关键词： 渗透水流   测压管   渗透压力   稳定计算  

摘要： 根据测压管观测资料不仅能反应出闸上游段的防渗效果和下游逸出点的反滤效果,而且能为闸在运行期间的安全稳定验算提供可靠的数据。本文根据观测成果分别绘出了水闸上游和下游水位与渗透压力曲线,进行了测压管渗透压力特征分析和水闸安全稳定计算。对利用测压管观测成果,分析水闸的运行是否安全稳定具有一定的现实意义。

关键词： 压痕   弹性微梁   表面张力   椭圆柱压头   解析解  

摘要： 压痕技术除被用于块体材料的性能测量,也被广泛用于软材料薄膜和微尺度材料的性能测量.随着材料尺度减小,表面效应对压痕接触问题中的力与变形发挥着重要作用.本文从理论上研究了椭圆柱压头作用下弹性微梁的平面压痕问题.针对具有表面张力影响的微尺度梁,通过求解表面压力分布和法向挠度满足的微分控制方程,获得了接触区域内外的表面压力和表面位移的解析解,解中的待定系数由接触区尺寸、压痕深度所决定.结合微梁在均布载荷下的变形解和Betti功互等定理,求解了不同测量力下的接触区尺寸和压痕深度,实现了弹性微梁压痕问题的解析求解.理论分析了表面张力、椭圆压头参数、微梁尺寸参数等对压痕问题中力与变形的作用规律.该研究有助于了解微尺度材料压痕行为中的表面效应,为相关压痕测试技术提供参考.

关键词： 表面张力   智能手机   居家实验   Matlab边缘检测   悬滴法  

摘要： 本文基于智能手机和Matlab软件设计了一种居家环境下可实现的悬滴法水滴表面张力测量实验.借助智能手机拍照功能获得水滴图像,利用Matlab进行边缘检测及计算,从而得出表面张力系数.对于不同清晰度的情况提出了对应的分析和处理方法,实验结果表明该方法稳定可靠.为后疫情时代开展居家大学物理实验教学提供了一个典型案例.

关键词： 降膜流动   传热   表面张力   计算流体力学   换热器  

摘要： 固体表面上的液膜流动是生活中的常见现象,如玻璃窗上的雨水流动和外掠圆管的降膜流动等,它们受到重力、表面张力和电磁力等的驱动。该问题涉及流体动力学、界面科学、传热和传质等多个领域。本文研究了由重力驱动的液膜(降膜)流动及传热问题。数值模拟是研究降膜流动传热问题的重要方法,在揭示物理机制方面发挥着重要作用。表面张力模型对降膜流动传热的数值模拟结果影响显著。目前,文献中数值研究普遍采用连续表面力模型(Continuum surface force model,CSF)来计算表面张力,尚未对其他表面张力模型的适用性进行研究,并缺乏机理性解释。因此,探究表面张力模型对降膜流动数值计算结果的影响,对今后该领域的研究具有指导意义。本文研究了光滑竖直平板、水平圆管、水平椭圆管以及水平圆管脉动降膜流动在不同表面张力模型下的降膜流动和传热特性。主要研究结论如下:(1)在光滑竖直平板上,重力驱动的薄液膜流受到表面张力的影响,如果忽略表面张力,液膜容易发生飞溅而非连续稳定地流动;在入口段,两种模型均可获得自由铺展的完整液膜,但CSF模型下的液膜流动速度稍快,液膜层会出现高频低振幅的规则波动;在发展段,两种模型下的液膜从平滑表面逐渐变为波动表面,并出现孤立波的迹象,但没有形成稳定的孤立波,两种模型下的液膜形态开始有较大差异,液膜层有低频高振幅的不规则波动;在稳定段,两种模型下的液膜都呈现正弦波状,并具有陡峭前端和延长尾部。两种模型下的液膜形态比较相似。液膜层有更低频更高振幅的复杂波动,大波中叠加小波。(2)在水平圆管降膜流动和传热中。表面张力对水平管上的重力驱动的薄液膜流有重要影响,它可以限制液膜的扩散和促进液膜表面的变形,如果忽略表面张力,液膜会飞溅而不是稳定连续地流动;在液膜上、下停滞点附近,CSF和连续表面应力(Continuum surface stress,CSS)模型都能够模拟出相似的液膜轮廓,而没有表面张力会使得液膜严重失真;CSF和CSS模型都能够反映出水平管降膜的流动特征,包括悬滴、柱颈缩或颈缩断裂、膜厚度、涡流、液膜分离以及速度分量等;CSF和CSS模型下的水平管上的时间平均膜厚度没有显著差异;在传热特性方面,发现随着液膜流量的增加,局部传热系数也随之增加,且对管道上半部分的影响更显著;此外,忽略表面张力的计算会高估传热系数,特别是在液膜流量最小时;CSF和CSS两种模型均能较好的计算降膜流动传热,特别是在液膜流量大的情况下(Г=0.284 kg·m·s)。(3)在水平椭圆管降膜流动和传热中。液膜厚度从进口处开始逐渐变薄,没有表面张力会使得液膜厚度变大;CSF和CSS模型计算的液膜厚度有一定差异,但都能反映表面张力对降膜流动过程的影响;当椭圆管长短轴比增大时,液膜在上下滞止区停留的时间缩短,导致液膜积聚时间缩短,液膜厚度减小,从而使得局部传热系数增大,特别是在θ=20-180°附近;CSF模型和CSS模型都能体现椭圆管的壁面换热情况,但有一定差异。(4)在水平圆管脉动降膜流动和传热中。忽略表面张力会导致整个圆周上液膜厚度的减少,特别是上滞止区附近;在液膜流量较小时,CSF和CSS模型均能反映出管外脉动降膜流动下的液膜流动特性。随着液膜流量的增加,CSF模型下脉动降膜流动和稳定降膜流动计算的液膜厚度值比较吻合,而CSS模型情况下,稳定降膜流动下的液膜厚度值偏高;在降膜传热特性方面,低液膜流量时,CSF模型的计算结果比CSS模型好,但在液膜流量较大时,两者没有差别。

