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： 饱和流体   碳氢化合物   对应态原理   表面张力   黏度  

摘要： 表面张力和黏度是流体的两个重要物理性质,二者均与温度密切相关,并随着温度的升高而降低。实际的工农业生产中,需要知道流体在具体温度下的表面张力与黏度数值,但已有的实验数据往往不够全面。因此,建立用于估计和预测流体表面张力与温度、黏度与温度的相关性模型,具有重要的理论和应用价值。目前,相关的研究方法有很多,包括密度梯度理论、密度泛函理论、神经网络模拟以及对应态原理模型等。本文基于对应态原理,提出了一个饱和碳氢化合物流体表面张力与温度的对应态模型,并提出了一个饱和流体黏度与温度的四参数模型。主要的研究内容和结果如下: 1.利用对应态原理,定义约化表面张力和约化温度,提出了一个新的可用于计算19种饱和碳氢化合物流体表面张力与温度的对应态模型。该模型要求考虑NIST数据库中物质的临界温度、最低温度以及最低温度下的表面张力值。模型还包含两个可调系数,这些系数由NIST数据库中3种碳氢化合物的表面张力数据拟合得到。为了验证新模型的适用性,将其用于预测其他16种碳氢化合物的表面张力。结果表明,在全部19种碳氢化合物中,16种碳氢化合物的平均绝对误差(average absolute deviation,AAD)小于5%,10种碳氢化合物的AAD小于1%。将新模型与文献中已知的三种对应态模型相比较,发现新模型很好的改善了三相点温度附近的预测效果,整体的预测能力也更好。 2.通过回顾表面张力与黏度的相关性模型,结合本文提出的表面张力与温度的对应态模型,提出了一种新的四参数模型来计算饱和流体黏度与温度的关系。工作考虑了 NIST数据库中的52种饱和流体,包括19种碳氢化合物,25种制冷剂和8种其他流体。计算结果表明,从三相点温度Ttr到接近临界温度TC的温度范围内,新模型能够非常准确的预测52种饱和流体的黏度数据,所有52种流体的AAD低于3%,其中,41种流体的AAD小于1%。将新的四参数模型与两个众所周知的参数模型(ARR方程和VFT方程)进行了比较,发现新模型对流体黏度表现出更为优异的预测性,特别是在高温范围内。 以上工作丰富了饱和流体表面张力和黏度的温度相关性研究。得到的新相关性模型形式简洁且预测准确度较高,具有一定的科学意义和应用价值。

关键词： 微圆管   两相流   润湿性   表面张力   盲端孔隙  

摘要： 水驱油作为一种有效且经济可行的二次采油方法,在油田开发中得到了广泛的应用。在过去的几十年里,由于向油层中大量注水,使得原油产量降低,因此了解较小孔隙尺度中的水油两相流的流动机理对残余油的回收至关重要。首先通过研究毛细现象的理论基础,进行微圆管中的水油两相流物理模拟实验,通过单一变量法观察水油流动方式的变化,其次,基于有限元法建立了封闭微圆管中的水油重力分异数值模型以及微圆管盲端中的水驱油两相流数值模型,分析了不同因素对水油两相流的影响,得到如下结论: (1)水油两相在微圆管中的流动主要受毛细管力的控制,润湿性、微圆管半径、液相表面张力这些因素的变化会改变毛细管力的方向及大小,对水油两相流造成影响。 (2)封闭微圆管的水油重力分异中,接触角过小或过大都会导致毛细管力增大,不利于水油两相的重力分异;微圆管的半径增大,使毛细管力减小,有利于油相上升。但是微圆管亲油时,微圆管底部的残余油会随着半径减小而增多;水油两相间的界面张力系数增大时,毛细管力也随之增大,阻碍了油相的上升。 (3)盲端在微圆管下方的情况下,亲水和亲油时管壁与水相的接触角越小驱残余油的效率越高;合适的盲端半径有利于提高微圆管在亲水时的驱替效率,亲油时则是半径越大效率越高;较低的注水速度有助于减少盲油相受到的剪切力,微圆管亲水时,注水速度越小效率越高,亲油时注水速度越大效率越高;水油两相界面张力越小,在亲水时会降低水驱效率,在亲油时会提升驱油效率。 (4)盲端在微圆管上方的情况下,微圆管亲水或亲油时,都是接触角越小效率越高;盲端半径的增加在微圆管亲水时不一定能加快驱油效率,亲水时则是半径越大效率越高;注水速度越大,在亲水时会提高驱油效率,亲油时反而会降低驱油效率;水油界面张力系数越小,在微圆管亲水时会降低驱油效率,亲油时会提高驱油效率。 论文重点围绕着微圆管中的水油两相流展开研究,进一步明确了不同的参数下对两相流的影响,为较小孔隙尺度上的水油两相流提供借鉴意义。

