关键词： 光滑粒子流体动力学   核梯度修正   激光选区熔融   表面张力   并行计算  

摘要： 金属激光选区熔融(Selective Laser Melting,SLM)工艺是一种重要的3D打印技术,其成形是涉及多尺度多物理场的复杂非线性过程。通过实验手段很难直接观察到SLM成形过程的具体物理现象,因此迫切需要发展可靠的数值模拟手段揭示SLM成形过程中热流固耦合作用机理。现有网格类数值模拟方法都存在一定的局限性:拉格朗日网格方法主要用于热应力模拟,难以考虑熔池流动,欧拉网格方法主要用于熔池流动的模拟仿真,难以追踪运动界面。光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)等无网格方法能够自然追踪自由表面和运动界面等,在增材制造模拟仿真方面具有特殊优势。本文提出一种模拟SLM成形过程的高精度SPH方法,以期为我国增材制造工艺和过程仿真提供一种有效的途径。具体工作和研究内容如下:(1)发展高精度、稳定和守恒的SPH数值模型。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离散形式。研究守恒的高精度SPH方法,通过对称化的方法,发展守恒的核函数梯度修正(Kernel Gradient Correction,KGC)技术,解决传统KGC技术的不守恒问题。研究SPH粒子均匀化化技术,通过引入粒子位移技术(Particle Shifting Technology,PST)和X-SPH技术,提高SPH方法计算的稳定性和精度。(2)发展模拟SLM成型过程的高精度SPH方法。引入连续表面张力(Continuous Surface Force,CSF)模型,通过光滑曲率的方法提高CSF模型在模拟小尺寸熔池剧烈流动问题时的稳定性,发展适应于单相流的表面力转化为体积力的方法,提高CSF模型的计算精度;引入高斯热源模型和材料熔化本构模型,建立模拟熔池流动的改进KGC-SPH方法;通过数值算例验证改进KGC-SPH方法模拟SLM成形过程的准确性和有效性。最后,基于改进的高精度SPH方法研究激光功率和扫描速度等工艺参数对SLM成形质量的影响,研究发现在相同的模拟条件下随着激光功率增加孔隙变少但金属飞溅增加和表面质量降低,随着扫描速度加快金属飞溅减少和表面质量提高但孔隙变多。(3)发展模拟SLM成形过程的基于GPU并行的三维SPH方法。研究三维高精度SPH方法的并行计算框架,开发基于CUDA的SPH方法并行代码及程序;比较研究三维CSF模型和曲面重构表面张力模型,选取稳定的表面张力模型。通过数值算例验证三维SPH方法,并基于数值模拟仿真分析SLM成形过程,研究激光间距等工艺参数对多道SLM成形质量的影响,研究发现在相同的模拟条件下,随着激光间距增加金属飞溅减少但表面质量降低。

关键词： 平衡态液滴   表面张力   Young-Laplace方程   接触角   切向拖曳力  

摘要： 在很多工业领域应用中,液滴在毛细力作用下附着在纤维上,如滤纸式空气过滤器中的气液分离过程、质子交换膜燃料电池中水滴在气体扩散层中的渗透过程。所以研究纤维与液滴之间的相互作用是一个热点话题。本文基于图像识别并通过数学分析和试验的方式,对纤维上的静态液滴受力进行了深入的研究,为今后的动态液滴受力分析做好铺垫。本文的主要研究内容有:(1)设计搭建水平纤维上平衡态和倾斜纤维上的动态液滴试验研究系统,以获取纤维上液滴受力状况。详细介绍了试验系统的设计思路与试验系统的设计要求,在试验过程中选用不同直径的纤维与张力系数不同的液体,采取控制变量法进行试验。同时对试验系统的关键零部件进行选型,制定试验方案并对试验过程中相关参数进行了标定,建立液滴动力学模型。(2)基于正交的二维液滴图像,完成了非轴对称液滴三维模型的重构。针对液滴轮廓拍摄不全问题,通过多项式拟合方法补全液滴的三相接触线,获得了完整的液滴轮廓,借助正交的二维图像完成非轴对称液滴与纤维三维模型的重构。基于Young-Laplace方程,结合图像法去获取液滴轮廓的曲率半径、液滴表面张力所产生的压力和以及其水平分力和竖直分力。随后开展液滴表面张力标定试验,验证了三维模型重构方法的有效性。(3)基于液滴颈缩处的宽度、接触线长度以及液滴形状的变化情况,结合两个部位局部邦德数的变化情况。研究发现,液滴颈缩处的邦德数上升速度明显快于接触线处,即颈缩处为液滴受力的薄弱点。并对该结论进行验证:首先计算出液滴各部位所受的剪应力大小,然后通过三维软件呈现出液滴受力云图,结果表明液滴在颈缩处受到的剪应力最大,即液滴最先从应力最大处脱落。(4)基于Young-Laplace方程,计算出表面张力的积分力,最终得到液滴与纤维之间的毛细力。对于倾斜纤维试验,由液滴三维几何模型重构方法获得纤维与液滴之间的切向拖曳力,解决了非轴对称液滴切向毛细力试验方法问题。研究表明,表面张力积分方法显著优于接触角迟滞方法。随着纤维倾斜角度增加,液滴所受切向拖曳力增大。

