关键词： 物理化学实验   表面张力   表面吸附   思政教学设计  

摘要： 设计融合知识、技能和思政育人为一体的具体可行的教学方案是实施专业课思政教学的基石。最大泡压法测定溶液的表面张力实验原理复杂、数据繁多又分析难度较大。通过课前线上预习活动弥补了课上学时紧张的缺点,并拓宽了学生视野和增强感性认知。课上通过启发和问题式教学方法注重知识和技能的传授,训练学生的科学思维方法。优化了实验数据处理方法,使数据处理更为简便准确,克服了学生对实验数据处理的畏难情绪。实验教学设计的各环节形成良好的闭环,提高了学生的成就感。以期为高校教师和学生提供参考帮助。

关键词： 氟醚表面活性剂   磷酸胆碱   表面张力   临界胶束浓度   泡沫   接触角  

摘要： 磷酸胆碱是一类两性型表面活性剂,在生物领域被广泛应用.当把它的疏水部分由碳氢链段替换为含氟链段时,磷酸胆碱表面活性剂的界面性质会呈现出明显差异.将含氟链段引入到磷酸胆碱中丰富了它的种类拓展了它的应用.本工作合成了一种氟醚磷酸胆碱表面活性剂,在含氟链段中插入氧原子,使含氟链段更加多样化.对氟醚磷酸胆碱的表面活性、泡沫性能及润湿性能进行了一系列探究,实验结果表明,氟醚磷酸胆碱具有低表面张力、泡沫性能好、可在聚四氟乙烯(PTFE)上润湿等优点,是一类具有良好应用前景的表面活性剂.

关键词： 硝化纤维素   塑化条件   增塑剂   塑化效果   表面张力  

摘要： 硝化纤维素(NC)广泛应用于各种发射药和推进剂之中。塑化是其加工过程中一项重要步骤,塑化效果的好坏对发射药和推进剂质量起着至关重要的作用。目测法作为目前应用最为广泛的塑化效果评判方法,只能定性的描述塑化效果的好坏,受测试者经验影响较大,具有局限性。如何表征塑化效果是发射药成型工艺亟待解决的问题。NC塑化过程受溶剂、增塑剂(含能和非含能)、塑化时间的影响,这些因素均会导致NC样品表面特性的变化。故本文提出采用表面张力作为表征塑化效果的特征参数,并与其力学性能进行对比分析,以此判断其塑化效果。主要研究内容如下: (1)溶剂对NC表面张力影响的研究 采用吊环法研究了五种溶剂(丙酮(ACE)、乙酸乙酯(EAC)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、二甲亚砜(DMSO))对三种含氮量(12.14%、12.80%、13.45%)的NC溶液和薄膜表面张力的影响,结果表明NC溶液表面张力与NC含氮量成反比;进而研究了三种非含能增塑剂(邻苯二甲酸二丁酯(DBP)、邻苯二甲酸二辛酯(DOP)、D-樟脑)对三种含氮量的NC溶液表面张力的影响,结果显示表面张力与增塑剂加入量成反比;溶液与薄膜的表面张力还与溶剂表面张力、分子量和极性有关。研究了EAC、四氢呋喃(THF)、ACE和醇酮(乙醇和丙酮1:1)混合溶剂塑化后NC表面张力,结果表明ACE塑化的NC在60 min时出现最大表面张力44.60 m N/m;其余三种溶剂均在90 min时出现最大表面张力43.50 m N/m、40.75 m N/m及40.56 m N/m。 (2)增塑剂对NC表面张力影响的研究 采用热力学分析研究了含能增塑剂(硝化甘油(NG)、硝化三乙二醇(TEGN))对三种含氮量(12.14%、12.80%、13.45%)NC热力学影响,结果表明含氮量12.14%NC放热温度高(207℃),放热峰宽;相同氮量下,NC/NG比NC/TEGN放热温度低;采用三液法研究了NC/NG和NC/TEGN塑化后的表面张力,结果表明NG与TEGN对不同含氮量的NC表面张力影响不同:含氮量较低时(12.14%),NC/NG表面张力较大(45.93 m N/m),含氮量较高时(13.45%),NC/TEGN表面张力较大(45.63 m N/m)。非含能增塑剂的种类和加入量对NC塑化后表面张力有一定影响,加入5%D-樟脑能够使NC最大表面张力出现时间缩短至60 min,DOP及DBP对NC塑化效果影响相对较小。 (3)塑化时间对NC表面张力影响的研究 采用三液法研究了不同塑化时间对NC表面张力的影响,结果表明三种含氮量的NC在90 min时有最大值40.9 m N/m、43.7 m N/m和42.04 m N/m;采用拉伸测试研究了12.80%NC力学性能,结果表明其拉伸变化情况与表面张力保持一致,均在90 min时有最大值;采用SEM,研究了塑化对NC形貌的影响,结果表明不同含氮量NC塑化后截面SEM有着较大区别:12.14%NC截面呈层状,层面较平整,光滑;12.80%的NC截面呈取向排列内部有明显的纤维结构;13.45%的NC内部无纤维状结构,具有孔隙。 以上研究表明,表面张力可作为评判塑化效果的特征参数,对NC塑化过程中的增塑和塑化效果进行初步判断。

