润湿异性表面液滴定向运动研究进展

液滴在润湿异性表面的定向运动具有重要应用价值,如油水分离、水收集等,已成为表界面领域的研究热点.开展润湿异性表面液滴定向运动研究,对于理解固-液相互作用、开发高性能润湿异性表面具有重要意义.从楔形表面、沟槽阵列表面、亲水-疏水表面、非对称形貌表面和生物表面等角度,详细介绍了润湿异性表面液滴定向运动的最新研究进展,展示了...     

液滴撞击柔性材料表面铺展特性的实验研究

采用高速摄影与计算机图像识别技术,研究了单个液滴撞击不同厚度、不同弹性模量的聚二甲基硅氧烷（PDMS）样品表面后的动态铺展过程,获得了液滴与柔性材料表面的移动接触线直径随时间的变化规律。实验结果表明:柔性材料在撞击过程中受压变形所导致的固体材料粘性能量耗散与系统的总能量相比很小,不会对液滴的铺展过程产生明显影响;在较低的撞击速度下,柔性材料表面形成的润湿脊所导致的粘弹性能量耗散是系统能量耗散的重要因素,且随着柔性材料弹性模量的减小而增大,因此液滴撞击弹性模量较小的PDMS表面时的最大铺展系数相对较小;当撞击速度增大后,粘弹性能量耗散在总能量耗散中所占的比例降低,液滴铺展过程中的液体粘性能量耗散所占比例逐渐升高,柔性材料弹性模量对液滴铺展行为的影响逐渐降低。     

防除冰过程中的传热传质特性（英文）

通过数值模拟和实验研究了抑制冰形成的两种方法：被动的表面功能化和主动的超声振动技术。由于表面凸起的宏观结构能在液滴扩展和收缩过程中改变其形状，因此液滴撞击具有立方体、单个和交叉三角脊以及悬空棱镜等宏观结构的超疏水表面时的接触时间可以有效降低。受到超声振动的基板会形成非线性的等效剪切应力分布，从而导致撞击液滴出现不同的动力学模式，并提高了除冰性能。研究揭示了表面宏观结构和超声振动技术对抗冰和除冰的有效性，为设计和优化抗冰/除冰系统提供了潜在方法。     

水滴撞击冻结过程的数值模拟研究（英文）

利用发展起来的数值算法模拟了微尺度水滴在冷表面上的撞击冻结过程，采用格子玻尔兹曼通量求解器计算流场，应用相场方法追踪水气界面，基于焓模型确定冰水界面。通过与实验对比水滴在表面上撞击冻结过程中的外形，验证了数值方法的准确性与可靠性。本文研究水滴动态冻结过程时考虑了水滴尺度、撞击速度及冷板温度3个因素的影响。结果表明，水滴底部冻结限制了水滴在表面上铺展后的弹跳过程，可能形成帽子状的形态。水滴撞击速度增加，冰层在水滴径向上发展更快，水滴与表面间的传热增强。另外，温度控制着水滴中心的动力学过程，当表面温度更低，水滴可能会在中心出形成凹坑。通过对水滴内部温度分布情况分析可知，热流密度随着离冷表面距离的增加而降低。随着结冰增长，水滴轴线上逐渐降低的温度与冷表面温度呈非线性关系，表面温度越低，由于温差增加，冰层内部的无量纲温度变得越低。     

液滴高速撞击低温壁面的动态特性及破碎机理研究

为研究液滴撞击低温壁面的动态行为,运用高速阴影法对韦伯数（We）在533～1630之间的单液滴撞击常温壁面（22 ℃）与低温壁面（?30～?10 ℃）进行可视化试验。试验结果表明:液滴以一定速度撞击低温壁面时,会发生即时破碎和冠状破碎,二次液滴飞溅明显;但液滴以相同速度撞击常温壁面时,未出现液滴破碎现象。随着壁面温度的降低,液滴撞壁破碎所需韦伯数减小。在壁面温度为?30 ℃时,液滴撞击铝合金板的破碎临界韦伯数降低至480左右;当We < 480时,即使壁面温度低于?30 ℃,液滴也不会发生撞壁破碎。当液滴撞击常温壁面时,液滴快速铺展,并且韦伯数越大,液滴铺展和回缩的速度越大,液滴的铺展因子越大。该研究可为液滴撞击低温壁面撞壁模型的建立提供参考。     