关键词： 空间反应堆   液态锂   密度   表面张力   粘度   实验测量  

摘要： 空间核反应堆具有能量密度大、比功率高、不受复杂空间环境影响以及长寿命周期等优点,是未来深远探测任务的理想能源。液态金属锂是空间堆常用冷却剂,其热物性是锂冷堆开展热工水力设计的重要基础数据。为提高热工系统模型的准确性,需要在现有液态锂的热物性数据基础上加以改进完善。本文采用实验手段,系统研究了液态锂的密度、表面张力、粘度、比热容和热导率等热物理性能在200℃～650℃温度区间随温度的变化规律。同时针对上述物性的测量过程,开展了主要影响因素分析研究,从机理层面实现对液态锂关键热物性测量的探索,得到的实验数据能够完善丰富液态金属锂的热力学基础前沿物性参数。本文研究成果可为液态金属尤其是锂的基本物性的测试方法和技术提供参考,能够为研究空间环境液态金属流动与传热特性研究提供基础,为兆瓦级空间反应堆的热工水力设计提供数据支持。本文主要研究工作如下:(1)采用最大气泡压力法为实验原理,研制了一种可同时测量高温下液态金属的密度及表面张力的测量装置。利用该装置分别使用5种不同管径的毛细管对液态锂进行实验。结果显示,密度实验结果平均偏差为0.47%,表面张力结果平均偏差为0.93%,密度和表面张力均随温度的升高呈线性降低,并给出了在温度区间内的线性拟合公式。为准确测量表面张力,实验过程中气泡间隔应控制在10-15 s,使用内径为2.0 mm～2.5 mm,且内径与外径比值较大的毛细管。(2)采用阻尼扭转振荡法,并选用Shvidkovskiy计算方法,研制了一种用于测量高温液态金属的振荡杯式粘度实验装置。利用该装置使用不同直径钼丝对液态锂进行实验,分析了使用不同直径钼丝对粘度测量的影响。结果显示,运动粘度实验平均偏差为1.82%,动力粘度平均偏差为1.70%,动力粘度随温度的升高而降低,并给出了在温度区间的拟合公式,使用0.15 mm直径的钼丝实验偏差为0.18 mm直径钼丝实验偏差的1/2。(3)采用激光闪光法对测量了液态锂的比热容和热导率。结果表明,热导率平均实验偏差为1.68%,液态锂的比热容随温度变化比较稳定,热导率随温度的升高而增大,并给出了实验温度区间热导率随温度变化的二次拟合公式。在本文中计算热导率与动力粘度时候,分别使用了液态锂密度的文献参考值和本文实验值,对比发现,使用两组数据计算的结果最大偏差为0.5%,验证了本文密度研究的方法和实验装置的可靠性。