关键词： 数字化   理实一体   表面张力   流体力学  

摘要： 本文以表面张力讲授为例，在流体力学授课中采用理实一体化教学模式，应用虚拟仿真、数值模拟、AI助教助学等数字化方法，通过多元化教学评价，实现了知识、能力和价值的同向同行，为流体力学课程教学改革的实施提供建议和思路。

关键词： 生物表面活性剂   稠油   降黏   不动杆菌   表面张力  

摘要： 随着石油工业的发展,稠油油田的开发依旧是石油开发领域的重点难题,有效降低稠油黏度是提高稠油开采效率的关键。相对于物理降黏法的高能耗和化学降黏带来了一系列难以解决的环境问题,微生物降黏技术以其价格低、无污染、注入工艺及采出液处理简单等优点越来越受到重视。其中,基于生物表面活性剂产生菌的微生物降黏技术,降黏潜力大、环境友好、采出液不需特殊处理,是目前广受关注的环保型降黏技术。 本文在一株已筛选出的具有石油烃降解能力的不动杆菌Acinetobacter sp.D2的基础上,以探究其产表面活性剂特性和稠油降黏性能为目的,通过单因素实验研究菌株产表面活性剂发酵液的最佳碳源和氮源;对培养条件的p H值、温度、盐度三个方面进行菌株产表面活性剂最佳发酵条件研究,并观察菌种发酵动态。通过傅里叶红外光谱对菌株表面活性产物进行类型鉴定,并研究了其理化性质（临界胶束浓度、乳化活性和稳定性）。最后以辽河油田稠油为例,探讨菌株D2产表面活性剂的降黏效果和应用潜力。论文取得的主要研究结果如下: （1）菌株D2产生物表面活性剂的最佳碳源是正十六烷,最佳氮源是硝酸铵。筛选出的最佳发酵培养基为:正十六烷5 m L,硝酸铵1 g,Na Cl 10g,KH2PO41g,K2HPO41g,Mg SO4·7H2O 0.5g,Ca Cl20.02g,Fe2（SO4）30.05g,蒸馏水1000m L。优化后的发酵培养基的表面张力值比在优化前降低了45.5%。该菌株合成生物表面活性剂最佳发酵条件为:p H值为8,温度为30℃,盐度为10g·L-1。在优化后的条件下,菌株发酵液表面张力值比在优化前降低了17.5%。该菌株生物表面活性产物的最佳发酵时间是4～8天,并在发酵过程中产生了酸性物质。 （2）菌株D2的表面活性产物为脂肽类化合物,其临界胶束浓度是180mg·L-1,能将水溶液的表面张力降低至28.1m N·m-1;其水溶液对不同乳化对象的乳化能力为:柴油>液体石蜡>原油,以柴油作为基底的乳化系数(EI24)为54.3%,具有较好的乳化活性;该生物表面活性剂在15～65℃、3～12 p H值、0～20%盐度的范围内均具有较好的稳定性和较高的表面活性。 （3）菌株D2表面活性产物对稠油的最佳降黏体系为:菌株发酵液加入量为稠油体系的60%(生物表面活性剂含量为0.81g·L-1),盐度为稠油体系的2%,反应温度为60℃,反应时间为48h。最大降黏率可达55.56%,降黏能力较好。对菌株D2的发酵液与稠油相互作用后的稠油样品进行族组分分析,以及与低黏原油相互作用后的原油的气相色谱分析。结果表明:加入发酵液作用后的原油中,烷烃被有效降解;芳烃和沥青质含量也有所减少,说明菌株D2不仅能对稠油有效降黏,还能在原油降解中发挥重要作用。