关键词： 离子液体   密度   表面张力   导热系数  

摘要： 离子液体作为一种新型绿色溶剂,具有无色透明、无味、导电率高和良好的化学稳定性等优点。但是,离子液体具有较高的粘度,限制了其在工业上的广泛的应用,而加入有机溶剂可以降低离子液体本身的粘度。目前,离子液体热物性数据稀少,所以本文测量了离子液体及其与有机溶剂混合物的密度、表面张力和离子液体二元体系导热系数,并计算了相关热力学性质,研究了不同有机溶剂的存在对离子液体密度、表面张力和导热系数的影响,为离子液体在工业领域的应用提供了重要参考。本文主要研究为: 首先,通过U型管振荡法测量了9种离子液体及其与有机溶剂混合物在常压下和温度293.15K-363.15K范围内的密度,并将测量的9种离子液体及其与有机溶剂混合物的实验值进行关联,得到其密度计算式。其中[BMIM][PF6]、[BMIM][PF6]-ACN、[BMIM][PF6]-PC、[BMIM][BF4]、[BMIM][BF4]-ACN、[BMIM][BF4]-PC、[EMIM][BF4]、[EMIM][BF4]-ACN、[EMIM][BF4]-PC的实验值和关联式计算值最大相对偏差分别为-0.018%、-0.005%、-0.017%、-0.020%、-0.008%、-0.018%、-0.022%、0.008%、-0.043%,平均绝对偏差分别为0.008%、0.003%、0.007%、0.009%、0.002%、0.008%、0.010%、0.006%、0.011%。 然后,通过毛细上升法测量了上述9种离子液体及其与有机溶剂混合物在常压下293.15K-333.15K温度范围下的表面张力,并将实验数据相关联,得到其表面张力计算式。其中[BMIM][PF6]、[BMIM][PF6]-ACN、[BMIM][PF6]-PC、[BMIM][BF4]、[BMIM][BF4]-ACN、[BMIM][BF4]-PC、[EMIM][BF4]、[EMIM][BF4]-ACN、[EMIM][BF4]-PC的实验值和关联式计算值最大相对偏差分别为0.21%、0.18%、-0.12%、0.57%、0.09%、-0.09%、-0.36%、0.13%、0.18%,平均绝对偏差分别为0.12%、0.09%、0.07%、0.27%、0.05%、0.05%、0.16%、0.07%、0.1%。 最后,通过瞬态热线法实验测量了上述6种离子液体二元体系[BMIM][PF6]-ACN、[BMIM][PF6]-PC、[BMIM][BF4]-ACN、[BMIM][BF4]-PC、[EMIM][BF4]-ACN、[EMIM][BF4]-PC在0.1MPa-12MPa、293.15K-373.15K温度范围下的导热系数。并将实验数据相关联,得到其导热系数计算式。其中[BMIM][PF6]-ACN、[BMIM][PF6]-PC、[BMIM][BF4]-ACN、[BMIM][BF4]-PC、[EMIM][BF4]-ACN、[EMIM][BF4]-PC的最大相对偏差分别为0.13%、0.03%、-0.03%、0.12%、0.14%、-0.05%,平均绝对偏差分别为0.03%、0.02%、0.02%、0.07%、0.08%、0.03%。

