电磁流体动力驱动流体搅拌混合器特性研究

对小型电磁流体动力搅拌混合器的特性进行了理论分析和实验研究.该小型电磁动力混合器由聚碳酸脂和黄铜采用常规机械加工方法加工而成.研究采用的流体为氯化钠水溶液.为了观察流体的搅拌混合运动,在流体中加入微量微细玻璃珠作为示踪粒子.采用显微观测及图像采集技术记录流体的搅拌混合过程,用数字图像处理技术对流体速度场进行分析.建立了搅拌混合器的理论模型,并对其动力特性进行了数值分析,理论结果与实验结果相吻合.该小型电磁动力混合器已应用于微管道流动的混合控制并可应用于其它微流体控制系统中.     

电磁力作用下微型管道中流体流动与混合的实验研究

设计了一种使微管道中导电液体得到混合的方案,利用电场和磁场耦合作用下产生的电磁力作用,使流体产生往复运动及流体界面的弯曲延伸,不同流体的接触面积大大增加,从而提高混合效率.在此基础上搭建了实验平台,利用Micro-PIV系统进行了详细的实验研究,得到了微管道中流体流动的速度场,并对不同电极排列方式下的流场进行分析比较.在实验基础上进行数值验证,并对不同工况下的混合效率进行了分析.结果表明:通过电磁力的扰动作用,确实能有效地提高微管道中流体的混合效率.     

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。     

气泡对无阀微泵动态特性影响的实验研究

采用高速摄像机拍摄了收缩管/扩张管型无阀压电微泵泵腔中气泡的变化,包括进入、移动、合并和分离等过程.同时,采用压阻式微型压力传感器测试无阀压电微泵泵腔的压力脉动.实验结果表明气泡进入泵腔之后,流体有效体积弹性模量和无阀微泵压力脉动幅值明显减少,气泡的进入使无阀微泵的工作性能大大降低,甚至导致微泵无法正常工作;而气泡移动、合并和分离对流体有效体积弹性模量和微泵的动态特性影响较小.     

基于低密度粒子图像叠加的Micro-PIV速度场测量

提出了一种基于低密度粒子图像的微流体粒子图像全场测速技术.经过背景噪声去除、阈值过滤、图像增强等图像预处理过程,获得了高质量的低密度荧光示踪粒子图像.对100对图像进行图像叠加处理,得到了满足互相关算法求解二维速度场的高密度叠加粒子图像.针对宽度为250μm,深60μm的长直微通道开展了覆盖全场不同流体层平面的二维速度测量,并利用多个流体平面的二维速度场实现了微通道内全场速度的构建.研究结果表明:由于图像叠加法去除了像径大但灰度低的背景粒子图像,采用互相关分析能够准确获得分层二维速度场,所构建的全场速度场正确反映了长直微通道内流流场特征.     

圆柱形微凹坑表面织构对流体动压润滑性能的影响

通过建立具有规则田往形微凹坑分布的表面织构流体动压润滑模型,分析了微凹坑几何参数及微凹坑分布形式对流体动压润滑性能的影响.研究结果表明:在微凹坑直径及深径比不变时,存在最优的微凹坑面积率,约为30%;在微凹坑分布密度不变时,存在最优的深径比,约为0.027.在此最优微凹坑面积率及深径比下,本文创新性地通过优化微凹坑的分布形式,进一步提高了润滑膜承载力21.7%.研究结果对进一步的研究工作提供了理论依据,具有指导意义.     

电磁力控制翼型失速的实验研究

将条状电极和磁极交错布置的电磁场激活板置于弱电解质溶液中,在流体边界层上产生具有明显分布特征的电磁力(Lorentz力),利用电磁力可以改变流体边界层的结构,控制边界层的流动脱落与分离,可以增加翼型升力,减少其阻力,实现对翼型失速的控制.利用电磁力控制流体边界层的方法属流体主动控制方法之一.本文首先基于电磁场和流体的基本方程,对置于弱电解质中的不同极板宽度的电磁激活板周围的电磁场及产生的Lorentz力进行了数值模拟;其次,通过实验来验证此方法的有效性.将包覆有电磁激活板的翼型置于弱电解质溶液中,利用基于TMS320F2812(DSP芯片)组建的翼型失速实验控制系统来灵活改变翼型的迎角和转速,测量升力和阻力的变化;实验结果表明,正向电磁力能够有效地抑制和延缓翼型失速现象的发生.     

柔性热膜剪应力传感器水下测量温度修正

柔性热膜微传感器应用于流体壁面剪应力测量时,流体温度对传感器输出有很大影响,因此有必要对工作在非标定温度下的传感器输出信号进行修正补偿。重点研究了水下测量时传感器输出与水温的关系以及温度修正方法。通过分析传感器过热比和流体物理性质与温度的相关性,建立了流体温度与传感器过热比和标定系数的函数关系。在此基础上,提出了一种用于水下剪应力测量的温度修正方法,可以有效减小水温对传感器输出的影响。经实验验证,该方法可以使工作在25℃、28℃水温环境下的传感器输出值与其20℃标定值的相对误差从23.7%和37.1%回落到0.82%和0.83%。     

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.     

利用micro-PIV测量矩形微管道内流量

利用微观粒子图像测速技术(micro-PIV)测量了矩形微管道内低雷诺数下速度矢量场,并以此为基础计算微管道内流体体积流量.微管道水力直径为83μm,横截面深宽比为0.155,长度为17mm.实验中获得雷诺数分别为47、127和215三工况下管道中心水平截面内速度分布.与理论速度剖面比较,管道中心的测量速度值吻合很好,偏差控制在±2%以内.利用中心速度值结合层流解析解计算微管道内平均流速和体积流量.经过误差分析得到该方法测量误差约为3.3%.实验结果表明,利用micro-PIV技术完全可以实现微通道流量的高精度测量.     