关键词： 光滑粒子流体动力学(SPH)   移动固-液相变界面   结冰   液滴撞击   表面张力  

摘要： 过冷大液滴（SLD）撞击飞机表面异常结冰,是结冰引起飞机安全事故的重要原因之一。SLD撞击飞机表面结冰的过程包含液滴撞击固体表面和凝固结冰两个过程,联合两个过程进行研究才能充分揭示飞机表面异常结冰的内部机理。利用SPH方法处理流体结构大变形和多相界面追踪的优势,开发数值计算模型,对液滴撞击固体表面和凝固结冰的整个过程研究。利用N-S方程离散问题域,利用相变-潜热模型作为相变的判断准则,确立相变前锋的位置,相变前锋位置的粒子通过液相到固相的转变,结合耦合动力边界条件,构建相变移动固-液界面模型。利用相变移动固-液界面模型对Stefan问题进行数值验证,表明该模型具有非常高的准确性和稳定性。 利用建立的模型对液滴撞击冷板的问题进行了数值计算,与实验进行了对比,吻合度非常高。系统研究了气-液界面间对流换热对结冰过程的影响,研究表明,冻结前期热量的耗散以固液导热为主,后期气-液界面的对流换热逐渐发挥重要作用。利用气-液界面间的无量纲导热系数q*gas和液体-冷板间的无量纲导热系数q*plate的比值,构造了无量纲参数k,当无量纲数k变化趋于稳定,即k'趋于0时,相变移动界面呈现水平状态,之后出现了中间低两侧高的界面形状,固-液间导热随着结冰高速的增加而减弱,能量耗散的主导地位逐步被削弱。 针对液滴斜撞击冷固体表面的问题,主要研究撞击角度和冷板倾斜角度对结冰过程固-液相变界面演化过程的影响,研究表明两者均会影响液滴相变移动固-液界面形状。随着液滴撞击角度和冷板倾斜角度的增加,相变移动固-液界面会呈现出从弧状到斜坡状的演变过程,相变移动固-液界面形状演变成的斜坡坡度会随着角度的增加而增大,其中冷板倾斜角的作用是持续性的,影响更大。 本文构建的的基于SPH方法的相变移动固-液相变计算模型,研究复杂条件下的液滴碰撞结冰问题具有非常强的适用性,为飞机结冰问题研究提供了新的思路和方法。