关键词： 悬滴法   表面张力   粒子群算法   遗传算法   Young-Laplace方程  

摘要： 表面张力作为液体分子引力的一种表现形式,是环保、新材料开发以及石油化工等众多领域备受关注的重要物理参量。在众多表面张力的测量方法中,悬滴法以其测量精度较高、实验过程简单易行的优点,应用日益广泛。同时,随着科学技术不断向高质量和高精度发展,悬滴法表面张力测量也面临更加严格的测量速度、精度和可靠性的要求。基于图像处理的悬滴法表面张力的测量研究,主要内容如下: (1)设计并搭建了图像采集装置和液滴表面张力测量系统。以CCD及计算机为核心硬件,以Visual C++语言和Open CV的图像处理库编写程序,从悬滴法遵循的Young-Laplace方程物理化学基本原理出发,基于图像处理技术和智能优化算法,实现了悬滴法表面张力的测量系统的开发。整个系统包括实际液滴轮廓的边缘检测以及提取实际轮廓坐标;对Young-Laplace常微分方程组的4-5阶Runge-Kutta法求解,从而绘制理论液滴曲线;构建优化训练的目标函数以及目标函数的改进;通过训练不同优化算法,最终获得表面张力测量值。 (2)图像预处理过程中,能够在试验状态下对悬滴进行高精度拍摄和轮廓边缘准确提取。对采集的液滴图像进行了不同的边缘提取算法研究,在传统的边缘提取算法流程中添加区域生长算法以及Findcontours算法对悬滴最外侧边缘轮廓进行快速提取,提高了悬滴图像提取实际轮廓的准确率。为精准还原实际液滴轮廓,进行了摄像误差纠正和多项式光滑曲线的尝试。 (3)对悬滴法测量表面张力优化过程中的目标函数进行探究。主要对比了全轮廓采样取点和等高度采样取点,在此基础上加以对取点数量及范围的分析探究,实验表明液滴轮廓取点越完整越清晰则参数寻优得到的理论曲线越贴近实际曲线。对于曲线越接近管口拟合效果越不好的现象,对控制优化的目标函数进行了加权函数的设计。通过对基本目标函数和加权函数的目标函数进行实验对比,证明了目标函数的加权进一步优化了曲线拟合效果。 (4)实现了遗传算法及粒子群算法获得悬滴法测量表面张力最优测量值,分析了粒子群算法和遗传算法在悬滴法表面张力测量过程中的最佳寻优参数的设置,并与悬滴法常用的单纯形法进行了对比研究。在实际测量过程中,粒子群算法和遗传算法不再需要选择平面法计算参量的初值,简化了计算步骤。遗传算法的计算精度与悬滴法常用的单纯形法优化算法计算精度相近,粒子群算法在三种优化算法中精度最高。通过本文对悬滴法测量表面张力中的目标函数、优化流程的改进,其相较于经典的悬滴法计算方法精度和计算速度得到了提升。

