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。     

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。     

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。     

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。     

微通道中液滴和粒子的运动特性研究

微流控技术的快速发展反映了新型检测器件对微型化和集成化的要求，以及当前科学研究和工程应用逐步向多学科交叉领域过渡的趋势。其中，液滴和粒子是微流控技术中两种重要的操控对象。液滴和粒子的微尺度流动通常处于层流范围，然而尺度效应和界面效应将非线性因素引入流动，且受到通道结构、流动条件等多个控制参数的耦合影响，使得微尺度系统表现出多种复杂的流动现象。因此，从流体动力学的机理研究出发揭示微尺度流动的物理机制至关重要。本文综述了课题组近年来关于微通道中液滴和粒子运动的研究，分析了液滴/粒子特征参数的变化规律，界定了不同流动模式的分布状况及临界条件，明确了主导流动的关键参数并建立了相应的受力模型，以期探寻不同行为的操控方法。本文工作可为微尺度下复杂流动理论体系的完善及相关工程应用提供参考。     

微尺度聚合物熔体的非等温平板收缩流动数值仿真

聚合物流体的收缩流动行为是微注射成型工艺过程中影响分子取向与结构的重要因素。本文采用基于有限元求解法的通用CFD软件Fidap，结合适当的边界条件，实现了微尺度条件下聚合物熔体的4：1非等温平板收缩流动的数值模拟，所用流体粘度模型为Carrcau方程，有限元单元为4节点四边形网格。结果表明，流体下游速度明显高于上游速度，速度梯度在收缩人口处明显增大，下游压力梯度大于上游压力梯度，且最大剪切速率出现在收缩人口拐点处。将仿真结果同相关文献的结果相比较发现，仿真所得聚合物流体在收缩流动过程的速度、压力及剪切速率分布规律与其在宏观尺度下的结果具有定性一致性，而温度分布则存在一定偏差。因此，宏观收缩流动仿真研究中的控制方程及本构方程仍适用于微尺度条件下流体的等温收缩流动仿真研究，对非等温微流体收缩流动行为的研究则要对能量方程做进一步修正。     

复杂流体中Janus微马达自扩散泳特性的实验研究

Janus微纳马达在生物医学中作为药物输运的载体或在复杂工况中作为微纳机器人的动力部件具有广阔的应用前景。已有研究主要集中于Janus微纳马达在水溶液等简单流体中的运动，而对其在复杂流体中的运动机理及特性的研究仍非常缺乏。通过实验测量了直径2.06 μm的Janus球形微马达在高聚物聚氧化乙烯（PEO）溶液中的自扩散泳特性，实验结果系统描述了高聚物质量分数对Janus微马达自扩散泳速度、运动均方位移（MSD）及转动特性的影响。实验结果显示:高聚物的加入，不仅会影响溶液黏度，还会导致自驱动MSD在短时间段显示亚扩散特性，在推进段显示随高聚物质量分数改变的超扩散特性，甚至还会导致反常的微马达旋转加快现象。     

用于微流体结晶的芯片及其应用进展

近年来,微流控芯片实验室的研究得到迅猛发展,微流控芯片的出现更是将微纳流控体系推向了一个新高度。相比传统实验方法,微流体结晶技术在样品消耗量、分析速度、操作成本以及集成度等方面表现出的显著优势,使其在化学合成、微-纳米材料制备、细胞分析、药物筛选等诸多领域都获得了广泛的应用。微流体结晶作为微流控芯片实验室研究的一个重要部分,为结晶过程的研究提供了新的平台。对用于微流体结晶的芯片特点和类型进行了概述,同时总结了微流控芯片在结晶研究中的应用进展,最后对微流体结晶的发展前景进行了展望。     

Taylor-Couette流动特性与减阻实验研究进展

间隙中充满流体的同轴转子可简化为经典的Taylor-Couette流动模型,该模型具有结构简单、对称度高和便于开展高精度实验测试等特点,被广泛应用于基本流体力学问题研究.涉及Taylor-Couette流动的转轴类结构在工程领域普遍存在,开展Taylor-Couette流动特性与减阻方法研究具有重要的经济价值.本文系统...     

微重力下容器圆形倒角处的毛细驱动流

空间探索计划的需求对空间流体管理技术提出了新的挑战.流体管理设备的内角是主要的流体传输"管道",因此研究微重力下容器内角处的毛细驱动流具有重要的意义.由于设计和制造等原因,完美的尖角并不常见,而是带有一定圆角过渡的内角.笔者设计不同的带有圆形过渡内角的容器,选用10cSt硅油为实验流体介质,通过一系列的落塔实验,研究了容器内角处不同的圆角半径对毛细驱动流的影响,并分析得到了有价值的实验规律.     