关键词： 格子Boltzmann方法   多相流   表面张力   力项格式   改进算法  

摘要： 近年来,数值模拟技术飞速发展,已经逐渐成为与理论分析、实验研究并列的科学技术探索研究的新范式。多相流在工业生产、医疗、航空航天等领域有着广泛应用,对人们的生活产生着深切影响。多相流的数值模拟是格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)最成功的应用之一。基于自由能理论的化学势模型在复杂流体模拟的应用场景具有独到的优势。表面张力是多相流模拟中的一个重要物理量,对研究和解释各种界面行为具有重要意义。为了使模型能够有效调节表面张力,本文提出了力项格式改进算法与表面张力调节算法。研究内容主要包含以下两个部分: (1)通过三阶C-E分析,提出了化学势模型力项格式改进算法,使模型的表面张力能够自由调节。力项格式是连接非理想力与碰撞流动步的桥梁。首先研究了EDM格式与Guo-Zheng-Shi格式的关系及特点,并通过多弛豫C-E分析,确定了化学势模型在使用EDM格式的压力张量。对压力张量进行分析得到了EDM格式稳定性更好并且产生初始表面张力的原因。然后,通过对比两个力项格式的优缺点,提出了力项格式改进的方案。方案在Guo-Zheng-Shi格式的基础上,采用多弛豫碰撞步添加附加项的方式对二阶矩进行修改,达到改变压力张量的目的,进而消除EDM格式的初始表面张力。最后,将改进格式应用到化学势多相模型进行了模拟验证。模拟结果表明,在多相流模型中采用改进格式计算时,模型满足热力学一致性并且具有良好的稳定性。表面张力系数为0时初始表面张力接近于0,虚速度在一个较小的范围且模型满足伽利略不变性。 (2)通过压力张量分析,提出了化学势模型表面张力调节算法,使表面张力可线性调节并且基本不改变界面宽度。应用了改进格式的化学势模型表面张力可以由表面张力系数调节,但是当表面张力系数增大时,表面张力非线性增加并且界面宽度变化过大。因此我们通过分析压力张量,提出了新的表面张力调节算法。使用新的表面张力调节算法,模型不改变热力学一致性,满足Laplace定律。表面张力可以线性调节,界面宽度几乎不改变,并且气液密度变化较小,验证了表面张力调节与弛豫时间的无关性。通过了椭圆液滴震荡的验证,震荡周期符合理论解。进行了动态液滴模拟,在液滴撞击液膜的模拟中观察到高雷诺数、高韦伯数的模拟中会产生更细长的溅射液膜和更多的二次液滴。在液滴撞击壁面的模拟中可以观察到不同润湿性壁面对应的反弹结果。

关键词： 光滑粒子流体动力学   表面张力   液滴碰撞   液滴热驱动  

摘要： 液滴运动问题在自然界、日常生活和工农业生产中广泛存在,例如在能源动力工程、航空工业、海洋工程等领域都有重要应用,研究液滴运动具有重要的实际意义和科学价值。液滴运动的研究手段主要包括实验、理论和数值模拟。实验手段难以观测到液滴运动过程中具体物理现象,且物理量的测量较为繁琐,甚至部分实验实现困难且成本昂贵。液滴运动具有高度的非线性,采用理论分析只适应于较为简单的情形。数值模拟是分析液滴运动和揭示液滴运动中的相关机理的关键手段。现有液滴模拟的数值模拟方法主要有欧拉网格类方法和无网格粒子类方法,其中欧拉网格类方法占据主导地位,然而,欧拉网格类方法在界面处理上需要采用特殊的界面处理技术。 光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)方法是一种拉格朗日型无网格粒子方法,它能够自然地处理自由表面和运动界面,在液滴运动数值模拟方面具有特殊优势。本文发展一种模拟液滴运动的改进的SPH模型,实现液滴运动过程中数值模拟仿真,并开发相关代码及程序,以期为液滴运动数值模拟仿真提供一种有效的途径。本文的研究内容和具体工作如下: (1)介绍SPH方法基本理论与方法,基于积分近似和粒子近似得到控制方程的SPH方法离散形式。提出改进表面张力切向力项,发展高精度和稳定性的改进CSF(Continuous Surface Force,CSF)模型,同时引入KGC(Kernel Gradient Correction,KGC)、PST(Particle Shifting Technology,PST)和X-SPH等修正技术,进一步提高了SPH方法在模拟液体运动的计算准确度和稳定性。 (2)基于改进的CSF模型,引入接触角模型,建立考虑浸润性的液滴碰撞模型。通过光滑曲率的方法,进一步提升SPH方法在模拟液滴碰撞等液滴运动的稳定性。通过多个数值实例验证改进后的SPH方法在模拟液滴动态过程中的准确性和可靠性。最后,基于考虑接触角的改进CSF方法模型,结合相关边界处理,建立碰撞与浸润的完整过程的SPH模型。研究分析碰撞速度、壁面润湿角以及液滴的不同物理性质对液滴碰撞过程的影响。 (3)本文提出一种模拟受热梯度驱动的液滴热蠕爬运动的热流耦合SPH模型,实现液滴在温度梯度下平板上的自发运动模拟仿真。通过与实验结果的对比分析,验证改进SPH模型在模拟温度梯度驱动的热液滴运动时的有效性和准确性。基于SPH方法开展不同物理参数下的热蠕爬数值模拟仿真研究,分析不同粘度系数、润湿角等对液滴热驱动运动的影响。