关键词： 煤层注水   表面活性素   响应面优化   表面张力   润湿性能  

摘要： 由于采煤机械化程度和开采强度越来越高,煤矿井下开采过程中粉尘量不断增大,导致煤矿井下粉尘污染问题日益加剧。而煤层注水作为主动式防尘技术,一直是国内外常用的粉尘防治措施,但由于煤层孔隙率低、煤的亲水润湿性差等原因,致使煤层注水降尘的效果并不理想。本研究基于微生物表面活性素能够有效地乳化和降低水的表面张力这一特性,采用实验与数值模拟相结合的方法,通过菌株活化培养、响应面优化发酵条件、表面活性素的提取以及煤尘的润湿特性与微观结构分析,明确了表面活性素强化煤尘润湿性能的机理。进一步,利用数值模拟分析了煤层注水过程中添加表面活性素强化煤层润湿性能的效果,并探讨了微生物表面活性素强化煤层注水润湿性能实践应用的可行性。研究的主要成果如下:（1）通过响应面优化法,以发酵液表面张力为响应值,确定了影响枯草芽孢杆菌发酵液表面张力的显著因素为:（NH4）2SO4、温度和p H,预测出的最优发酵条件为:（NH4）2SO4 0.216 g,p H=6.812,温度=27.13℃,预测的发酵液最小表面张力为32.423 m N/m。验证实验的结果为32.05 m N/m,误差仅为1.15%,证明模型预测值较为可靠。经过响应面分析,温度和p H两种因素的交互作用对发酵液表面张力有显著影响,（NH4）2SO4与其他两种因素均没有显著交互作用。采用最优发酵条件培养后,用酸沉淀-萃取-旋蒸的方法对表面活性素进行提取,最终的产量达到0.58 g/L,较优化之前的产量（0.40 g/L）提升了45%。（2）根据煤尘的润湿特性实验结果,表面活性素溶液的临界胶束浓度为38 mg/L,对应的表面张力值为27.3 m N/m,接触角为55°;而化学表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（SDBS）的临界胶束浓度为120 mg/L,对应的表面张力值为29.4 m N/m,接触角为56°。虽然两种表面活性剂在临界胶束浓度下的表面张力和接触角较为接近,但表面活性素的用量仅是SDBS的3.17%。煤尘沉降试验中,表面活性素溶液润湿的煤粉在沉降水面上无煤粉残留,沉降时间比SDBS缩短36.4%;毛细反渗透实验中,表面活性素溶液持续的反渗透时间更长,反渗透高度比SDBS提高15.7%,约是水的反渗透高度的9倍,而反渗透高度与界面表面活性剂分子吸附量密切相关,单位时间内其在固-液界面处形成的表面活性剂分子数量越多,与煤之间吸附的效果越好,结果表明,表面活性素能够有效促进亲水基团定向排列,降低水的表面张力,增强水溶液对煤尘的润湿效果。（3）微观结构分析表明,表面活性素分子含有较多的亲水性含氧官能团,经表面活性素溶液润湿的煤样,-OH、C-O等含氧官能团大幅增多,与原煤相比,SDBS润湿后煤样的-OH、C-O峰面积分别增加了104.8%和132.7%,而表面活性素溶液润湿后的煤样-OH、C-O峰面积分别增加了114.6%和159.3%,这些亲水基团能够有效地吸引水分子向煤分子迁移从而达到润湿煤尘的目的。经表面活性素溶液润湿的煤尘颗粒之间黏附致密性更好,松散煤粉能够胶结团聚成较大块状,表明表面活性素对细颗粒粉尘的沉降能够起到很好的控制作用。（4）数值模拟结果表明,添加表面活性素注水可以有效增大煤层注水润湿半径,强化煤层注水润湿效果。静压注水数值模拟结果显示,当注水压力分别为1 MPa和2 MPa时,添加微生物表面活性素后,注水的有效润湿半径分别扩大了77%和93%;动压注水数值模拟结果显示,随着注水压力的增大,注水的有效润湿半径呈先快速增加后缓慢增加的趋势,注水压力应控制在6 MPa,同时,随着注水时间的延长,煤层平均孔隙水压逐渐增大,且添加表面活性素注水的煤层孔隙水压始终大于添加SDBS和水。当注水8d时,无添加煤层注水的有效湿润半径仅为1.8 m,添加SDBS的有效湿润半径为5.6 m,而添加表面活性素的有效湿润半径达到了6.8 m,相比于SDBS提高了21.4%,是注入纯水的3.7倍。