关键词： 镓金属液滴气泡   接触角度   铜基板   表面张力   数值模拟  

摘要： 电流体喷射打印技术,即电喷印,是实现柔性电子器件高分辨率微图案化直写打印的重要技术。相较于喷墨打印来说,电喷印是利用喷嘴与衬底之间产生的高压电场,在液体流动形成泰勒锥,后以“拉”的方式从泰勒锥顶端拉出极细的射流,其直径最高可达到纳米级。 电喷印打印的镓金属液滴在铜壁面上沉积可能会产生气泡,这种现象导致打印导线电路表面质量性能变差。所以为了研究气泡形成的原因,本文采用理论分析和数值仿真相结合的方法,对镓金属液滴撞击固体铜基板形成气泡的内在物理机制进行深入研究,以此来抑制气泡产生。首先,对电喷印打印液滴以及单/双液滴撞壁形成气泡的行为进行分析;其次,使用Ansys Fluent软件采用VOF耦合Level Set方法创建镓金属液滴撞击固体铜基板形成气泡分析模型,研究液滴和基板相关参数对镓金属液滴撞击铜壁面形成气泡的影响规律;最后,根据镓金属液滴形成气泡的影响规律,通过减小液滴静态接触角度和施加电场力进行液滴气泡抑制行为的研究,从而得出最优的液滴铺展状态。具体的研究内容和结论如下: 1.创建了镓金属单液滴撞击固体铜基板形成气泡的数值仿真模型,通过与已有接触角理论进行对比,得出模型的准确性。基于该模型探究了液滴初始撞击速度、表面张力、静态接触角度和铜基板温度对气泡形成的影响规律。结果表明:当液滴初始撞击速度从1m/s变化到5m/s时,液滴与基板之间截留空气膜形成的最终气泡大小逐渐增加;但是当液滴初始撞击速度在4m/s-5m/s时,液滴铺展出现了断裂。液滴表面张力从0.624N/m变化到0.8N/m时,液滴与基板之间截留空气膜受到其限制力影响,形成的最终气泡大小逐渐增加。液滴静态接触角度从60°变化到150°时,气泡与表面分离的趋势逐渐减弱,则最终形成的气泡也在逐渐增加;但是,在液滴在静态接触角度为60°时,气泡从液滴铺展中消失。铜基板温度从25°C变化到400°C时,液滴与基板之间的压力差和对流转换热量增加,则最终形成的气泡也在增加。 2.构建了镓金属双液滴撞击铜基板形成气泡的数值仿真模型,通过该模型与实验的对比,得出模型的正确性。该模型基于单液滴的基础上,研究了液滴初始撞击速度、表面张力、静态接触角度、基板温度和双液滴间距对液滴气泡形成的影响规律。结果表明:当液滴初始撞击速度从1 m/s变化到5 m/s时,形成的最终气泡逐渐增加;但是当速度为3-5m/s时,液滴铺展破裂。当液滴表面张力从0.5N/m变化到0.8N/m时,液滴受到其表面张力的限制力增强,最终气泡也在增加。当液滴静态接触角度从60°变化到150°时,气泡与表面分离的趋势逐渐减弱,则最终形成的气泡逐渐增加;但是在静态接触角度为60°时,气泡从液滴铺展中消失。铜基板温度从25℃变化到400°C时,液滴与基板之间的压力差和对流转换热量增加,则最终形成的气泡也在增加。当双液滴间距为10、1.380时,液滴气泡大小逐渐减小;双液滴间距为1.50、1.60时,液滴气泡大小逐渐增大;在双液滴间距为20、2.380、2.50、2.60时,液滴最终气泡逐渐减小;但是当双液滴间距在20、2.380时,铺展会出现断裂。 3.通过减小液滴静态接触角度和施加电场力方法来研究镓金属液滴气泡的抑制行为。结果得出:在液滴静态接触角度为50°、60°时,镓金属单液滴气泡与基板表面分离趋势变大,气泡在6.5ms之后溢出;镓金属双液滴气泡与基板表面分离趋势也在变大,气泡在6.5ms、9.5ms之后溢出;所以在这两个液滴静态接触角度下,液滴打印铺展才能维持较好的状态。在电场强度从0V/m变化到1000V/m时,由于麦克斯韦应力增加和电场力的作用,最终形成的气泡,随着电压的增加,逐渐减小,液滴打印铺展更加精确。

