液固界面滑移研究进展

滑移边界条件是流体力学研究中一个悠久而重要的科学问题，在微纳流控研究中备受关注。近年来，对简单流体（如水）在光滑液固界面的滑移长度的量级逐渐取得共识，而对复杂流体在液固界面的滑移研究方兴未艾。本文综述了从简单流体扩展至复杂流体的研究过程中，滑移实验研究的新的测量结果以及理论描述方法。重点介绍了近期Charlaix教授课题组采用表面力仪测量高分子电解液的滑移结果，以从介观角度理解复杂流体在液固界面的滑移及其影响因素。     

光学探针在气液两相流动局部参数测量中的应用研究

光纤传感器作为纤维光学领域中的新技术,在两相流动局部参数的测量中得到了越来越广泛的关注.为了获取气液两相流动的局部界面信息,进一步深入了解两相流动的内部机理,给出了双传感器光学探针的详细制作过程,并将制作成的探针应用于气液两相流实验研究.实验中通过压降方法与探针方法测得的空泡份额之间的平均偏差为8%,表明所制作的双传感器光学探针测量精度较高,能够应用于气液两相流局部参数的测量.进一步的实验研究表明,管内局部空泡份额沿通道径向呈“壁峰型”分布规律,并且局部界面面积浓度(IAC)的径向分布也呈现出基本相同的规律.     

微纳米尺度流动实验研究的问题与进展

微纳米实验流体力学研究的流动特征尺度在1mm~1nm范围,处于宏观流动到分子运动的过渡区。连续介质力学与量子力学这两个经典理论的衔接,提出了诸如连续性假设适用性、边界滑移等基本理论问题。同时从微纳米尺度研究界面处液/固/气的耦合,化学、电学性质对流动的影响值得关注。微纳米实验测量仪器融入了力、电等测量手段,要求测量空间精度达到nm量级,力的测量精度达到pN,时间分辨率达到ns。本文围绕连续性假设适用性、边界滑移、微纳米粒子布朗运动及微尺度涡旋测量等问题,介绍了 Micro/Nano PIV、示踪粒子流场显示等技术应用于微纳流场观测的进展与难点。目前微纳米流动测量仍然沿着经典流体力学测量“小型化”的思路开展,而纳尺度的测量期待着新的实验方法与技术的提出。     

基于电流监测法的粗糙表面微通道电渗流实验研究

制作2种 PMMA 微流控芯片,对其微通道内表面参数进行测试。基于电流监测法,设计微流控芯片电渗流检测系统。首先测量光滑微通道电渗流速度,验证了实验的可行性,并可以预测微通道的表面电势;然后对粗糙微通道电渗流进行测量;最后对比分析电场强度、溶液浓度等对光滑和粗糙微通道电渗流的影响。结果表明:(1)不规则粗糙表面微通道电渗流速度随电场强度、溶液浓度的变化规律和光滑表面微通道一致;(2)相对于光滑表面微通道,粗糙表面微通道电渗流速度明显降低;当相对微通道深度为5%时,降低幅度约为23%。(3)随着电场强度或者溶液浓度的增大,粗糙和光滑微通道电渗流速度的差距增大。所用实验方法具有直观、方便和成本低的优点。     

表面微纳结构对气-水界面稳定性和流动减阻的影响

利用压力-流量测量和流动显示方法研究了6种具有不同微纳结构尺寸的超疏水表面的减阻效果以及表面微结构形状对气-水界面稳定性的影响。实验结果表明:设计的各种超疏水表面在层流和湍流下均具有一定的减阻效果；在相同的固体面积分数情况下，微结构间距越小，减阻效果越好；在具有最小结构间距的微纳二级结构表面上实现了最大减阻率（38.6±4.5）%。流动显示观测发现:减阻率与微结构的层级、尺寸、形貌及槽道流态有关，它们均对气-水界面稳定性有一定的影响，揭示了复合微纳结构之所以能够显著提升减阻效果，是由于添加纳米二级结构减小了原有表面的固体面积分数，并提高了气-水界面的稳定性。此外，对于具有双内凹（伞状）微结构表面的微槽道，即使表面为亲水材料，也可以有效捕捉气体，形成稳定的气-水界面，从而实现超疏水性能。     

原子力显微镜的生物力学实验方法和研究进展

作为微纳尺度的力学工具，原子力显微镜技术被越来越多地应用于生物力学实验研究，推动了该交叉学科领域的发展。利用多种测量模式与改进的探针，原子力显微镜可以在液体中对亚细胞、细胞、组织等多个尺度的生命物质进行力学测量，研究其在衰老、癌变等生命过程中力学性质的动态变化。本文综述了原子力显微镜的力学测量原理、生物力学的实验方法，以及在单细胞的整体与局部、液-液相分离液滴、上皮囊泡组织等力学测量中的应用，分析了复杂流体与微纳尺度流动对实验测量的影响，并对该领域的发展进行了展望。     

