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[博士论文] 李凤琴
应用数学 内蒙古大学 2017(学位年度)
摘要:随着科技的发展,系统微型化是自然科学和工程技术领域发展的一个重要特征.其中微机电系统(micro electro mechanical system,简称MEMS)和纳机电系统(nano electro mechanical system,简称NEMS)就是典型的例子.在微纳机电系统中,微纳尺度流体的流动和电动能量转化效率问题在生物科学、药理学、医学诊断、化学以及环境监测等领域的众多方面都有重要的应用,例如,生物芯片、药物传输和体液的流动等.
  通常的纳米通道被称为刚性纳米通道,而柔性纳米通道,也称为具有聚电解质层的纳米通道,是指在刚性纳米通道壁面内部添加或固定一层聚电解质刷(polyelectrolyte brushes),形成聚电解质层(polyelectrolyte layer,简称PEL).聚电解质层包含一些固定电荷密度的离子,也称为固定电荷层(fixed charge layer,简称FCL).由于电解质溶液可以渗透到聚电解质层内,PEL的表面可以看作是一个半渗透的膜.聚电解质层对纳米通道中的电解质溶液的流动产生一定的影响,从而可以控制流体的运动,在实现微通道智能化方面有重要的意义.
  近年来,刚性微纳通道内的电渗流动(electroosmotic flow,简称EOF)和电动能量转化(electrokinetic energy conversion,简称EKEC)效率问题已经得到了国内外学者的广泛重视和研究,并取得了很多有意义的研究成果.但是在柔性纳米通道中开展的电渗流动和电动能量转化效率研究仍然很少.基于上述情况,本文围绕柔性纳米通道中的电渗流以及电动能量转化效率问题,开展了相关的理论研究.
  本文在柔性纳米通道中,讨论了交流电场作用下牛顿流体和粘弹性Jeffreys流体的电渗流动问题.分别考虑柔性纳米通道中PEL内部和外部区域,在Debye-Hückel线性化近似下,通过求解线性化的Poisson-Boltzmann(P-B)方程,得到了电势在柔性纳米通道中的解析解.基于电势的解析解,对柔性纳米通道中的电渗流速度满足的动量方程进行修正,得到了牛顿流体和Jeffreys流体的电渗流速度的解析表达式.本文详细讨论了相关无量纲参数对电渗流速度的影响,并把柔性纳米通道中的结果与刚性纳米通道比较.结果表明,当PEL厚度较小时,柔性纳米通道和刚性纳米通道中的速度曲线重合,但当PEL厚度较大时,无论是牛顿流体还是Jeffreys流体,柔性纳米通道中的电渗流速度均高于刚性纳米通道.而且柔性纳米通道中的电渗流速度振幅随PEL厚度的增加而增加.此外,随着振荡雷诺数(Re)的增加,瞬时电渗流速度表现出明显的振荡特征,且振荡的振幅越来越小.在较大的振荡频率情形下,速度的振荡主要发生在柔性层与电解质溶液的界面附近.另外,对于Jeffreys流体来说,松弛时间的增大可以增强电渗流动,而滞后时间变大却阻碍流体的流动.
  在柔性纳米通道中,本文还讨论了轴向的压力梯度下粘弹性Maxwell流体的电动能量转化效率问题.基于线性化的P-B方程和不可压缩的粘弹性流体的Navier-Stokes(N-S)方程,结合粘弹性流体流变学的影响,得到了粘弹性Maxwell流体通过柔性纳米通道时的流向势和电动能量转化效率的解析解.并将结果与刚性纳米通道进行比较,结果表明:在当前的参数范围内,当外加压力梯度的频率接近共振频率(相对于粘弹性流体的固有频率)时,刚性纳米通道中每一个峰值的流向势和电动能量转化效率的最大值总是高于柔性纳米通道中相应的最大值.然而,在离开共振频率的其它大部分频率范围内,柔性纳米通道中流向势和电动能量转化效率较刚性纳米通道更大.除此之外,本文也详细讨论了其它参数,例如阻力系数、双电层厚度以及Deborah数(De)的倒数等对电动能量转化效率的影响.
  本文又进一步研究了垂向的外加磁场和轴向的压力梯度联合作用下牛顿流体通过柔性纳米通道的电动能量转化效率问题.在Debye-Hückel线性化近似下得到了电势的解析解,给出了由外加磁场和压力梯度共同作用时所产生的流向势及电动能量转化效率的解析解.详细讨论了流向势和电动能量转化效率在电场、流场和磁场相互作用下的变化规律,并将结果与刚性纳米通道中得到的流向势与电动能量转化效率结果做了比较.结果表明:随着Hartmann数(Ha)的增大,流向势和流体的流动速度均减小,但是电动能量转化效率(ξ)却随着Hartmann数的增加而变大.同时,本文也讨论了其它无量纲参数对流体的流动速度和流向势的影响.