不同液池深度下液滴撞击成泡现象

液池内液滴撞击成泡现象广泛存在,具有重要科研价值。利用高速摄像技术,测试了液滴从3~15m高度下落撞击不同深度液池时的液面成泡现象,给出了液池深度和液滴韦伯数We对撞击成泡的影响规律。结果表明:液滴撞击浅液池时,可以在撞击中心处形成1个圆泡,但撞击深液池时,则会先形成环形水泡,进而发展成1或2个圆泡,且成泡位置并不在撞击中心位置;在液滴撞击速度、液池深度、回落二次液滴等因素影响下,液滴撞击成泡现象呈现复杂的概率分布特性。     

液池深度对水滴撞击水面后形态特征影响的实验研究

用实验方法对液滴撞击液面后的形态特征及其机理进行了研究。用高速摄像机记录了不同液池深度下的液滴撞击液面过程,总结出了在不同阶段出现的液坑、液冠、中心射流和次生液滴等特征现象。基于计算机视觉算法开发了图像处理程序,实现了特征几何参数的自动提取。讨论了液池深度、韦伯数、初始液滴直径和液滴下落高度等因素对特征运动形态的影响。结果表明：在韦伯数一定的情况下,当液池深度跨越某个临界值时,液坑、液冠、中心射流和次生液滴等特征现象发生显著变化;液冠–液坑高度比随韦伯数的增大在一定范围内增大;中心射流能否分离出次生液滴与液池深度和初始液滴直径有密切的关系。     

气体渗碳中表面碳浓度增长动力学及传递系数β的研究

本文研究了气体渗碳过程中表面碳深度浓度增长动力学规律，论证了气体渗碳过程 面反应和扩散混合控制型，测定了碳传递系数β值，并讨论了β的主要影响因素。     

Ni—Cr合金与金刚石和钢基体界面微区的分析研究

利用扫描电镜X射能谱，结合金相及试验样逐层的X射线结构分析，剖析了Ni-Cr合金与金刚石和钢基体钎焊界面的微区组织结构，揭示了Ni-Cr合金对金刚石和钢基休面的浸润和钎焊机理。即在钎焊过程中，Ni-Cr合金中的Cr元素分离出在金刚石界面形成富Cr层并与金刚石表面的C元素反应生成Cr7C3，在钢基体结合界面上Ni-Cr合金和钢基体中的元素相互扩散形成冶金结合，这时实现合金层与金刚石和钢基体都有较高结合强度的主要因素。     

Al2O3陶瓷表面机械合金化制备铜涂层研究

采用机械合金化方法于Al2O3陶瓷表面制得Cu涂层,研究了不同球磨时间的工艺条件下,陶瓷表面金属涂层的微观组织形貌,并对机械合金化过程中陶瓷表面金属化的过程作了相关探讨。实验结果表明,在磨球撞击和摩擦的反复作用下,铜粉首先附着在陶瓷基体表面并填充表面的凹坑,然后在进一步球磨过程中冷焊到基体表面,最终在陶瓷表面形成Cu涂层;涂层与基体之间基本无扩散,结合机制主要为机械结合;适当延长球磨时间,有利于涂层厚度、致密度的增加。划痕法测试表明,涂层与陶瓷基体结合较为紧密且并无起翘剥落。     

激波冲击下Air/SF_6斜界面不稳定性实验研究

激波在不同密度介质上的交互作用在可压缩湍流上具有重要的基础价值。激波在界面上的作用会引起Richtmyer-Meshkov不稳定性。激波不正规折射时,流场存在更多复杂的涡。研究马赫数为1.23、1.41的激波在初始倾角β=60°的Air/SF6界面上非正规折射的情况。入射激波的切向冲击和法向冲击的相互作用,在界面处产生涡,折射波在壁面发生马赫反射。利用阴影显示技术,给出了界面演化和混合的过程。     

