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。     

"微纳流动与复杂流体"专刊简介

正二十一世纪初"微流控芯片""基因工程"等高新技术的兴起促进了微纳流体力学的发展。经典流体力学早期就开展了"低雷诺数""多孔介质"等低速、小空间尺度流动的研究,但微纳流动研究的空间或粒子的尺度更小,在一纳米至百微米范围,流动介质涉及细胞液、乳浊液等复杂流体。因此,微纳流动和复杂流体的研究具有了介观尺度的特性和更强的应用背景,需要流体力学、统计物理、化学、材料科学、生物学等多种学科的有机融合。《实验流体力学》适时推出"微纳流动与复杂流体"专刊,初衷是"为促进交流,希望向非力学专业(如化学、生物等)相关领域的学者们介绍微纳流动研究的前沿进展"。     

剑南春纳米图谱揭示健康之谜

纳米基因图谱与健康之谜剑南春集团公司花巨资从国外引进世界先进的纳米级分析仪器——原子力显微镜,并率先使用原子力显微镜对包括中国名酒剑南春在内的多个国家名酒进行“微观非均相性分布现象”研究。发现每一种白酒在纳米尺度上的微观形态都有明显的特征,这些特征构成了各自的纳米图像。鉴于各种酒所具有     

微流控芯片技术在血细胞变形和流动性分析研究中的应用进展

近年来，随着微流控芯片技术的快速发展，微流控芯片在生物医学研究领域得到了广泛关注。由于其具有高通量、高灵敏度、集成化、低消耗及可控化等诸多特点，为在多细胞水平研究细胞迁移和分选动力学提供了新的技术平台。利用微流控芯片微通道结构设计灵活的特点，可在实验条件下模拟正常的生理和病理条件下的复杂血管；其微米尺寸的微通道也适于单细胞引入、操纵及检测。因此，用微流控芯片技术在单细胞层面对细胞生物力学性能表征也引起了广泛关注。以健康和疾病中的血细胞为例，从单细胞变形、流动、黏附、机械疲劳等力学性能表征到多细胞迁移及分离动力学等方面归纳目前微流控芯片技术在细胞力学分析和表征方面的研究进展。     

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。     

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。     

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。     

不同微结构超疏水表面的光热防除冰特性（英文）

超疏水光热防除冰表面作为一种新兴的防除冰手段，在防除冰领域具有巨大的应用潜能。本研究通过数值模拟和物理实验相结合的手段研究了不同微结构超疏水表面的光热防除冰特性。基于有限元模拟，得到了纳米颗粒的粒径、种类、体积分数、涂层厚度及微纳复合结构表面的结构参数对表面光热转化效率和升温效果的影响。另外，考虑了微柱和微锥两种微纳复合结构，数值结果表明微纳复合结构具有更好的光热特性，微锥结构的光热特性最好。同时，详细讨论了微结构尺寸参数，如特征尺度和高宽比，对表面吸收率与光热转化效率的影响。光照升温和融冰试验结果表明制备的超疏水光热表面能够实现高效的光热转化和防除冰功能，最优结构的表面在一个太阳光照条件下的温升可以达到45℃。本研究的研究工作可以为防除冰材料的优化设计提供参考。     

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。     

数字图像相关方法在土木测试领域中的实验研究

针对传统接触式测试方法(如电测法等)在土木工程领域中的局限性,开展了数字图像相关(Digital image correlation,DIC)方法在该测试领域的应用研究.采用橡胶带的拉伸实验来验证DIC方法的测量精度,具体的实验测试内容包括:基于空域和频域相结合的混合相关法,开展了建筑膜材的双轴拉伸实验,测量了膜材的力学参数;基于仿射变换的相关迭代法,开展了钢管混凝土框架梁柱连接模型的转角测量与分析实验,测量了加强环式连接的弯矩转角关系;基于时间序列DIC和高速摄影成像技术,开展了自由振动状态下拉索模型的动力学参数识别的实验研究.实验结果验证了这一新型检测手段用于测试建筑材料及结构的力学性能的可靠性与精度.     

Steady-State Cornering Properties of a Non-pneumatic Tire with Mechanical Elastic Structure

Mechanical elastic wheel(ME-wheel)is a new type of non-inflatable safety tyre,and the structure is significantly different from traditional pneumatic tyre.In order to investigate cornering properties of ME-wheel,experimental research on mechanics characteristics of ME-wheel under steady-state cornering conditions are carried out.The test of steady-state cornering properties of ME-wheel at different experimental parameter conditions is conducted by test bench for dynamic mechanical properties of tyre.Cornering property curves are used to analyze the steady-state cornering properties of ME-wheel,namely the variation tendency of lateral force or aligning torque with the increase of side-slip angle.Moreover,evaluation indexes for cornering properties of ME-wheel are extracted and the effect of different experimental parameters(including vertical load,friction coefficient,and speed)on cornering properties of ME-wheel is contrastively analyzed.The proposed research can provide certain reference to facilitate structure parameters and cornering properties optimizing process of ME-wheel.     

