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。     

毛细流动聚焦的实验方法及过程控制

作为一种基于毛细流动制备微纳尺度液滴的技术,毛细流动聚焦（Capillary flow focusing）在工程领域具有重要应用。回顾了基于吹气式和吸气式核心装置的毛细流动聚焦实验方法,展示了完整的测试平台,介绍了施加外部激励控制流动聚焦射流破碎的实验方法。同时,给出了同轴界面的拍摄方法,可获得清晰的内外层流体界面图像。在对流体锥形收缩阶段的研究中,探讨了几何参数与流动控制参数对流体锥形的形态与稳定性的影响。在稳定锥形下,研究了流动控制参数对液体射流直径、扰动波长及复合射流界面耦合的影响,并基于光的折射定律,对复合射流外层界面透镜效应所导致的内界面失真进行了修正。在对激励作用下射流破碎的研究中,考察了射流长度随振幅的变化,建立了尺度率关系,探讨了频率对生成液滴的单分散性及粒径的影响规律,为在实际应用中可控制备单分散性微液滴提供了理论与技术支持。     

吸热型碳氢燃料再生冷却性能评估方法

吸热型碳氢燃料作为吸气式高超声速飞行器的再生冷却剂,冷却剂出口温度可达到750℃以上。碳氢燃料的冷却能力和抗结焦特性指标,是再生冷却剂的关键参数。在工程应用参数范围内,建立了吸热型碳氢燃料再生冷却性能综合评估体系,实现燃料热沉、结焦和流动传热性能的综合评估。燃料热沉采用热平衡法测量。作为参考:燃料温度600℃,热沉约2.0 MJ/kg;燃料温度750℃,热沉约3.5 MJ/kg。结焦采用层流流动阻力法进行定量测量,应用泊肃叶定律计算碳氢燃料结焦前后通道的当量内径,从而得到通道内结焦层的平均厚度。流动换热性能的评估方法是比较相同出口流体温度条件下不同燃料壁面温度沿轴向的分布趋势。以上吸热型碳氢燃料评估方法的建立,为研制吸热型碳氢燃料提供了有效的初步筛选途径。     

一种高超声速稀薄流激波干扰气动热测量技术

针对高超声速稀薄来流条件下的激波干扰气动热测量问题,设计了一种适用长时间、中低热流量值(5~500 kW/m2)的带封装结构的量热计,采用空气隔热设计方式降低其侧向传热,实现了有效一维传热,延长了测试时间;并通过热流传感器标定试验,实现了热流高精度测量。为验证量热计的测量性能,开展了地面标定实验和基于双锥模型的高超声速低密度风洞激波/边界层干扰实验(M10和M12),量热计与同轴热电偶的测量结果进行对比分析。研究结果表明,本文所设计的量热计适用于稀薄来流条件下激波干扰引起的复杂气动热问题的热流测量。相比于同轴热电偶,量热计响应时间较慢,但对于较大热流,由于极大减轻了侧向传热的影响,测量精度较高。同轴热电偶对低量值热流(5~20 kW/m2)的测量性能较好,信噪比(SNR)较高。研究成果为开展高超声速低密度风洞稀薄流激波干扰气动热试验研究提供支撑。     

优化CVI反应器气体流场的可视化研究

CVI(化学气相浸渗 )反应器内气体的输运对基体的沉积速度与沉积质量有重要的影响。用一套结构简单、可操作性强的气体流动可视化设备 ,对底部进气的等温等压CVI反应器内气体流场进行了模拟研究 ,得到如下结论 :在气体入口处采用涡流器与多孔整流器 ,能消除中心射流并减小上部回流区域 ,扩大反应器的有效使用空间 ;使衬底与气体主流方向成一定的夹角 ,能有效阻止气体边界层的分离     

后台阶流中自由旋涡的稳定性

最近的实验表明用侧壁小孔抽吸可在后台阶流中捕捉到静止的分离旋涡。笔者将用理论证明,二维后台阶流中存在自由旋涡的驻定态位置,并且有中性的驻定态稳定性。还进一步证明,用侧壁小孔抽吸,可使自由涡达到真正的驻定态稳定     