关键词： 十二烯基琥珀酸酯-羧甲基复合改性淀粉   表面张力   黏度   乳化性能   洗涤性能  

摘要： 随着生活水平的提高,人们对洗涤用品的安全性能要求越来越高。以淀粉为原料制备的淀粉基表面活性剂具有无毒、无污染、易生物降解等特点,是表面活性剂工业一个重要的发展方向。 本文以木薯淀粉为原料,通过干法制备了十二烯基琥珀酸酯淀粉（SSDS）、湿法制备羧甲基淀粉（CMS）和十二烯基琥珀酸酯-羧甲基复合改性淀粉（SSDS-CMS）,并对三种淀粉的制备工艺、性能及洗涤应用进行了研究。本论文的主要研究结论如下: ***的最佳制备工艺:木薯淀粉质量为50 g、十二烯基琥珀酸酐（DDSA）添加量为6 g、反应时间为2 h、反应温度为70℃、催化剂添加量为0.3 g。在此条件下制备的SSDS的取代度（DS）为0.0384、表面张力为42.08 m N·m-1（固含量1%,25℃）、黏度为30.03 m Pa·s（固含量1%,25℃）。 ***的最佳制备工艺:一氯乙酸钠添加量为30%、氢氧化钠添加量为11%、反应温度为75℃、反应时间为3 h。在此条件下制备的CMS的DS为0.215、黏度为618 m Pa·s（固含量1%,25℃）。 ***-CMS的最佳制备工艺:以DS、表面张力、黏度为考察指标,选取了三种较优工艺的SSDS为原料制备三种SSDS-CMS,分别为A1B1C3D1复合改性淀粉、A3B1C3D2复合改性淀粉、A3B1C2D1复合改性淀粉。A1B1C3D1复合改性淀粉的DS为0.160、表面张力为42.52 m N·m-1（固含量1%,25℃）、黏度为373 m Pa·s（固含量1%,25℃）;A3B1C3D2复合改性淀粉的DS为0.168、表面张力为38.97 m N·m-1（固含量1%,25℃）、黏度为369 m Pa·s（固含量1%,25℃）;A3B1C2D1复合改性淀粉的DS为0.170、表面张力为43.08 m N·m-1（固含量1%,25℃）、黏度为356 m Pa·s（固含量1%,25℃）。 4.对SSDS、CMS、SSDS-CMS进行FT-IR、XRD、偏光显微镜、SEM表征,FT-IR表明SSDS、CMS、SSDS-CMS引入了新的基团;XRD表明SSDS、CMS、SSDS-CMS的结晶度降低;偏光显微镜表明SSDS具有偏光十字结构,CMS、SSDS-CMS的偏光十字减弱,通过SEM发现CMS的表面较为光滑,SSDS、SSDS-CMS颗粒形貌产生一定的破坏。 5.对SSDS、SSDS-CMS进行了表面张力、黏度、乳化性能测试,得到以下结果:SSDS、SSDS-CMS在酸性条件下表面活性较好,p H为8时黏度最大;无机盐能提高SSDS、SSDS-CMS的表面活性;SSDS、SSDS-CMS分别与十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基苯磺酸钠（LAS）、对甲基苯磺酸钠（SPT）、十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）四种表面活性剂复配具有协同增益的作用。SSDS、SSDS-CMS的表面活性随温度升高而增大,温度、无机盐和表面活性剂均降低了SSDS、SSDS-CMS的黏度。SSDS、SSDS-CMS、SDS、LAS、SPT、BS-12的溶液质量浓度为3%、4%、5%时,在油添加量小于30%时,SSDS、SSDS-CMS比SDS、LAS、SPT、BS-12的乳化性能更好。 6.淀粉基洗涤剂的制备及性能研究:当淀粉基洗涤剂总质量为100 g时,SSDS洗涤剂最佳配比:SSDS为5 g、LAS为3 g,此时去污系数为1.66;A1B1C3D1洗涤剂最佳配比:A1B1C3D1复合改性淀粉为3.5 g、LAS为4 g、SDS为0.5 g,此时去污系数为1.80;A3B1C3D2洗涤剂最佳配比:A3B1C3D2复合改性淀粉为3.5 g、LAS为4 g、SDS为0.5 g,此时去污系数为1.71;A3B1C2D1洗涤剂最佳配比:A3B1C2D1复合改性淀粉为2 g、LAS为5 g、SDS为1 g,此时去污系数为1.87。