关键词： 浮选   界面纳米气泡   表面活性剂   表面张力   力学性质  

摘要： 随着矿物开采机械化程度的提高,传统泡沫浮选技术所要分离的矿物尺寸不断减小,导致微细粒分选难题突出。一般认为,气泡的纳米化对提高浮选效率具有重要意义。鉴于此,考虑到在实际浮选应用中,浮选矿浆环境的复杂性,本论文首先研究了纳米气泡在纯水体系下生成特性,包括纳米气泡最优成像参数确定、纳米气泡的识别、纳米气泡成核的影响因素、纳米气泡的机械稳定性,然后选取浮选体系中常见的表面活性剂溶液(CTAB、SDS、Trition X-100)、单一盐溶液(Na Cl)、混合溶液(SDS、Na Cl),将纳米气泡分别暴露于以上溶液中,分别研究了纳米气泡在上述溶液体系中的生成特性,包括几何特性和力学特性,最后阐明了纳米气泡在溶液化学条件下的稳定性机理,为进一步丰富纳米气泡稳定性理论和推进纳米气泡在实际浮选中的应用提供技术支持。在AFM智能模式下,高有序热解石墨(Highly Oriented Pyrolytic Graphite,HOPG)表面纳米气泡的高度随峰值力的增加而降低,结合纳米气泡表面力曲线分析,确定纳米气泡成像的最适峰值力为300 p N。从纳米气泡对气体溶解度特性响应、纳米力学特性响应、表面浸润特性响应三方面有效识别了纳米气泡,试验数据支持纳米气泡内部结构的气相本质。纳米气泡只能产生于疏水界面并且纳米气泡会优先成核在基底的粗糙区域。纳米气泡在垂直冲击力的作用下,高度发生变化但数量不变;在水平冲刷作用力的作用下,纳米气泡的数量发生变化,但几何性质保持稳定。在表面活性剂体系中,溶液替换前后,三种性质表面活性剂溶液性质保持稳定,无其他影响气泡性质的污染物。在浓度低于临界胶束浓度时,纳米气泡的高度随表面活性剂溶液浓度的增加而增加,一旦超过临界胶束浓度时,气泡高度变化不明显,甚至在非离子表面活性剂溶液中出现高度降低的情况;纳米气泡的接触角随尺寸变化不明显,具有较小的尺寸依赖性。随表面活性剂溶液浓度的变化,不同浓度阳离子表面活性剂中纳米气泡的表观硬度在0.0571-0.0248 n N/nm之间变化;不同浓度阴离子表面活性剂中纳米气泡的表观硬度在0.0444-0.0386 n N/nm之间变化;不同浓度非离子表面活性剂中纳米气泡的表观硬度在0.0240-0.0196n N/nm之间变化。在不同表面活性剂中,纳米气泡在不同浓度梯度下的表观硬度值与该浓度梯度下的几何特性变化相一致。在单一盐溶液体系中,溶液替换前后,纳米气泡的几何性质没有发生变化。在混合溶液体系中,纳米气泡的几何性质随混合溶液体系中SDS浓度的变化而变化。表面张力分析结果显示,表面活性剂溶液中纳米气泡的表面张力在56.18-16.24 m N/m之间变化,从热力学角度和能量角度以及基于表面活性剂在空气-水界面吸附平衡描述的定量关系得出,低表面张力有助于纳米气泡维持短暂稳定,但不能作为其长久稳定的机理解释。分子动力学模拟分析结果表明,表面活性剂的加入不会彻底取代固-液界面的界面气层,纳米气泡在界面气层的气体补偿和表面活性剂对气体渗透性的屏蔽作用下,稳定存在于表面活性剂溶液中。本论文共插图94幅,表格6个,参考文献102篇。

关键词： 含钛氧化物玻璃   密度   黏度   表面张力   微晶玻璃  

摘要： 随着全球对材料的研发与环境问题的持续关注,在对新型材料的探索、高炉矿渣的处理时,研究它们在高温环境下的热物理性质成为学者们的研究重点。而目前高温熔体的密度、粘度、表面张力的测量大多数是接触式的,在高温环境下,熔体会与容器壁接触,会污染熔体或者改变熔体的结构,导致测量结果不准确,也就加快了无容器悬浮技术的发展。气动悬浮技术是无容器技术其中的一种,国内的气体悬浮装置目前还没办法进行密度、黏度和表面张力的测试,而国外的设备价格比较昂贵。因此,开发一种国内自主研发的、可进行高温氧化物热物性测试的装置是很有必要的;采用同样的气动悬浮加热法制备了低SiO2含量SiO2-TiO2-SrO玻璃,通过热处理条件的调控,进一步探索和开发性能优异的极性微晶玻璃材料。主要研究内容为:（1）在课题组搭建的气动悬浮装置的基础上进行了设备改造,成功搭建出气动悬浮热物性测试的装置,可以用来进行高温熔体的密度、黏度、表面张力的测试。（2）采用气动悬浮激光加热法对LaO3/2-TiO2体系进行合成,搭建并且调试气动悬浮热物性测试装置,经过前期大量实验的探究与摸索后成功测试出LaO3/2-TiO2熔体在1400～1800℃下密度、黏度、表面张力的数据,得出结论:该熔体的黏度与温度的变化不是线性变化的,对所选的4组玻璃组分,在同一温度下作对比分析,得出组分30.8LaO3/2-69.2TiO2熔体的黏度是最大的,而且越靠近共晶点处的黏度越大;LaO3/2-TiO2玻璃熔体的高温密度随着温度的增加而降低,随着LaO3/2的增加,熔体的密度是增加的趋势,而且密度随温度变化不是线性的,在熔点下、熔点以上的区域分段拟合效果更恰当。对比4组玻璃组分的表面张力数据,发现:越靠近共晶点处的组分,表面张力越大。（3）采用气动悬浮激光加热法进行了低SiO2含量SiO2-TiO2-SrO玻璃的制备,并且通过后续热处理条件的探索来微晶化处理,通过一系列微晶玻璃的铁电畴以及电滞回线的分析,得出他们均具有微弱的压电性能,以便得到一系列具有一定压电性能的微晶玻璃,有望在电子器件方面得到应用。