NUMERICAL SIMULATION ON MULTI-FLUID INTERFACES

INTRODUCTIONThe study on phenomenon of multi- fluid in-terface driven by shock waves include:( 1 ) totrack the motion of multimaterial interfaces;( 2 )to simulate the chemical reaction on the inter-faces. As the pioneering work,chemical reactionis neglected in this paper. The objective is totrack the interfaces. Of course,the fluids aretreated as compressible medium under such ahigh impact.Although Eulerian schemes workwell for most gas flows,they have been shownto be too dissipative nea…     

脉冲爆震燃烧器混合室研究

利用CFD程序分别对切向、轴向和径向供气方式的混合室中油、气的混合特性进行了三维数值模拟.切向进气有助于油气的充分混合,但是油、气分布不均;轴向进气时油、气分布比较均匀,但是油气的混合不够充分;而径向进气的油气分布、混合程度介于切向与轴向进气之间.能耗较大.设计了四种混合室结构,进行了基于两相无阀脉冲爆震燃烧器(PDC)的热态试验研究,找到了利于点火、起爆迅速的混合室结构.     

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。     

高温含水气流条件下燃烧室材料考核的电弧加热试验模拟方法

在燃烧室的内流热环境下,燃烧室壁面的部分防热材料(如 C/SiC 或超高温陶瓷)与碳氢燃料燃烧产物水蒸气发生的氧化反应速率比与空气中的氧气还要快。水蒸气的存在加剧了防热材料的氧化。另外,水蒸气还能与材料表面玻璃状的 SiO2保护层发生挥发性的化学反应,破坏了 SiO2保护层。这些因素对燃烧室防热材料的防热效果有明显的影响。本文采用等离子电弧加热矩形湍流导管试验方法模拟超燃冲压发动机燃烧室的内流热环境,并在试验喷管前的混合稳压室内横向喷射4%~5%的常温水与高温气体混合,模拟燃烧室内水蒸气的组份、浓度和温度,采用数值计算的方法分析混合稳压室内水与高温气体的掺混程度,研究含水的高温气体的总温(总焓)计算方法。     

磁性纳米颗粒对微槽道液体流动的混合增强作用

为了改进微流控芯片中液体混合效率,尝试在一种液体中加入磁性纳米颗粒,增强与另外一种液体混合.在外加磁场作用下,对Y型微槽道中磁性与非磁性液体流动混合进行了实验观测,所需混合长度较无磁场时缩短了约2个数量级.利用CFD软件进行数值模拟,验证了外磁场作用下纳米磁性液体对流动混合有着明显的强化作用.     

稳定分层湍流的PIV实验研究

在自行建立分层湍流实验装置的基础上,进行了一系列分层湍流的实验研究,运用激光诱导荧光(LIF)流动显示技术和PIV流场测量技术,定性研究了剪切和分层对湍流混合和湍流结构的影响.实验结果发现:剪切促进湍流混合,稳定分层抑制湍流混合,而且分层使得混合层内的湍流结构变得扁平和细长,同时还发现了混合层内涡旋的拉伸、合并、扭曲和变形等复杂的流动现象,特别是发现了其中的旋转涡对和反旋转涡对以及对湍流输运起重要作用的手指状结构.     

超声速反向混合实验及其压力温度测量

对超声速反向射流混合加热方案进行实验验证。实验结果表明:控制向燃烧室注入水雾的流量可以方便地调节燃烧室的温度和压力;用双路氢氧进气系统易于实现稳定的点火和燃烧。用热电偶测量混合前后的流场温度分布的初步结果表明,反向射流混合方案基本可行。     

超燃冲压发动机电弧加热器试验流场调试

利用电弧加热器提供超燃冲压发动机地面模拟试验的纯空气流场,需要在前电极与喷管之间由冷气混合室加入冷气以降低电弧加热气体的焓值;为了较为准确地获得流场的总温参数,采用了总温探针对流场总温900-1600K进行了校测,总温的测量值与计算的焓值、流量匹配法计算的总温进行了对比,结果表明：总温越高,测量值与计算值相差越大,在名义总温1600K时达到了450K,笔者分析了产生的原因。     

微型燃气轮机喷嘴射流和雾化特性研究

为在微型燃气轮机内营造低氧贫燃氛围以实现液体燃料的节能减排,利用可适性多普勒激光测速仪APV/LDV对改造喷嘴附近截面进行了测量和分析,用以考查近喷嘴处的气液混合夹带情况以及雾滴尺寸及分布.结果发现:增加外部涡旋气流后,喷孔附近雾滴的动量增大,雾锥内出现一小回流区,对应湍流度较大区域附近;燃烧时较大切向动量及湍流度利于空气与周围高温烟气迅速混合形成低氧环境,并和雾滴掺混进行热量和动量的传递;喷孔出口雾化角增大,使得雾滴更加分散,利于雾化、气液混合和传热传质;所有实验工况雾滴平均直径低于50μm,且为偏高斯分布.该研究为液体燃料喷嘴的设计提供了参考,可作为微型燃气轮机燃烧室热态反应物流场的参考依据.     

高焓超声速载气的产生

为确保氢和氧稳定、完全地燃烧 ,采用临界喷管控制氢氧的质量流率 ,以及同轴环向的预混方式。实验结果表明 :改变氢氧质量流率或尾喷管临界截面积可调节燃气总压 ,建成结构简单且造价低廉的高焓水蒸汽发生器。