机动管线气顶排空过程持液率特性的实验研究

根据钢质机动管线的结构特点，利用空气和水具有不同介电常数的性质，设计制作了双丝电容探针持液率检测装置，并用该装置对排空过程中管内的持液率进行了实测。实验发现，双丝电容探针对钢制机动管线的持液率变化敏感，可用于管线截面持液率的测量，并可通过持液率判断排空过程的主要流型。另外，管内的持液率与排气量和气压力密切相关，排气量越大，管内越容易形成段塞，且段塞内部的持液率较低，管内的平均含气率较高。相反，排气压力越大，管内出现段塞的频率和数量越少，且段塞内部的持液率较高，说明较大的排气压力可以提高管内的平均持液率，有利于接力泵的连续工作，提高排空速度。     

驻点壁面催化速率常数确定的研究

以平衡流动作为热环境估算的依据，提出了用数值求解非平衡Navier-Stokes方程和实验测量热流值确定模型表面材料催化速率常数的方法。用5组分17个化学反应Durm-Kang空气化学模型和轴对称热化学非平衡Navier-Stokes方程，对激波管中球头和平头圆柱模型绕流流场进行了数值模拟，给出了驻点热流随催化速率常数变化的分布，并根据激波管实验测量的热流值确定了表面材料Pt、SiO2、Ni和某种飞船材料的催化速率常数，建立了数值分析高焓流动边界层催化特性的软件。     

基于图像分割的两相流PIV/PTV测量技术

介绍了采用图像分割技术,将密度较低的大悬浮颗粒和高浓度的示踪粒子共存的两相流场图像进行分离(相分离),对经过分割的悬浮相图像和连续相图像分别进行PTV和PIV运算,以实现对两相流动各个相速度场的同时测量.而后将基于相分离的PIV/PTV程序应用于对液固两相冲击射流流场的实验测量,并对测量结果进行了研究和分析,从而验证了相分离程序.实验结果表明,基于图像分割的PIV/PTV程序在两相流速度场测量中具有较好的实用性.     

大型管中两相爆炸现象的实验研究

介绍了用于研究气－液和气－固悬浮流中加速火焰诱导激波现象的两套实验装置，即长９ｍ，内径０．１４ｍ，两侧装有１５套喷雾系统的水平气云火焰加速管和长１２ｍ，内径０．１４ｍ，两侧装有２０套喷粉系统的水平粉尘火焰加速管。利用上述装置，对铝粉粉尘云和戊烷气雾云两相悬浮流中火焰加速诱导激波现象进行了实验研究，用压电传感器测试管内某点的压力信号和离子探针测试火焰阵面信号，从而得到管内火焰传播规律和管内压力参数的变化规律，实验结果揭示了燃烧、流动、湍流之间的正反馈耦合关系。     

基于可压缩流体的热线探针校准风洞研制

在可压缩流体中利用热线技术进行湍流度测量时，其输出不仅与脉动速度有关，也和流体温度、密度紧密相关。因此，需要建立与高速可压缩流体特征相似的校准装置，在使用前对热线探针进行准确校准。基于亚跨声速可压缩流体，对热线探针校准风洞的气动总体方案、关键结构设计、测控处系统研制等做了介绍和说明。风洞流场校测结果表明，模型区Ma最大偏差0.002，风洞速压可以降低至常规速压的50%以下，也可增至常规速压的1.7倍以上，温度和密度调节范围宽，流场均匀性好，满足热线探针校准需求。     

一个非常规前体机身的流动显示研究

描述了有类似Ｅｒｉｃｋｓｏｎ前体的非常规机身的初步流动显示研究结果，包括测力、表面油流和激光片光流动显示结果和用层流Ｎ－Ｓ方程进行数值模拟的结果。计算和试验的参数范围：α＝０°～５０°，β＝０°～２０°，虽然计算与试验所用的外形在后部有一些不同，但是两者在涡的位置方面显示了良好的一致性。同时研究也表明，大攻角的流动特性可以通过改变机身前体形状进行控制。通过研究还表明，这类前体在改善大攻角横侧方向安定性方面具有很大的潜力。     

用电磁体积力的翼型绕流控制实验研究

研究了电磁体积力控制弱电解质溶液流动边界层的基本原理以及分析了翼型电磁激活板的绕流实验结果.电磁体积力控制弱电解质溶液流动边界层是磁场和电流相互作用产生电磁体积力作用在流体上的结果.实验结果表明:电磁力作用改变了翼型表面的流体边界层的结构,其作用与改变翼型的迎角类似.加正向电磁力,相当于减小翼型的迎角,可以抑制流动分离,消除涡街;而反向电磁力则相当于增大迎角,在翼型的背风面产生大尺度的流动分离,流场中出现复杂的旋涡结构.     