基于物理模型的汽车空气动力学研究综述

汽车空气动力学涉及到绕流湍流、流动稳定性、流动分离与控制、流固耦合及噪声等复杂且基础的流体力学问题。本文梳理了国内外学者基于汽车物理模型的空气动力学研究进展，介绍了前人在气动力、流场研究、流动控制、计算和实验的对标、多车空气动力学、污染、风噪等方面取得的研究成果，分析了研究存在的不足，并对未来汽车空气动力学研究方向进行了探讨和展望。     

基于AFM胶体探针测量液固界面DLVO力及表面电势

表面电势是微纳流控芯片中流体流动的重要参数。本文介绍了基于AFM胶体探针技术测量液固界面DLVO力并进一步测量表面电势及表面电荷密度的方法。本文改进了胶体探针制作的技术手段，并提出用双探针法测量胶体探针的弹性系数。在0.1~1mM浓度范围内的NaCl溶液中，测量了硅、二氧化硅和氮化硅液固界面双电层内的DLVO力及表面电势。实验结果表明胶体探针技术可以很好地测量液固界面的DLVO力，尤其对静电力指数变化段非常敏感。通过DLVO力曲线可以间接测量表面电势、表面电荷密度等重要参数，是微纳流动及界面属性测量的有效手段。此外，在不同硅基材料表面的测量结果显示了硅烷醇基密度对表面电势起主导作用，可以通过选用不同硅烷醇基密度的材料来有效调控表面电势，从而在硅基材料制作的微流控芯片中调控电动流动的强弱。     

SiO2-水纳米流体在波壁管内流动特性的实验研究

实验研究了不同质量分数的SiO2-水纳米流体在波壁管内的流动特性,由于波壁管自身的结构特点,使流体在较小雷诺数下达到湍流状态,可以方便测出流体在层流、过渡流、湍流区的流动特性.研究发现:相同温度条件下,纳米流体的粘度随着质量分数的提高而增大;流动可视化照片显示纳米流体中由于内部纳米粒子的微运动促使流体均匀性更好;沿程阻力测试表明在层流区内摩擦系数随纳米流体质量分数的增加而增大,在过渡流和湍流区内摩擦系数随质量分数增加变化不大.     

弯曲管道内任意曲率正交曲线坐标系下的流体流动基本方程

本文基于任意正交曲线坐标系下的流体流动基本方程的一般表达式,针对内流流体力学数值分析中经常遇到的具有任意曲率S弯管情况,通过几何分析,建立了适用于矩形、圆形及椭圆形变曲率S弯管道的曲线坐标系,进而导出相应坐标系下的三维可压流体流动的基本方程。     

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。     

新型双出口合成射流激励器的流场特征研究

设计了一种新型双出口合成射流激励器,应用非接触粒子图像激光测速技术(PIV),测试了激励器出口的流场特性,包括瞬态和时均流动结构.结果表明,相比常规合成射流激励器,新型激励器一侧出口呈现为明显抽吸作用,另一侧出口流动带有合成射流流场特征,在出口下游得到一股放大了的单方向射流.新型合成射流激励器单侧出口的抽吸作用,在常规激励器基础上形成新的流体"微泵"工作机制,不仅放大了合成射流能量大小,同时实现了不同区域内流体的"定向输运",其外流场特性更加有利于边界层分离、射流矢量偏转等主动流动控制.     

激光测速技术(LDV)诞生50周年启示

回顾50年来激光测速技术(LDV)的发展过程,取得的主要成就,科学家和工程技术人员作出的重大贡献。LDV为流体力学的实验研究提供了有力的测试手段,开辟了对复杂流动精确、定量、动态测量研究的新篇章。     

岩心微流动的核磁共振可视化研究

岩心微流动可视化是研究化学驱油微观机理的一项重要流体实验新方法,重点介绍采用低场核磁共振成像技术研究天然岩心中流体分布可视化的新进展。提出和分析了国产低场核磁共振成像岩心驱替装置面临的图像不清、材料干扰等问题,通过合理选材、优化参数,从硬件和软件2方面进行了改进与优化,消除了干扰因素。开展了天然岩心的驱替实验,采集了油水的实时 NMR信号与 MRI 成像信号,以及不同驱替阶段油水的 NMR-T2谱,得到分辨率较高的油水分布图像。结果显示残余油随着驱替PV数的增加而减少,具有初期减少明显而后趋缓的特点,并发现岩心中存在端部油残滞现象,其范围距端部4mm左右。研究了通过获得的油水分布图像计算含油饱和度的方法,其结果与传统方法一致,误差在10%以内,这也说明了油水分布图像的可靠性。这不仅为计算饱和度提供了一种新方法,而且该方法的另一个优势是可以分析任意局部位置的油水饱和度。研究结果表明,在研究岩心微流动过程中流体分布的可视化方面,核磁共振成像技术是值得深入研究的新方法。     

覆盖多孔介质的圆柱减阻特性和机理研究

多孔材料由于其独特的孔隙结构,可用于声学降噪以及流动控制领域。首先,采用大涡模拟（Large eddy simulation,LES）方法,开展了亚临界雷诺数条件下有、无覆盖多孔介质的圆柱绕流数值计算;其次,对比了两种不同工况的升、阻力系数大小,分析多孔介质的减阻控制效果;最后,结合气动力以及流场结构变化,揭示出多孔介质的减阻控制机理。研究结果表明：雷诺数为5.6×10⁴,圆柱表面后缘处铺设位置角为270°的多孔介质时,减阻效果可达到8.53%。由于多孔介质表面具有渗透性,一方面可提高多孔-流体交界面处的滑移速度,稳定圆柱表面的分离剪切层,降低涡脱落频率;另一方面,流体穿过多孔介质可产生类似微射流的作用效果,增强分离区圆柱表面的压力,降低圆柱上下游的压力差,从而显著减小圆柱表面的总阻力。     

低压下V形火焰稳定器后回流区流动特性研究

本文用双通道热线风速仪对低压下V形火焰稳定器后回流区流动特性进行了实验研究,获得了局部平均速度、素流强度、雷诺应力等参数的分布情况。实验表明,与常压比较,低压下回流区范围有所缩小,回流流量相对降低,雷诺应力普遍下降,紊流尺度略有增加,从流体力学方面为分析低压下稳定器的燃烧性能提供了新的依据。