  本文的结果为柔性纳米通道中的电动现象提供了较为深刻的物理解释,这些结论对于微流控传输系统有一定的理论意义,能为微流控设备的设计、优化、发展奠定相关的理论基础.
[博士论文] 胡瑞清
流体力学 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:非牛顿流体是一类不遵守牛顿粘性定律的流体的统称。在自然界中与人造物中都广泛的存在,血液和聚丙烯酰胺(PAM)水溶液就是分别属于自然界和人造物中的非牛顿流体,它们虽同属一个类别,但其实际的微观结构可谓天差地别。本文中通过微流动实验的方式,探究了这两种流体在微管道流动过程中的流动特性,总结出了这两种非牛顿流体在流动中表现出来的一部分规律。
  论文的主要内容和结果如下:
  1.搭建微管道芯片流动实验平台,设计了一种对实验装置要求不高的压力测量方法。自行搭建的实验平台可以满足包括流动实验、控制、观测、记录以及压力测量在内的实验需求。
  2.在单根毛细微管道中,进行了以压力驱动的PAM水溶液流动实验。实验结果表明,在管径足够小的毛细管中PAM水溶液需要一定的临界压力才能开始流动,并且其临界压力与PAM的平均分子量有着直接的关系。同时考察了实验其他参数对于PAM水溶液流动特性的影响。给出了一个特定条件下PAM水溶液临界压力与质量分数之间的数值关系,讨论了临界压力出现的原因。
  3.通过对肿瘤组织血管网络形态的分析,提取了其主要特征,结合肿瘤组织血管真实尺寸设计制作了微管道芯片。在置信度分析之后,使用红细胞悬液代替全血做为流动介质在微管道芯片中进行了流动实验,通过对以图像序列为形式的实验结果的分析,得到了红细胞悬液中的红细胞速度以及悬液流动特性与红细胞比容(Hct)、入口流速、管道尺寸结构之间的关系,并对其中的规律做了一定的总结。
  4.通过对视网膜血管网的分形结构的分析,模拟其几种比较典型的特征结构,结合血管的真实尺寸,本文设计制作了两系列共四种微管道芯片,同样通过进行了流动实验并通过数据处理分析了在这两个系列微管道中红细胞悬液的流动特性,还证实了在实验用微管道中Fahreaus效应的存在,并利用实验结果进行了交叉验证。
[硕士论文] 王钰翔
建筑与土木工程 山东建筑大学 2017(学位年度)
摘要:多孔介质区域内流体的流通性研究是当前的热点领域。现在大多数的研究都是关于牛顿流体在多孔区域内的流动和传热问题,然而有很多流体的特性并不满足牛顿粘性定律,比如高分子溶液、悬浮液等,这些流体都属于非牛顿流体。研究非牛顿流体在多孔介质区域内的流动和传热特性对我们生活及生产水平的提高有一定的推动作用,并且在加强石油的采集、提高涂料在建筑中的利用率等方面都有很大的帮助。
  本文主要对非牛顿幂律流体流经多孔介质时的流动阻力与传热问题进行了一系列的研究。运用理论探析、数值计算和实验探究相融合的方法,先对非牛顿流体和多孔介质进行简单介绍,定性的分析流体在多孔介质区域中的流动状态,以连续性方程、动量方程以及能量方程为切入点,并在理论分析的基础上结合实验数据对流体的流动问题进行了数值模拟,然后对非牛顿幂律流体在多孔介质区域内的流动状态和对流换热情况进行分析。最后将模拟所得的数据同实验进行比较,结合经典公式以验证模型的准确性。
  本文主要使用了CFD软件对非牛顿幂律流体的流动问题进行了模拟,采用的是有限体积法。先利用结构化网格对所要模拟的区域进行网格划分,然后通过CFD前处理系统对多孔介质区域的边界条件进行设定,对模型进行简化,并与实验数据保持一致。
  研究了幂律流体的流变参数对流动和传热特性的影响,探求不同聚合物浓度、不同幂律指数下流体的流变特性,分析绕流雷诺数、幂律指数n等对聚合物溶液速度场、压力场及温度场的影响,最终得到速度分布、压力分布和摩擦阻力系数的变化情况等;同时研究了多孔介质结构(如颗粒粒径、孔隙率等)对摩擦阻力系数的影响,通过引入Darcy流和Forchheimer流,分析其对流动和传热特性的影响。