空腔内旋转流动LDA整场测量及实验Re数恒定方法

空腔内的旋转流动常常涉及二次流、旋涡破裂等复杂问题。在整场流动实验测量中 ,必须长时间保持恒定工况。目前文献中的作法一般是采用高精度的恒温水域 ,但系统复杂、控制精度受限制。笔者介绍了一种根据实测温度调频变速保持实验Re数不变的方法。实验表明 ,该方法简单易行 ,并能将流动在长时间内高精度地保持在同一工况Re数内。最后给出了采用这种方法的整场和旋涡破裂区域内速度分布的LDA测量结果。     

基于层析原理的湍流火焰三维测量综述

实现对湍流火焰的三维测量是人们长期追求的目标之一。近十年,随着高速相机、激光、数值算法的高速发展,高时空分辨的三维燃烧诊断成为可能。对基于层析原理的三维燃烧诊断技术的发展与应用现状进行综述:首先介绍层析技术的原理以及相关算法的发展情况;其次对实现三维层析燃烧诊断的测量系统进行综述;再次,按照光学信号的分类,分别介绍层析技术结合发射光谱、激光诱导荧光、阴影/纹影、Mie散射等进行三维燃烧测量的应用情况;最后,从实际应用的角度出发,对层析三维燃烧诊断技术的发展提出展望。     

复合材料舵翼面静力加载方式研究

随着新材料及新工艺的不断发展,复合材料以其低质量高力学性能的优势,被广泛应用到各种飞行器结构中.本文主要针对 C/C、C/SiC 等复合材料舵翼面静力试验的加载方式进行了调研,发现拉式及压式杠杆组合加载的方式较为常用,而且早期国外的研究中,就对压式杠杆中载荷橡胶垫的力学性能进行过专门描述     

纳米ZnO/PEG/PET复合材料的原位聚合制备及其性能

通过原位聚合制备了纳米氧化锌颗粒增强不同添加量和分子量的聚乙二醇（PEG）与聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）共聚物的复合材料。研究了纳米粒子在基体里的分散,以及纳米粒子和PEG对复合材料结晶行为的影响。结果显示,纳米粒子在基体中以纳米尺度分散起晶核作用。PEG的加入使得纳米粒子分散更加均匀,PEG分子链段改善了PET分子链的柔性,由此导致复合材料的冷结晶温度降低,结晶速率提高。研究发现,当添加10％分子量为4000的PEG时,复合材料的结晶速率快速提高。复合材料的力学性能结果说明,纳米粒子对PET基体有增强增韧作用,但PEG会弱化该作用。     

添加型聚酯复合材料阻燃性能及力学性能研究

研究了几种阻燃剂对聚酯复合材料阻燃性能及力学性能性能影响。结果表明 ,阻燃剂的种类及含量对材料阻燃性能及力学性能有显著影响 ,多种阻燃剂同时使用能产生协同阻燃效果     

压电智能结构的实验研究

在复合材料表层铺设压电元件，利用压电元件能够实现力学量和电学量之间相互转化的独特性能，可将其用作传感器和驱动器，赋予材料和结构传感及动作的能力。本研究的压电材料采用锆钛酸铅压电陶瓷，基体材料采用玻璃纤维－环氧树脂复合材料，与外部信号采集和控制系统结合，构成了智能结构实验系统。本文对这一系统的损伤诊断和损伤主动控制功能进行了实验研究。该结构一方面可对冲击、过载等可能造成损伤的原因进行监测，并诊断裂缝、连接松动等损伤的产生和位置，另一方面还可自适应地驱动结构中的压电驱动器，改善结构应力状态，防止损伤的扩展。     

航空发动机地面试验激光燃烧诊断技术研究进展

为了研究湍流燃烧基础问题和改进实际燃烧装置性能,基于激光的燃烧诊断技术已发展成为当前发动机湍流燃烧实验研究的主要测量工具。在已发展的激光燃烧诊断技术中,每种技术都有其局限性和适用范围,需要根据发动机模型燃烧室内部流场测量的要求和特点,选择合适的激光诊断技术。在温度测量中,相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）技术主要用于单点温度测量,单脉冲CARS谱测温不确定度优于5%;高时空分辨温度场的测量需要采用双色平面激光诱导荧光（PLIF）测温方法,但其测温精度通常也会相应降低。在速度测量中,粒子成像测速（PIV）技术适用于低速流场速度的精细测量,羟基分子标记测速（HTV）技术适用于高温超声速甚至高超声速流场的速度测量,HTV测速不确定度可优于4%。在组分浓度测量中,主要采用自发拉曼散射（Spontaneous Raman Scattering,SRS）和PLIF技术进行主要组分和中间反应物的浓度分布测量。本文对航空发动机湍流燃烧温度、速度、组分浓度等参量的高时空分辨测量所涉及的激光燃烧诊断技术的基本原理、研究现状和发展趋势进行综述。     

Electroaeroelastic Modeling and Analysis for Flow Energy Piezoelectric Harvester

An electroaeroelastic model for wind energy harvesting using piezoelectric generators is presented.The flow field is mapped in detail.The force which the fluid flow exerts on the generator is formulated.The output voltage levels generated from the mechanical strain within the piezoelectric elements are determined.An analytical model is developed with consideration of the interactions between the fluid,solid and electric.Various analytical results are obtained,such as flow velocity contour and pressure contour for the flow,moving trajectories,stress contour and output voltage of the harvester.A prototype is fabricated and tested.The simulation result is close to the experimental result.The model developed in this paper can predict the performance and behavior of different energy harvesters.And it also can be used as a design tool for optimizing the performance of the harvester.     

剪切流场中分散相液滴行为研究

目前乳化液破乳机理研究领域对剪切流场作用下分散相液滴行为的研究仍存在一些需要解答的问题.通过设计内外筒反向旋转剪切实验装置,结合数字图像处理技术,从实验角度进行了系统研究.实验数据显示液滴在剪切流场中发生三维力学变形,通过提出液滴形变非仿射度和综合变形度的概念,对液滴变形规律及其机理进行了相应的实验及理论探讨.同时,通过新颖可靠的测量方法,探索了液滴变形过程中内外流场压差的变化规律,数据显示液滴内外压差变化显著,且影响液滴形态.此外,还对剪切流场中液滴的变形过程进行了数值模拟,结果与实验及理论符合较好.提出了一套系统的液滴模型描述方法,为今后精确液滴变形形态数学模型的建立打下基础.