Si@SiO2/N掺杂碳复合材料的制备及电化学性能研究

提出了一种核壳结构的Si@SiO_2@NC(NC为N掺杂碳)复合材料用于改善锂离子电池硅基负极材料在充放电过程中硅的体积膨胀和导电性差而导致的容量衰减等问题。该复合材料采用氧等离子体技术处理Si纳米颗粒的表面获得SiO_2层,然后在其表面碳化聚苯胺涂层获得N掺杂的无定形碳。SiO_2中间层具有可靠的缓冲效果和良好的机械支撑,可以在充放电过程中抑制Si纳米颗粒的体积膨胀,N掺杂的无定形碳可以用作电子和Li~+的快速传输通道。与Si纳米颗粒相比,Si@SiO_2@NC复合材料的首次放电容量可达2 583.1 m Ah/g,库仑效率为81%,在电流密度为200 m A/g时,循环40次后仍然具有1 015 m Ah/g的高可逆容量。     

平板表面射流摩擦力场液晶涂层法测量与显示

为了研究剪切敏感液晶（Shear Sensitive Liquid Crystal，SSLC）涂层在不同气流速度下用于测量和显示壁面摩擦力场的能力，应用SSLC涂层对不同速度下平板表面亚声速射流的摩擦力矢量场进行了测量，对带有激波单元的超声速射流摩擦力场及其动态特性进行了流动显示。研究结果表明:在定量测量方面，SSLC涂层能够在宽量程范围内快速、高分辨率地测量射流摩擦力矢量场，可用于射流摩擦力场随射流速度的变化特性研究；在流动显示方面，SSLC涂层可用于显示超声速射流的菱形激波单元等流场结构及其动态变化特性。     

页轮干式磨削Ti6Al4V合金

进行了Ti6A14V合金锆刚玉页轮和碳化硅页轮的磨削性能试验研究，分析了磨削用量对磨削力、磨削温度和磨削表面完整性的影响。磨削力通过KISTLER9265B测力仪测定，磨削表面温度由NIUSB-621X信号采集系统测得，磨削表面形貌和金相组织由HiroxKH-7700型体视显微仪和Quanta200型扫描电镜（SEM）观察，表面粗糙度由Mahr Perthometer M1粗糙度仪测得，表层显微硬度通过HVS—1000硬度计测定。研究结果表明：页轮磨削钛合金工件表面没有发生烧伤现象，磨削热影响区厚度小于50μm，锆刚玉页轮比碳化硅页轮更适合干式磨削钛合金。     

正/零表面上自由运动的黄斑蝽三维接触力测试

研究昆虫运动时其脚掌与接触面间的接触力学规律及其附着机制,可以为多足爬行机器人的设计提供理论依据。研制的微牛级应变式力传感器,用来测试昆虫无障碍运动时与接触面间的3维接触力。对黄斑蝽在地面和垂直壁面两种状态下爬行时与接触面的作用力进行测试,分析了力的作用机理。在垂直壁面状态下,昆虫向上爬行时将身体向上推进的同时,会产生防止身体倾覆的吸附力。     

电磁控制涡激振荡的实验研究

利用电介质溶液中圆柱体侧表面附近分布的电磁场产生电磁力可有效改变流体边界层及尾涡结构。本文以减振为目标,对电磁力控制涡激振荡进行了实验研究。实验在转动水槽中进行,通过吊杆将装有电磁激活板的圆柱插在槽内液体中。吊杆上的应变片用于测试圆柱的升力,注入适当的染料用来显示流场。结果表明:对称电磁力作用下,脱体涡被抑制,从而使升力的振荡受到有效抑制,进而抑制圆柱的振动,双排方向相反的涡变为单排正负交错的涡。当电磁力足够大时,圆柱的振荡被完全消除,流场达到定常。     

气液两相流在180°弯头上T形管处相分离的实验研究

利用180°弯头上的T形管考察气液两相流的相分离行为,以加深对两相流在T形管处相分离机理的理解。以空气和水为两相流工作介质,在鼓泡流和环状流条件下,入口主管分别以垂直向上和垂直向下2种方式放置,通过改变气液入口流型和流速,考察了180°弯头上T形管处合力的大小和流型的变化,测定了该处的相分离数据。实验结果表明:入口主管垂直向上时,在鼓泡流条件下,气体主要受液体的浮力作用,液相主要受重力作用,侧支管以气相采出占优,增加气液流速对气相采出不利;而在环状流条件下,液体离心力占主导地位,侧支管以液相采出占优为主,气液两相流速增加对相分离有利;主管垂直向下时,在环状流条件下,以液体向下的离心力和重力占主导地位,侧支管中液相采出占优,增大气体流速或者液体流速,不利于液相在侧支管的采出。利用T形管处的合力大小、入口流型和两相入口动量能有效解释相分离结果的变化规律。     

基于微型压力传感器阵列的翼面压力分布直接测量系统

研发了微型压力传感器并构成柔性衬底基阵列,直接置于翼型外表面实现压力分布测量.结合传感器特性和气动测量需求,设计了压力传感器阵列恒流驱动电路和差分滤波电路,并通过LabVIEW调用所开发的MAT-LAB的应用程序实现了数据的在线处理和实时显示.结合NACA0012翼型对该测压系统进行了低速风洞实验.对其有效进行了初步验证.