关键词： 液-液铺展   铺展标度律   表面活性剂   表面张力   界面操控  

摘要： 液-液界面铺展在许多工程领域和生化过程中具有广泛的应用。浸润性可控的表面可以在刺激下实现浸润状态调节,在纳米流体、医疗领域、材料科学等方面具有重要意义。流体扩散成膜现象非常普遍,例如熔岩流动、发动机燃料输送、农业生产中的施肥施药、涂料流动、液体金属的变形、表面活性剂替代治疗等。利用表面活性剂进行浸润性调控一直是研究热点,通过表面活性剂改变体系的界面状况,从而影响其铺展、润湿和黏附等作用。因此关于活性剂溶液表面浸润现象的研究得到了广泛的关注,一直以来是物理、力学、生物等领域探索的热点。三相接触线的运动具有自相似性,铺展半径与铺展时间呈标度律幂指数关系即R～t~n,并且通过幂指数n能反映浸润过程中铺展的动力学机制。本文通过实验以及数据拟合的方法,从宏观尺度研究了以表面活性剂溶液为底液的液-液界面浸润问题,并分析了界面单层活性剂分子在液体动态浸润性变化过程中的内在机理。与以往研究的自发驱动铺展体系不同,本文通过拉压驱动液面的方式改变液滴铺展状态,建立了以正十六烷作为受驱动液滴、十二烷基硫酸钠溶液作为基底溶液组成的浸润实验体系,实现了浸润状态的动态响应。将正十六烷液滴稳定地铺展在可运动的挡板之间的液面上,通过挡板的拉-压运动,实现了正十六烷动态浸润响应。通过前期摸索,选择固定浓度的表面活性剂溶液,以此匹配最佳的正十六烷铺展状态。实验发现,当挡板向外拉伸时,正十六烷液滴向外铺展,挡板向内挤压的时,液滴向内收缩。分析表明,挡板的运动改变了液滴周围表面活性剂分子界面分布密度,从而使得铺展系数发生变化,使得液滴铺展状态发生了改变。本文并未局限于单个的液滴,也对多个液滴进行了拉-压的驱动响应实验,实现了双液滴,三液滴的浸润状态的协同。实验还表明,单液滴抑或是多液滴动态浸润响应速度与挡板移动速度呈现正相关。本文的工作在液体界面操控上给出了新的思路和手段,有望在界面组装技术方面得到应用。