关键词： 液滴阵列   微部件   自校准   力学模型   表面张力  

摘要： 微小零件位姿的自动对准是微装配中的重要环节,随着机械电子产品的小型化,元器件也逐渐趋向小型化、薄型化的发展趋势,这对微部件的位置姿态提出了更高的要求。微小零件的位置姿态偏差,直接影响后续组装操作的质量和性能。因此快速、准确的校准方法对提高微小型零件的装配质量,提升装配效率,具有重要意义。 现有的微部件自校准方法存在的校准形状固定,适应性弱的问题,影响了自校准技术在微装配中的广泛应用。针对上述问题,本文在综述国内外研究现状的基础上,提出了基于液滴阵列的微部件自校准方法,分析了自校准机理;构建了微部件自校准过程中液桥阵列表面张力变化模型,讨论了自校准过程中非对称液桥表面张力产生的毛细回复力和力矩的求解方法;建立了自校准过程的微流体动力学模型,仿真分析了微部件在自校准过程中的液桥高度、位置(旋转)误差以及毛细回复力(力矩)的变化;求解了微部件参数、流体参数、阵列参数以及微部件位置姿态误差对自校准性能的影响;搭建实验平台,通过大量的实验证明了提出方法的可靠性。 研究和实验结果表明:根据微部件的形状尺寸合理匹配对应的液滴阵列参数,柔性适应微部件的形状变化,可以实现不同形状、不同尺寸微部件位置姿态的自动校准,满足微装配需求。与现有的技术相比,提出的方法结构简单,适应性强,可以实现大批量微部件的自动校准。

关键词： 饱和流体   制冷剂   对应态原理   表面张力   热导率   温度  

摘要： 制冷剂有良好的热物理性能和化学稳定性,被广泛应用于冷冻、空调等制冷系统,近年来受到了密切地关注。了解制冷剂的物理性质在制冷剂的工业应用、制冷剂混合物的研究等方面至关重要。表面张力与热导率是影响制冷剂传热效率的两个重要物理性质。建立表面张力与温度、热导率与温度的相关性模型,准确地分析制冷剂的相关性质,意义重大。在表面张力的温度相关性和热导率的温度相关性的研究中,常用的方法有如下几种:对应态原理、参数方程、密度梯度理论方程、人工神经网络模拟等等。本文运用了前两种方法,主要研究内容和结果如下: 1.基于对应态原理,将制冷剂的表面张力与温度进行约化,得到无量纲的约化参量。选择NIST数据库中4种制冷剂作为参考流体,利用它们的表面张力数据,建立了一个新的可用于27种制冷剂的表面张力与温度的对应态模型。该模型形式简洁,只需要3个量作为输入参量,即临界温度TC、三相点温度Ttr以及三相点温度处的表面张力值σtr。与之前的5个对应态模型相比,在27种制冷剂中,该模型给出了 12种制冷剂的平均绝对偏差(average absolute deviation,AAD)的最低值。将模型的预测结果与NIST数据库中的数据进行对比,发现这27种制冷剂的AAD值均小于11%,其中26种制冷剂的AAD小于10%,13种制冷剂的AAD小于2%。 2.搜集了 NIST数据库中28种制冷剂、12种碳氢化合物和10种其他流体的数据,基于先前的经验模型,利用黄金比率,建立了一个新的热导率和温度的四参数模型,并分别计算出了每种流体相应的参数值。该模型将研究的最高温度扩大到0.98TC左右,并在研究的整个温度范围内表现良好。模型能够以较低的误差再现上述三类流体的NIST数据。通过与NIST数据的对比,所研究的50种流体的AAD均小于1%,其中49种流体的AAD小于0.5%。 以上工作丰富了饱和制冷剂表面张力和热导率的温度相关性研究,有重要的理论价值,而且能为实际的工农业生产提供有效的数据支持。