带振荡上仰翼型分离流研究

对带振荡的快速上仰翼型的非定常分离流问题进行了计算研究。采用微分形式的动力学方程和积分形式的运动学方程相结合的有效方法,以及可用于有分离流动的Baldwin-Lom ax 湍流模型,精确地模拟大雷诺数大攻角下的复杂流场。依据流场的不同特点,使用分区方法进行计算,保证了计算精度,大大节省了计算时间。文中分析研究了非定常前缘强旋涡的演化过程和气动力的变化,探讨了不同上仰率和振荡频率对分离流动的影响     

浮式风力机运动形式对尾迹大尺度运动的影响

为研究浮式风力机尾迹在平台运动下的演化特征和机理,本文通过线性稳定性分析和大涡模拟方法,分析了浮式风力机在纵荡、横荡和艏摇三种形式下作简谐运动时的尾迹。利用线性稳定性理论,用周向波数表示了不同运动形式引起的尾迹扰动,预测了尾迹在轴对称和非轴对称两种理想扰动下的敏感频率。稳定性分析表明：当纵荡运动的无量纲频率在0.3≤St≤0.5时最易引发尾迹失稳;横荡和艏摇运动的最敏感频率在0.2≤St≤0.4范围内;在三种运动形式下,低频（St≤0.1）和高频（St≥1.0）扰动均不会明显增长。随后,利用大涡模拟研究了不同形式、不同频率的浮式风力机刚体运动对尾迹产生的影响,检验了线性稳定性理论预报浮式风力机尾迹失稳演化的能力,并比较了不同运动形式、频率下的尾迹动态特征。研究结果表明：在St=0.3条件下,远尾迹在风力机纵荡运动下出现交替的收张运动,而在横荡、艏摇状况下将发生侧向的蜿蜒,将对下游风力机施加较大的交变载荷;在St=0.1和St=1.0的各形式运动影响下,尾迹均未发生明显的大尺度运动,不会对下游风力机的动态载荷产生明显的影响。最后,从风力机尾迹演化的角度讨论了浮式风力机设计中应重点考虑的刚...     

开裂式阻力方向舵流固耦合机理分析

为了探究阻力方向舵开裂状态下的流场形态和流固耦合运动机理,采用计算流体力学(CFD)方法开展了不同开裂角下的二维阻力方向舵的流场计算。基于动力学模态分解(DMD)方法对各流场进行模态分解,分析了各模态的流动特征及频率变化。结果表明,在20°开裂角的范围内,机翼绕流的流场结构以开裂区内的驻涡及后缘脱落涡为主,流场各阶模态频率随来流速度的增大而增大,随开裂角的增大而减小。同时,对不同开裂角的二维翼型开展了流固耦合计算。结果表明,随着折减速度的增加,系统的流固耦合运动形式由涡致振动发展为流动失稳,系统的失稳边界随着开裂角的增大而提高。     

纳秒等离子体激励控制翼型流动分离机理研究

为研究纳秒介质阻挡放电(NSDBD)等离子体控制翼型流动分离的物理机理,采用已建立的NSDBD唯象学模型耦合非定常Navier-Stokes方程模拟纳秒等离子体对流场的作用。使用非定常雷诺平均NavierStokes方程(URANS)和大涡模拟(LES)两种求解方法,研究纳秒等离子体激励对NACA0015翼型流动分离控制。结果表明:NSDBD等离子体激励促使边界层提前转捩,转捩对控制流动分离起重要作用;NSDBD激励开始时在翼型前缘形成展向涡,展向涡促使分离剪切层失稳并最终进入尾迹,展向涡贴近壁面运动,将外区的高能气流带入近壁区,使上翼面流场结构发生变化,然后翼型前缘流动提前转捩促使流动经过一个小层流分离泡后发生湍流再附,最终在上翼面形成稳定的附着流动。