关键词： 全钒氧化还原液流电池   电解液   表面张力   热力学模型   功率密度  

摘要： 全钒氧化还原液流电池（VRFB）具有能量效率高、循环寿命长、安全性高及环境友好等特点,可与太阳能、风能等新能源并网从而实现电网调峰及稳定连续发电的功能,被认为是最具有应用前景的储能技术之一。不同于其他二次电池,其电化学活性物质溶解于电解液中,这使得电解液成为VRFB能量储存及转化的核心具有重要的研究意义。 在实际应用中,VRFB的电池性能在极大程度上受电解液的体积性质、粘度及表面张力等热力学性质的影响。然而,由于高浓度钒离子之间复杂的离子相互作用致使无法准确获得随电解液各组分浓度变化的热力学数据,从而阻碍了VRFB电解液的进一步优化。在众多热力学性质中,表面张力是优化电解液的重要性质之一,可以反映电解质与电池其他组分之间的润湿性。目前,与VRFB电解液的表面张力相关的研究较少,本文对传统硫酸电解液体系中不同浓度配比下电解液的表面张力进行系统的测试从而得到表面张力随电解液浓度变化的规律为电池性能优化提供基础;并进一步根据摩尔表面吉布斯自由能（gs）的新定义式,得到了预测高浓度下三元电解质溶液的表面张力的半经验方程用以辅助电解液配方的初级筛选;除此之外,通过改进的E（?）tv（?）s方程得到了该电解液体系的E（?）tv（?）s经验参数以及吉布斯表面摩尔熵和吉布斯表面摩尔焓等热力学参数。 VRFB装机成本高一直是制约其商业化应用的重要因素,提高其工作电流密度可使电堆体积减小从而降低电堆的制造成本,此方法是降低VRFB成本的有效途径。目前,对于电解液成分的优化只基于低电流密度下进行,为此本文主要针对高电流密度下电解液成分进行设计。对传统硫酸支持电解液体系进行高电流密度下的配方优化,结果表明1 M V3.5+和3 M H2SO4的电解液配方具有较高的容量保持率,电池长循环性能更好,因此综合性能及成本优势,1 M钒的电解液是最佳选择;在1M钒浓度的电解液基础上,对硫酸-盐酸的混酸电解液体系进行配方优化,结果表明1 M V3.5+加3 M H2SO4和2 M HCl的电解液配方可在高电流密度下具有较高的效率,且混酸电解液将VRFB的使用温度上限提升至65℃,这将降低热管理系统的使用频率从而进一步降低VRFB的成本。 水系锌离子电池兼具液流电池的凭借安全性与锂离子电池的高能量密度成为极具潜力的可持续储能技术之一,本文将已开发的粘度和体积性质的热力学模型拓展应用于水系锌离子电池电解液中有助于其电解液的开发及优化。

关键词： 旋风分离器   结焦   沉积   黏附   表面张力  

摘要： 在催化裂化装置中,位于沉降器顶部的旋风分离器的升气管外壁结焦对工业生产危害极大,厘清升气管外壁结焦过程中的科学问题,合理预测并控制结焦物的增长对保障催化裂化装置的长周期安全平稳运行意义重大。 本文以炼厂常用的PV型旋风分离器为研究对象,通过增加升气管壁厚的方法来模拟结焦厚度的增长,采用实验和模拟相结合的方法,研究了结焦厚度的增加对旋风分离器的内部流场、分离性能和后续结焦情况的影响。实验结果表明,随着结焦厚度的增加,旋风分离器的压降小幅度降低,分离效率明显降低。模拟结果表明,随着结焦厚度的增加,旋风分离器环形空间的切向速度逐渐减小,轴向速度逐渐增大;筒体段与锥体段的切向速度和轴向速度变化不明显。随着结焦厚度的增加,升气管入口处的“短路流”逐渐增加,轴向速度“滞留”逐渐减小。此外,升气管外壁结焦厚度的增加一方面会减小环形空间流体微元的向心加速度,从而减小颗粒向壁面黏附的几率;另一方面会增强气流对已黏附颗粒的清除作用,抑制结焦厚度的进一步增长。升气管结构的变化会影响环形空间的流场,因此本文探究了斜板式的升气管对旋风分离器的环形空间流场、分离性能和结焦情况的影响,结果表明,在高入口气速的条件下,相比于PV型旋风分离器,斜板式旋风分离器有着略低的分离效率和更低的压降,且其升气管壁面处的切向速度梯度和轴向速度梯度更大,切向气流和轴向气流对已黏附颗粒的清除作用更强。 以180°弯管为研究对象,采用实验和模拟相结合的方法,探究了强旋流场下粒子向壁面的沉积特性及影响机制。气相模拟结果表明,弯管内部存在明显的“二次流”且上下两部分对称分布。实验结果表明,弯管内壁的颗粒沉积呈“喇叭”型,壁面粗糙度、入口气速、颗粒浓度越大,颗粒的沉积质量越大,且颗粒在“黏性”壁面上沉积时具有时间效应。气固两相模拟表明,颗粒与壁面的碰撞效率随入口气速的增大而减小,随颗粒粒径的增大而增大;颗粒在“黏性”壁面上的沉积效率随颗粒粒径的增大和温度的升高而减小;“黏性”壁面的液膜种类会影响颗粒的沉积效率;当“黏性”壁面的液膜具有反应固化的特性时,随着固化时间的增加和颗粒沉积质量的增加,液膜表面张力系数逐渐减小,颗粒的沉积与剥落逐渐达到动态平衡,此后颗粒沉积质量将维持在一个稳定的值。