关键词： 镓基液态金属   心跳振荡现象   电驱动   表面张力  

摘要： 镓基液态金属液滴的心跳振荡是指液态金属液滴在基底上产生周期性形变的现象,其在微流体振荡器和人造肌肉驱动等领域具有重要意义。液态金属具有巨大的表面张力,电刺激EGaIn液滴心跳振荡在非周期性刺激下比自发振荡或周期性刺激下表现出更好的可控性。但仅仅通过电压来调节EGaIn液滴心跳振荡的性能具有很大的局限性。因此,本文设计了内壁带有Ⅴ型结构的石墨环电极、具有周期性的不对称锯齿结构的基底和简易实用的铜线电极,考察了电极结构或基底结构与液态金属心跳振荡性能的关系。 研究了镓基液态金属在石墨环内的心跳振荡现象。结果表明,结合液滴极限和饱和高度理论获得最佳的EGaIn液滴大小的范围,研究Ⅴ型结构高度和液滴大小对心跳振荡的协同作用。EGaIn液滴的心跳振荡的频率可调控范围在1.87-5.26 Hz左右。首次计算了EGaIn液滴在心跳振荡时由界面张力释放所产生的动能,最高可达4732 J·m-2·s-1。 研究了锯齿型基底结构与液态金属心跳振荡性能的关系。结果表明,不对称锯齿基底结构的引入,使EGaIn液滴在铺展的同时还可向锯齿结构的凹槽中陷入。与光滑基底相比,EGaIn液滴在锯齿结构上的铺展方式更有方向性。通过调整锯齿的大小和方向,可以将EGaIn液滴的心跳振荡频率控制在2.7-4.7 Hz范围,比光滑基底上拓宽了一倍。 研究了铜线诱导镓基液态金属的心跳振荡现象。结果表明,铜线电极的位置及高度对EGaIn液滴的电水动力学现象有所影响。当铜线电极在EGaIn液滴中间时,EGaIn液滴只发生铺展行为。当铜线电极在EGaIn侧面时,EGaIn液滴可以发生心跳振荡现象,电压增大,EGaIn液滴的铺展面积越大,心跳振荡的频率越低。当电压从4 Ⅴ提升到10 Ⅴ,80μL EGaIn液滴的心跳频率从4 Hz下降到0.5 Hz左右,这是因为EGaIn液滴易于浸润铜线电极。

关键词： 表面张力   自制教具   毛细现象   创新   优化  

摘要： 新教材“液体”部分增加了新的生活化探究实验，在教学过程中，因实验器材不理想、实验现象不明显等诸多原因，教师落实的质量不高，文章尝试运用自制教具优化“液体”实验，为新课标、新教材高质量落地实施，助力赋能。

关键词： 协同排液   表面张力   冷凝传热   双层表面   润湿性  

摘要： 为了强化蒸汽冷凝传热,基于协同排液思想,设计并制备一种乳突+条纹双层结构表面:一层为超亲水乳突表面,另一层为亲水-超疏水条纹表面。在纯蒸汽环境中进行了冷凝传热试验,结果表明,条纹表面对冷凝传热过程具有一定的强化能力,当过冷度为7.0 K时,条纹表面的冷凝传热系数为光滑铜表面的1.39倍。而增加排液乳突可获得更好的冷凝传热性能,相同工况下,冷凝传热系数可提高到光滑铜表面的2.14倍。利用高速摄影仪对不同表面上冷凝液滴的形成和运动过程进行了可视化研究,并进行了受力分析,研究发现,条纹表面和乳突表面均对液滴具有一定的驱动作用,在乳突+条纹表面的综合驱动作用下,超疏水区的冷凝液滴迅速脱离,极大地降低了冷凝热阻,强化了冷凝传热。