体   卡门涡街   半量子涡街   鬼涡街  

摘要： 流体的涡旋运动,是自然界中普遍存在的一种流动现象。一定条件下的流体流经某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的两列涡旋,即著名的卡门涡街。在超流体中,寻找这种涡旋脱落模式是物理学家可以更深入了解经典流体与量子流体之间关系的一种方式。玻色-爱因斯坦凝聚,作为物理学中弥足珍贵的一种宏观量子现象,是指当系统温度降到临界温度以下时所有原子占据同一量子态的聚集。自其从1925年理论预言并于1995年实验实现后,玻色-爱因斯坦凝聚体就为超流体中的量子化涡旋提供了一个清洁且可精确调控的研究平台。双分量玻色-爱因斯坦凝聚体,由于其中组分内与组分间的相互作用而展现出了许多新颖的量子现象。对双分量玻色-爱因斯坦凝聚体中量子卡门涡街的研究,是一个极具价值与意义的课题。通过对耦合Gross-Pitaevskii方程组的数值模拟,本文理论研究了处于不同状态的双分量玻色-爱因斯坦凝聚体中移动高斯障碍势产生的量子化涡旋脱落现象,特别是其中的量子卡门涡街。研究结果表明:在由23Na和87Rb两种不同原子组成且处于相混合态的双分量凝聚体中,一个分量中形成了由量子化涡旋构成的卡门涡街,另一个分量中与之相对应地形成了由密度峰构成的密度峰街,并由它们构成了具有复合涡旋结构的半量子涡街;在由87Rb原子两种不同超精细态|F=1,mf=-1和|F=2,mf=+1组成且处于相分离态的双分量凝聚体中,一个分量中形成了由量子化涡旋构成的卡门涡街,另一个分量中与之相伴随地形成了由鬼涡旋构成的鬼涡街;在不同状态的双分量凝聚体中,均存在着其他典型的涡旋脱落模式,如涡旋偶极子、V形涡旋对等,且各种涡旋脱落模式也与移动障碍势的宽度和速度相关,特别是涡旋脱落的临界速度与障碍势的宽度存在着依赖关系。此外,计算结果表明,涡旋的脱落对作用在移动障碍势上阻力的产生有其贡献。最后,本文为双分量凝聚体中量子卡门涡街现象的实现提供了相应的实验方案参数,并对相关工作的研究前景做了进一步的展望。

关键词： 溃坝波   两相流   粒子图像测速   气泡图像测速   PIV   BIV   人工智能  

摘要： 坝体溃决时,库内水体因重力宣泄而下,坝址上游水位陡落,下游水位陡涨,这种由重力驱动的灾害性水流波动即为溃坝波。作为一种严重灾害性的水体流动现象,溃坝波有着巨大的社会危害性,且由于其研究的复杂性,一直是国内外水利工程领域非常重要的研究方向。对溃坝波流场进行实验研究有利于理解流场真实的结构特征和作用机理,因此开展溃坝波流场特征的实验研究十分必要。然而溃坝波自产生到与结构物相互作用的过程中均会产生强紊动掺气水流,传统多普勒测速仪以及粒子图像测速(Particle Image Velocimetry,PIV)技术对于掺气流动的流速测量较为困难,由于量测手段的局限,导致溃坝引起的强紊动掺气流动的流场特征不明。本文应用粒子图像测速及气泡图像测速(Bubble Image Velocimetry,BIV)结合的实验技术,突破传统PIV技术的限制,对溃坝引起的强紊动掺气流动的流场进行了无接触式的测量,获得了溃坝波砰击下游直墙时掺气运动的内部流场,主要成果与结论如下。(1)针对强紊动掺气流动的随机性,通过20次重复实验进行系综平均以获得统计意义上总体稳健的均值。故根据PIV及BIV技术的原理,结合实验室实际情况搭建一个生成溃坝波的实验平台,通过同步器与电磁铁控制溃坝波生成的实验设计,提高溃坝波生成的同步性。多次实验重复测量的结果表明,实验结果具有足够的重复性和可靠性,满足取系综平均时的可重复性要求。(2)在将PIV及BIV技术测量的结果结合的过程中需将掺气区域与非掺气区域区分开来,因此本文提出基于人工智能的掺气区域智能识别方法,通过不同神经网络的综合比对,发现卷积神经网络的识别效果最好,识别准确率为99.78%。并基于MATLAB平台开发出相应的分析软件,大大降低人工识别的复杂性和时间损耗。(3)针对水平干河床下坝体瞬间全溃产生的溃坝波的运动过程,通过高速相机捕捉其演化过程全景,得到水位随时间的变化,并将其与理论解进行对比。结果表明溃坝初期闸门上游根据非线性浅水方程得到的理论解与实验结果有一定的偏差,偏差随着时间的推移而减小。通过对上游的流场特征分析,偏差来自于溃坝初始阶段垂向速度的存在以及水平速度沿垂线分布不均匀,这与浅水方程的基本假设不符。当时间逐渐推移,垂向速度会不断减小,水平速度分布逐渐均匀,理论解的偏差也随之减小。(4)结合PIV及BIV的技术,对水平干河床下坝体瞬间全溃产生的溃坝波砰击下游直墙的运动过程进行了精确测量。对溃坝波掺气运动的最大速度、砰击直墙过程的爬高速度、运动轨迹及速度分布、涡量分布、湍流强度分布等运动特征进行了分析。流场结果显示,溃坝波砰击直墙时,水体向上爬高后向上游进行反卷,反卷时水流主体包裹气体形成一个水气两相流旋涡,在爬高和反卷时直墙根部均存在一个运动方向相反,范围相对较小的低速旋涡。实验结果中两个方向的平均涡量相差约2倍,两个旋涡及水体反卷水舌触及上游来流所在位置湍流强度相对较高。