关键词： 电子器件   胶装工艺   自组装   表面张力   接触角  

摘要： 电子器件的薄板常采用胶膜进行组装，为了保证器件的正常工作，胶装过程中薄板与基底的对中要求很高，甚至达到微米级别，单纯利用销孔机械定位难以达到装配精度。胶装过程中，胶膜在烘箱中熔化，胶水渗透到薄板定位孔与基底定位销，利用销孔间隙中形成的液面表面张力，自动调整薄板的位置进行组装。本文利用仿真模型，具体分析销孔壁面的亲疏水性对自组装的影响，结果表明，销孔中一个是亲水性、另一个是疏水性，有利于装配的自组装，而销孔都是亲水或疏水，表面张力会导致销孔定位偏差。

关键词： Rayleigh-Taylor不稳定性   格子Boltzmann方法   非混相不可压缩流体   雷诺数   阿特伍德数   初始扰动   表面张力  

摘要： 瑞利-泰勒(Rayleigh-Taylor,RT)不稳定性作为流体不稳定性的一种,广泛的存在于自然科学以及工程实际中。本文采用基于相场理论的格子Boltzmann模型对细长通道内的多模RT不稳定性进行了数值模拟。首先研究了在较小Atwood数情况下,雷诺数对不混相不可压缩流体的多模RT不稳定性的混合界面演化以及气泡与尖钉的振幅、速度、演化后期加速度系数的影响,结果表明在中高雷诺数时,多模RT不稳定性的演化分为指数增长阶段、非线性阶段和湍流混合阶段。在第三个阶段,RT不稳定性在演化后期诱导界面发生了剧烈的拓扑变化,进而界面发生破裂且混合界面中出现了大量的离散液滴,此时的不稳定性发展到了湍流混合阶段。本文也统计了演化后期的气泡与尖钉的加速度系数,能够得到在演化的后期混合层确实会存在着二次增长,并且气泡与尖钉的加速度系数值分别稳定在0.022和0.025。而在低雷诺数时,RT不稳定性的多模扰动先发生合并形成单一模态,随后相界面动力学行为与单模RT不稳定性情形相类似,表现为重流体和轻流体相互渗透的层流状态。此外,本文还研究了在高雷诺数(Re=10000)时阿特伍德数、界面处初始扰动的放大系数与波长以及表面张力对于多模RT不稳定性演化的影响。数值模拟结果表明,Atwood数对多模RT不稳定性有着显著影响,随着Atwood数的增大,尖钉与气泡的演化越来越不对称,并且尖钉的振幅以及加速度迅速增大,然而气泡的加速度系数基本维持在0.025±0.005,这个趋势与前人实验结果相吻合,并且在不同Atwood数下气泡与尖钉的加速度系数满足实验所测得的量化关系。对于初始扰动的影响,数值结果显示,初始扰动的放大系数和波长的增大对不稳定性的发展能起到一定的促进作用,但是对演化后期的混合层二次增长(演化后期加速度系数来描述)几乎没有影响,表现为失去了对初始条件的记忆的自相似性。对于表面张力,增大表面张力会使得相界面中的离散液滴数目更少,界面混乱程度更低。另外,表面张力对于演化后期的增长大体上表现为先促进后抑制的趋势。