冲击作用下液滴在环境液体中的变形破碎行为

采用基于液-液体系的坠落实验装置对冲击作用下单个液滴在环境液体中的变形破碎行为进行了实验研究。针对高速摄影捕捉到的5种液滴典型变形破碎模式进行了定量化考察和规律性分析。结果表明,液滴初始直径、液滴与环境液体的密度比和粘度比、界面张力系数以及坠落高度等实验参数相互组合可以得到相似的实验结果,其中We数是区分液滴变形破碎模式的关键参数。进一步研究液滴变形破碎模式与无量纲参数的依赖关系发现,在1 < We < 700、0.001 < Oh < 0.005的实验条件范围内,液滴变形破碎模式与Oh数无明显依赖关系,而在We数相近情况下,液滴变形破碎模式呈现明显的相似性。     

有机凝胶偏二甲肼液滴着火燃烧特性及影响因素实验研究

针对自燃推进剂接触就能着火燃烧的特点,设计实现了高压飞滴及常压挂滴两套单液滴燃烧实验系统,并开展了有机凝胶偏二甲肼(UDMH)液滴在四氧化二氮(NTO)氧化剂环境中着火燃烧的实验研究,深入分析了其着火燃烧特性及NTO氧化剂浓度、温度、压力、对流速度、液滴初始尺寸的影响.结果表明:有机凝胶UDMH液滴表面液体燃料耗尽后会形成弹性胶凝剂膜,促使液滴内部出现沸腾蒸发及非稳态蒸汽喷射,导致燃烧火焰出现剧烈扰动.NTO浓度升高,增大了扩散燃烧火焰范围,加速液滴表面燃料蒸汽分解燃烧,有利于提高燃烧速率.NTO温度越低,着火延迟时间越长,并容易导致熄火.NTO对流速度越大,也会增加着火延迟时间,且更容易形成脱体火焰,使其燃烧速率降低.凝胶液滴尺寸越大,其着火延迟时间受对流速度的影响明显减小.NTO压力升高会抑制燃料蒸汽喷射强度,形成更稳定且更靠近液滴表面的双火焰结构.     

气动雾化喷嘴强化湍流扩散的实验研究

用热线风速仪对气动雾化喷嘴出口的气相湍流速度场进行测量，得到了气流的脉动速度及旋涡尺度分布。用浓度测量仪测量了喷嘴出口液相浓度的分布。研究表明，湍流脉动对细小雾滴的扩散具有促进作用，而气流的大尺度旋涡对液滴扩散的作用更加明显。内气路采用径向射流型式，可以增大气流的旋涡尺度，加强对液滴的扰动，因此对喷雾浓度的均匀分布大有益处。     

砂尘在典型金属壁面上的反弹特性仿真研究

含有砂尘的空气吸入发动机,会与叶片、内外机匣之间不可避免发生碰撞,影响飞行器飞行安全。通过采用显式动力分析有限元法,建立砂尘以不同入射角度、入射速度、粒径大小及其旋转速度撞击壁面的反弹模型,研究砂尘在不同条件下与不锈钢及铝合金面碰撞后的反弹特性结果,为预测砂尘在粒子分离器中的运动轨迹提供反弹特性数据支持。结果表明:随砂尘入射速度增大,反弹速度呈增大趋势,速度恢复系数基本保持稳定;相同入射条件下,铝合金材料对砂尘速度恢复系数的影响小于不锈钢材料;旋转速度、砂尘粒径对其碰撞反弹特性影响微弱,可以忽略不计;决定砂尘反弹角度仅取决于碰撞姿态和砂尘入射角度。     