关键词： 微纳米结构   超疏水   液滴合并弹跳   能量转化率   表面张力   滴状冷凝   换热性能  

摘要： 随着微电子机械系统(MEMS)的迅猛发展,机械设备的尺寸不断减小,固液界面相互作用显著影响微流体机械的性能。此外,微电子器件的小型化,使装置的热流密度显著增加,微小型设备的散热问题面临严峻挑战。微纳米结构超疏水表面能够调控液滴动力学行为,强化滴状冷凝换热,有利于提高微流体机械的性能,并为换热设备的小型化和高热流密度装置热管理系统性能的提升提供了新途径。基于此背景,本文系统地研究了微纳米结构超疏水表面液滴动力学行为与冷凝换热特性,主要内容包括:微纳米结构疏水与超疏水表面的制备及润湿性表征、层级微槽超疏水表面液滴合并弹跳行为、微纳米结构超疏水表面低浓度乙醇溶液液滴合并弹跳行为以及微槽疏水与层级微槽超疏水表面蒸汽冷凝换热特性。本文分别制备了层级微槽超疏水、CuO纳米结构超疏水、微槽疏水和光滑疏水表面,并表征了所有制备表面的润湿性。结果表明,液滴在层级微槽结构和CuO纳米结构的超疏水表面呈现稳定的Cassie润湿态,而在微槽疏水表面的Cassie润湿态不稳定。槽道结构阻碍了液滴的横向润湿,导致微槽疏水和层级微槽超疏水表面呈现各向异性润湿性,垂直槽道方向的接触角大于沿槽道方向的接触角。为了探究微槽结构对液滴合并弹跳过程流体力学的调控机制,本文搭建了液滴合并弹跳可视化实验系统,研究并比较了层级微槽超疏水与平超疏水表面的液滴合并弹跳行为。研究发现,具有空间限制效应的微槽结构对液滴合并的流体力学调控起着关键作用。在层级微槽超疏水表面,槽内变形液滴在Laplace压力差驱动下实现自弹跳,释放的表面能向动能的转化率约为8%。槽内变形液滴和槽外非变形液滴合并弹跳的能量转化率高达46%,比平超疏水表面的液滴合并弹跳高出7.2倍,表明液滴合并弹跳速度和能量转化率的提升取决于液滴表面曲率和集中于弹跳方向的动量。此外,本研究证实了液滴间凸出的微结构能够通过对液滴内部动量的重新定向强化液滴合并弹跳性能;而液滴间的凹槽结构弱化了合并液滴与表面的撞击效应,导致液滴合并弹跳性能恶化。为了明确液体表面张力对不同微纳米结构超疏水表面液滴合并弹跳的影响,本文研究并比较了去离子水、质量分数为8%和16%的低浓度乙醇溶液液滴在平超疏水和层级微槽超疏水表面的合并弹跳行为。结果显示,表面张力大于40 m N/m且粘度小于2 m Pa·s的低浓度乙醇溶液液滴在平超疏水表面的合并弹跳由惯性效应主导,粘性效应的影响可以忽略。液体表面张力的减小仅导致液滴合并弹跳速度的减小,能量转化率基本不变,维持在5.6%～6%之间。在层级微槽超疏水表面,液体表面张力减小引起表面对液滴的粘附效应增强,使槽内变形的低浓度乙醇溶液液滴无法自弹跳,而是在Laplace压力差驱动下自发爬升,并悬浮于槽道上方。增强的表面粘附改变了低浓度乙醇溶液液滴合并过程的形态演变,影响了其内部动量的传递,导致液滴合并弹跳速度和能量转化率降低。随液体表面张力的减小,受限微槽结构和液滴间凸起的微结构对液滴合并弹跳性能的强化作用减弱,而凹槽结构对液滴合并弹跳性能的弱化作用增强。在上述研究的基础上,本文搭建了蒸汽冷凝可视化实验系统,研究了光滑疏水以及不同槽道方向的微槽疏水和层级微槽超疏水表面的冷凝换热特性,探究表面微纳米结构和各向异性润湿性对冷凝液滴动力学行为和换热性能的影响。研究发现,层级微槽超疏水表面同时存在低过冷度下(ΔT<5 K)多个小冷凝液滴(<100μm)的合并弹跳和较宽过冷度范围内(ΔT<12 K)槽内变形大液滴(400～500μm)的受迫弹跳。而且,槽内受限生长的大冷凝液滴会在Laplace压力差的作用下爬升至槽道顶部形成悬浮液滴,构成层级冷凝模式,有效抑制了高过冷度下的泛液冷凝,强化了滴状冷凝换热。低过冷度下液滴的合并弹跳和弹跳液滴诱导的扫除以及高过冷度下合并诱导的扫除和悬浮液滴的脱落等多种表面刷新方式使层级微槽超疏水表面具有最佳的滴状冷凝换热性能,并消除了槽道各向异性润湿性对滴状冷凝换热的影响。然而,槽道的各向异性润湿性显著影响微槽疏水表面的滴状冷凝。槽道结构增加的换热面积,槽内液柱的滑落和对相邻凸台上液滴的扫除与跨槽大液滴脱落相结合,提高了表面刷新频率,使竖槽方向微槽疏水表面的冷凝换热性能明显优于光滑疏水表面。但横向槽道消除了槽内液柱的滑落,并阻碍跨槽大液滴的脱落,不利于刷新表面,导致横槽方向微槽疏水表面的冷凝换热性能比光滑疏水表面更低。