关键词： 两高行业   碳核查   实测法   皮托管   超声流量计  

摘要： 两高行业的碳排放是国内温室气体排放的主要来源，为了研究两高行业碳排放核查方法，通过对国内四种主要碳排放核查方法进行对比分析，重点对碳排放实测法进行理论研究，针对烟气流量测量的两种仪表S型皮托管和气体超声流量计的流速测量原理和碳排放总量计算原理进行理论研究，提出实测法更有利于碳排放数据的量值溯源，为国内碳排放量的可测量、可核查、可报告模式建设提供了技术支撑，碳排放核查方法的研究有利于国家节能减排的实施及双碳目标的实现，对优化资源配置，建设节约集约型经济发展模式具有重大意义。

关键词： 淀粉基表面活性剂   表面张力   表面活性   乳化性能   洗涤性能  

摘要： 传统的表面活性剂来自于石油化工,而石油是不可再生能源,并且会产生很多环境问题,以天然廉价的淀粉为原料来制备表面活性剂成为新的趋势。本文以木薯淀粉为原料,通过湿法制备了十二烷基二甲基甜菜碱淀粉基表面活性剂（BS淀粉基表面活性剂）、十二烯基琥珀酸酐淀粉基表面活性剂（DDSA淀粉基表面活性剂）及十二烷基二甲基甜菜碱改性DDSA淀粉基表面活性剂（BS-DDSA淀粉基表面活性剂）,并对三种淀粉基表面活性剂的制备工艺、性能及洗涤应用进行了研究。本论文的主要研究结论如下:***淀粉基表面活性剂的最佳制备工艺:BS-12添加量为40%、尿素添加量为3%、Na2Si O3添加量为1%、反应温度为85℃、反应时间为20 min。在此条件下BS淀粉基表面活性剂的表面张力为25.11 m N·m-1（固含量2%,25℃）、粘度为4958 cp（固含量5%,25℃）、乳化率为100%（固含量5%）。***淀粉基表面活性剂的最佳制备工艺:DDSA添加量为5%、p H为10、反应温度为45℃、反应时间为120 min。在此条件下DDSA淀粉基表面活性剂的表面张力为11.28 m N·m-1（固含量1%,25℃）、粘度为46.27 cp（固含量1%,25℃）、取代度（DS）为0.012、反应效率（RE）为42.22%。***-DDSA淀粉基表面活性剂的最佳制备工艺:BS-12添加量为30%、BS-DDSA催化剂量为5%、反应温度为90℃、反应时间为30 min。在此条件下BS-DDSA淀粉基表面活性剂的表面张力为23.58 m N·m-1（固含量1%,25℃）、粘度为1827 cp（固含量3%,25℃）、取代度（DS）为0.023。4.通过对三种淀粉基表面活性剂的性能测试,得到以下结果:DDSA淀粉基表面活性剂的表面活性最好,BS-DDSA淀粉基表面活性剂次之;DDSA淀粉基表面活性剂的乳化性最好,BS淀粉基表面活性剂次之;BS-DDSA淀粉基表面活性剂的耐盐性与耐酸碱性最好,BS淀粉基表面活性剂次之。BS淀粉基表面活性剂和BS-DDSA淀粉基表面活性剂与十二烷基硫酸钠（SDS）复配后有协同增益作用。BS淀粉基表面活性剂为胀塑性流体,DDSA淀粉基表面活性剂与BS-DDSA淀粉基表面活性剂为假塑性流体。相比于常用表面活性剂十二烷基苯磺酸钠（LAS）、SDS、十二烷基二甲基甜菜碱（BS-12）,这三种淀粉基表面活性剂的表面活性、乳化性能更好,粘度更高。5.通过偏光显微镜、FT-IR、SEM、XRD对淀粉基表面活性剂及木薯淀粉进行表征,得到以下结果:和木薯淀粉相比,DDSA淀粉基表面活性剂的XRD、偏光十字特征没有明显变化,BS淀粉基表面活性剂与BS-DDSA淀粉基表面活性剂的晶型由A型变为V型、偏光十字消失;SEM表明淀粉颗粒表面形貌产生一定的破坏;FT-IR表明淀粉基表面活性剂引入了新的基团。6.淀粉基洗衣液的制备及性能研究:当洗衣液总量为100 g时,LAS、BS淀粉基表面活性剂最佳添加量分别为1.1、4.4 g,此时的去污系数（S）为1.81;LAS、DDSA淀粉基表面活性剂最佳添加量分别为2.2、3.3 g,此时的S为1.71;LAS、BS-DDSA淀粉基表面活性剂最佳添加量分别为2.2、3.3 g,此时的S为1.74。