高韦伯数下煤油液滴的破碎机理研究

为了探究高韦伯数下气流速度及液滴初始直径对液滴破碎以及Rayleigh-Taylor不稳定波的影响,进行了煤油单液滴在气流中破碎的实验,采用高速摄影技术记录了液滴的破碎过程,应用包含粘性和表面张力的Rayleigh-Taylor不稳定性理论分析了液滴的破碎过程,对Rayleigh-Taylor不稳定波波长与液滴破碎时间进行了理论计算,并与实验结果做了对比研究。结果表明:当We为321左右时,煤油液滴开始呈现灾型破碎模式;气流速度、液滴初始直径对液滴表面的最大增长率Rayleigh-Taylor不稳定波的波长、增长率和临界波长均有影响;Rayleigh-Taylor不稳定性理论在预测最不稳定波长时,结论与实验结果的误差不超过6%;取经验参数M为8.9时,液滴破碎时间理论与实验误差最小。     

液滴碰撞超声振动曲面的实验研究

通过实验研究了超声振动曲面上液滴碰撞的动力学行为。对边缘飞溅、表面飞溅以及毛细波、空化和子液滴回弹等复杂物理现象的产生机理和条件进行了分析,得到了超声振动曲面上发生边缘飞溅的临界曲线,并发现由于气动力的作用,超声振动曲面上发生边缘飞溅的临界超声振幅要小于平面情况。利用图像处理技术得到了不同条件下超声振动曲面对碰撞液滴的驱离效率以及飞溅液滴的尺寸分布。实验结果表明:碰撞液滴的驱离效率随振动曲面超声振幅的增大而增大,且呈线性增长;在高速碰撞中,碰撞速度几乎不影响超声振动曲面的液滴驱离效率;随着超声振幅的增加,飞溅液滴的平均尺寸增加。通过常温液滴与过冷液滴的碰撞实验对比,发现温度对超声振动曲面上液滴的动态碰撞过程影响较小。在过冷条件下,液滴驱离效率会略低于常温条件下,但仍能够持续有效地将液滴驱离表面,从而抑制冰层的增厚,说明超声振动曲面具有防水防冰的应用潜能。     

外伸梁弯曲法确定薄膜界面力学性能

为了研究用外伸梁弯曲法确定薄膜/基体界面强度的可行性,采用零厚度内聚力单元来模拟薄膜/基体界面结合层的剥离失效。对外伸梁施加“加载-卸载”的载荷历程,利用加载过程中的界面开裂引起的能量耗散来表征界面能量释放率。采用二次名义应变准则和Benzeggagh-Kenane断裂准则来定义界面损伤演化和失效。研究结果表明,外伸梁弯曲法可以有效地测量薄膜杨氏模量和界面强度。文中提出的方法简便有效,具有一定的工程应用价值。     

染料敏化太阳电池中等效电路元件指数特性阻抗研究

利用等效元件构建的等效电路是解析染料敏化太阳电池(DSC)体系中多界面反应阻抗谱和分析其内部动力学过程的重要手段。本研究基于DSC相与相间的多界面结构特性构建了一个多界面等效电路,借助Zview软件在宽范围内对DSC等效电路中常相角元件(CPE),直接或间接包含CPE的传输线元件(DX)和Nernst扩散阻抗元件(WS)中指数的性质、频响特性以及对整个DSC阻抗谱和动力学过程的影响进行了详细的模拟研究。结果表明:TCO/TiO2接触界面指数没有对DSC阻抗造成明显的影响,而TCO/EL界面、EL/Pt-TCO界面、DX传输线元件以及电解液中离子扩散阻抗WS的指数改变会造成等效元件性能的变化并对DSC电荷传输和转移动力学过程产生影响。     

气云爆轰

气云爆轰实验研究在一根专门设计的管中进行，通过对压力波和火焰阵面的测试，研究激波的成长与发展过程，气云爆轰的爆速及其影响因素以及激波后的点火诱导时间。理论研究考虑了液滴在高温、高压和高速气流中的变形、剥离和破碎，液滴的点火和局部爆炸以及气云爆轰的Ｃ－Ｊ判据。据此进行的计算进一步揭示了气云爆轰的松弛结构。爆速的计算值与实验值基本相符。