关键词： 银纳米流体   表面张力   光热调控   光学测量  

摘要： 将不同材料且不同形状的纳米结构颗粒分别或同时均匀地分散在不同类型基液中所形成具有性质稳定的新型介质,这种新型介质称为纳米流体。与传统流体相比,纳米流体具有高导电性、光学性质的改变、摩擦阻力减小、高导热效率以及改变基础流体的沸点和粘度等特点。银纳米流体作为一种具有优异光热物理特性的纳米流体,其热物理参数对浓度、形貌特征、粒径等因素敏感,其中表面张力是关键的热物理参数。调节银纳米流体浓度、形貌特征、粒径等因素可以调控其表面张力,并且实时测量银纳米流体表面张力可以反馈这些因素对其表面张力的影响。因此,银纳米流体表面张力的调控和测量研究对纳米流体导热和光热应用具有重要意义。本研究探究了银纳米流体毛细上升高度的光热调控机理,并建立了倾斜板上液滴光散射法来测量银纳米流体表面张力,研究内容如下:理论上,针对银纳米流体光热调控机理的研究。基于吉布斯自由能、杨氏方程和Young-Laplace公式,推导出了毛细等效上升高度的理论公式。同时,建立了毛细上升理论和光热调控理论相结合的模型,以研究银纳米流体的浓度和温度分布。最后,结合范德瓦尔·古根海姆方程和Szyszkowski方程以预测光热调控下的银纳米流体毛细上升高度。针对银纳米流体液滴的表面张力的测量,提出了一种非接触式激光散射方法。首先基于润滑方程建立了倾斜板上液滴三维模型。其次,根据光的衍射理论推导出激光照射倾斜板上液滴产生的背向光散射条纹峰间距与液滴表面张力的关系,并对光散射模型进行理论仿真,发现结果符合实际,最后建立相对测量法测量其他液体表面张力。实验中,加热激光入射毛细管中的银纳米流体,并测量了毛细上升高度。结果发现,加热激光入射位置与弯曲液面最低点之间的距离越近,毛细上升高度降低程度越大。在光热调控下,银纳米颗粒和热量聚集在弯曲液面及三相线处,因此,温度和浓度共同调控了银纳米流体的表面张力,从而影响毛细上升高度。实验进一步连续调节加热光与弯曲液面的距离,发现毛细上升高度出现连续变化的现象,说明加热激光可以连续调节管中银纳米流体的毛细上升高度。同时,在停止加热后,毛细上升高度恢复到原高度。对于银纳米流体表面张力,运用光散射法测量了不同浓度银纳米流体液滴表面张力,并对不同浓度银纳米流体液滴的光散射条纹数据进行采集及分析。结果表明,随着银纳米流体的浓度的增加,散射条纹峰间距增加。当银纳米流体的浓度小于3.16 wt%时,其表面张力随颗粒浓度的增加而降低。颗粒聚集在银纳米流体液滴的气液表面,降低了表面能,从而导致了表面张力的降低。本研究提出了一种新的研究纳米流体光热诱导毛细效应的方法,并为太阳能和电子冷却等领域的应用提供新的思路和解决方案。通过该方法可以实现对毛细上升高度的精确控制和调节,从而提高能源利用效率和降低系统成本。此外,基于光散射场分布与液滴表面张力之间的关系,本研究还建立了一种新的测量表面张力的光学方法。该方法在纳米流体润湿领域有广泛的应用价值,可以实现对固液界面性质的准确检测和表征,为液体输送、涂覆、润滑等工业应用提供创新性的解决方案。总体来说,本研究提出的新方法和新技术为纳米流体导热研究和光热应用领域的开发提供了新思路和新方向。