关键词： 氟表面活性剂   表面张力   氧乙烯基   磷酸酯   磺酸酯  

摘要： 含氟表面活性剂（Fluorinated Surfactants）是一类疏水链段含有氟原子的特殊表面活性剂,相比于普通碳氢烷基链的表面活性剂,其具有更优秀的表面活性、高化学稳定性与热稳定性,氟原子很强的电负性与适当的原子半径起到对碳链的屏蔽作用,使得表面活性剂的化学稳定性更好,可以应用于不同酸碱盐浓度与高温的严苛环境中。在近些年有着很大程度的发展。非离子氟表面活性剂为在溶液中不发生解离或电离的表面活性剂,相比于离子型氟表面活性剂,其表面活性要稍弱,受溶液盐浓度、温度和酸碱性的影响较大,也无法像离子型表面活性剂在解离后表面活性基团由于静电作用从而均匀分散。 因此本文首先合成出全氟聚醚磷酸酯阴离子氟表面活性剂,其结构类似于天然磷脂分子结构,生物相容性很好。详细探究其合成过程中醇解磷酸化实验与水解实验的工艺条件,选择不同磷酸化试剂和加料工艺得到最佳方案,解决了磷酸化试剂易吸水潮解造成的加料问题,并首创出简单的含氟磷酸酯表面活性剂的纯化方法,主要原理是无机磷酸盐在特定pH值范围时在某些溶剂的溶解性质不同,达到分离出产物中磷酸杂质的效果,经过热重与表面张力测试,纯化后的产物热稳定性有提高,产物中活性成分增加表面活性有了提高,均说明纯化过程是有效且必要的。之后以全氟己基乙醇聚氧乙烯醚与磷酸化试剂的用量比例、不同氧乙烯数的全氟原料为变量,实验得到的最佳产物的原料比例为3.4:1,全氟聚醚的聚氧乙烷链数为5,其产物的磷酸单双酯比例为5.2:1,其水溶液临界胶束浓度CMC为0.0011 mol/L,最低表面张力γcmc为17.13 mN/m。 含氟磷酸酯表面活性剂的表面活性与润湿效果虽然十分优异,但其在环境中分解后会产生氟化物与磷酸盐物质,磷酸盐会造成水体的富营养化对环境有一定的影响,同时其热稳定性性能稍差。因此在上一章的基础上,将磺酸酯基团引入全氟己基聚氧乙烯醚分子结构中,含氟磺酸酯相比含氟磷酸酯表面活性剂有着更高的表面活性和更好的热稳定性。实验分别选择氯乙基磺酸钠法和羟乙基磺酸钠法两种不同的磺酸酯合成方法,比较了不同工艺条件、反应物用量和不同氧乙烯的全氟原料对产物性能的影响,发现使用羟乙基磺酸钠法得到的产率较高,原料比例为1:1.2,全氟聚醚的聚氧乙烷链数为5时的产物表面活性最优,其水溶液的临界胶束浓度CMC为9.9×10-4 mol/L,热稳定性以及在聚四氟乙烯板上的润湿性能都要好于磷酸酯产物。 实验最后得到结论:不同反应物比例的含氟聚醚磷酸酯产物中磷酸单双酯的比例不同,当产物中磷酸单酯含量较高时产物的表面活性要更好一些,含氟聚醚的聚氧乙烷链段长度会影响分子的亲水性,过长或过短都不利于形成紧密排列的胶束聚集体结构。本文对不同系列的阴离子氟表面活性剂的合成与性能进行探究,对其实际生产及应用有着一定的参考价值与指导作用。