关键词： 水下超疏油   聚多巴胺   油水分离   表面张力   不锈钢网  

摘要： 工业排放中的含油废水和海上溢油事件频繁发生,导致严重的环境污染问题。解决水油污染并实现油水分离已成为研究热点。极端润湿性材料在油水分离领域具有广泛应用前景。然而,这些材料的生产过程复杂且效率低下,耐用性也不理想。为了提高分离效率,表面改性技术提供了新思路。多巴胺作为一种优秀的表面改性材料,具有强粘附性和易制备性,但常规条件下得到的聚多巴胺对水的亲和力有限。因此,我们尝试在弱酸性条件下利用高碘酸钠氧化法,在镍钛合金表面成功制备超亲水性聚多巴胺涂层。然后,通过十八烷基硫醇的表面改性,使其转变为疏水性涂层,并进一步研究其在油水分离过程中的性能。通过一系列实验和分析,取得以下研究成果: （1）根据Young's方程和界面相互作用的粘附功理论,推导了固体表面张力与润湿性的关系公式。通过此关系式,测量出不同液体在固体表面的接触角,可以计算得出固体的表面能及其极性分量和色散分量。此外,还推导了水下油接触角与空气中水接触角的关系方程,基于Young's方程理论,从原理的角度证明了超亲水涂层具有水下超疏油的特性,为后续的研究提供了理论上的指导。 （2）对于镍钛合金表面覆盖聚多巴胺（NiTi-PDA）涂层以及经过十八烷基硫醇改性聚多巴胺涂层（Ni Ti-PDA-th）的润湿性质进行了深入研究。随着反应时间的增加,PDA涂层的平滑表面形成微/纳米突起,PDA涂层的水接触角逐渐从初始的68°下降至5°以下。通过对接触角和表面能变化的分析,我们揭示了PDA涂层表面性质的演变,并利用曲线拟合方法描述了涂层水接触角与反应时间的关系。红外光谱和X射线光电子能谱（XPS）分析结果进一步证实了PDA涂层引入了羧基和羟基等极性官能团,为其超亲水性提供了化学基础。而在PDA-th涂层中,其甲基和亚甲基基团覆盖了涂层表面的羧基和羟基等极性官能团,从而改变了其疏水性质,证明了PDA涂层具有良好的功能性。 （3）在不锈钢网（SSM）上沉积了PDA涂层与PDA-th涂层,并证明了SSM-PDA和SSM-PDA-th均可进行油水分离。通过SEM、EDS和XPS的分析,证明聚多巴胺（PDA）能够有效地覆盖在不锈钢网表面,表现出超亲水和水下超疏油的特性。在常规条件下,其在空气中的水接触角为0°,而在水下各种油的接触角均超过150°,同时表现出优异的水下抗油污染性能。油水分离实验结果显示,SSM-PDA在重力作用下即可迅速实现对油水混合物的分离,并且对正己烷/水、二氯甲烷/水、甲苯/水和石油醚/水混合物的分离效率均高达97%以上,并且具有较高的分离通量(15 L·m-2·s-1),超过了近年来报道的大多数超亲水型油水分离材料的分离通量水平。而SSM-PDA-th具有与SSM-PDA相反的润湿特性,在油水分离实验中可“通油阻水”,并且分离效率均在97%以上。经过10次分离后,两种涂层的分离效率仍为96%,具有良好的重复利用性能。