  模拟结果表明随着幂律指数的增加,摩擦阻力系数和压降随之减小。经分析发现,这一规律与幂律流体内部高分子网状结构有关,高浓度的流体有较强的假塑性,而假塑性越强的溶液对高分子结构的剪切破坏力越强。而对于孔隙度不同的多孔介质骨架,流体的摩擦阻力系数也各不相同,对于孔隙度较大的骨架,聚合物溶液通过的孔隙通道较大,因此压降较小。
  最后将本文所得的模拟结果与实验值及理论值进行比对,论证了本文数值模型的准确性。对于假塑性较强的流体,本文的数值模拟结果与实验值之间出现一定偏差,但这种偏差基本还在允许的误差范围内。本文初步认为这种偏差是由于文献中的经验公式和本文的数值模拟没有考虑非牛顿流体的弹性问题所致。综上所述,本文的数值模拟结果还是能较好的反映出多孔介质区域内非牛顿幂律流体的流动和换热问题。
[硕士论文] 赵慧敏
机械工程 青岛理工大学 2016(学位年度)
摘要:本文的主要研究内容包括四部分:表面磨损对非牛顿流体热弹流润滑性能的影响;点接触混合润滑压力求解的单层网格迭代方法;非牛顿流体的稳态和时变混合润滑问题研究;点接触混合润滑摩擦系数的测量。
  首先,建立了考虑磨损带的点接触非牛顿热弹流润滑的数学模型,研究了磨损半宽对油膜压力、厚度及温度的影响,讨论了不同工况对最小膜厚随磨损半宽的影响,并与牛顿流体结果进行了比较。结果表明,随着磨损半宽的增大,中心膜厚增大;当磨损带边缘距同工况下光滑解的最小膜厚位置较远时,最小膜厚的值几乎不变,反之最小膜厚减小;不同工况对最小膜厚的稳定范围有一定影响;与牛顿流体相比,非牛顿流体的油膜温度和摩擦系数明显减小。
  其次,建立了等温稳态牛顿流体的混合润滑模型,研究了压力求解的单层网格迭代方法,并与多重网格法的结果进行了比较;给出了单一Gauss-Seidel迭代和Jacobi迭代的计算结果,并讨论了润滑剂环境粘度对混合润滑的影响。结果表明,与多重网格法相比,该算法可行;单一Gauss-Seidel迭代和Jacobi迭代盼计算结果差别不大,因此,可采用单一Gauss-Seidel迭代方式;润滑剂的粘度越低,接触区越易处于混合润滑状态。
  再次,建立了稳态和时变条件下非牛顿流体的点接触混合润滑模型,分别计算了理想光滑表面和正弦粗糙表面在不同卷吸速度下的完全数值解,研究了含有加速、匀速和减速三个阶段的变速过程中油膜压力和厚度的分布。结果表明,随着卷吸速度的降低,理想光滑表面和正弦粗糙表面的膜厚逐渐减小,边界润滑区域由接触区两侧光滑连续地由小变大。加速过程中,膜厚从入口处开始增大,连续地向出口方向发展;由于挤压效应,粗糙表面的膜厚整体大于光滑表面的膜厚;减速过程中,膜厚整体减小,入口处膜厚减小速率较快,有明显的第二压力峰和出口颈缩现象。
  最后,应用MMW-1型立式万能摩擦磨损试验机,试验研究了不同速度、载荷、表面粗糙度及粘度对摩擦系数的影响。结果表明:一定工况下,载荷越大,由混合润换状态转化为流体润滑状态需要的时间越长;表面粗糙度越大,摩擦系数随速度变化越慢;润滑油粘度越大,摩擦系数随速度降低的变化越快。
[硕士论文] 马明明
机械工程 青岛理工大学 2016(学位年度)
摘要:本文的研究主要包括四个部分:对流换热项对单一速度方向点接触热弹流润滑的影响;自旋弹流润滑中的热效应分析;Eyring非牛顿流体的求解方法及应用;自旋条件下的光干涉油膜测量。
  首先,针对Reynolds方程的适应性,推导出反映接触固体运动状态的非牛顿流体普遍Reynolds方程并给出了验证。以单一速度方向的非牛顿流体润滑模型为例,讨论了对流换热项对热弹流润滑中温度及剪应力的影响,并给出了剪应力的分布形式。结果表明,在考虑和忽略对流换热时,滑滚比及载荷变化对膜厚、压力、温度及剪应力分布的影响几乎相同。而当卷吸速度增加到一定值时,考虑和忽略对流换热对膜厚、温度等性能的影响存在一定差别。
  其次,建立了考虑自旋运动的非牛顿流体热弹流润滑的数学模型,并与牛顿流体模型进行比较,讨论了角速度、载荷、自旋因数对自旋热弹流润滑性能的影响。结果表明,中高载荷采用牛顿流体得到的油膜温度和摩擦系数明显高于非牛顿流体,即非牛顿效应不可忽略。自旋运动使膜厚、温度失去了原有的对称性,且随自旋因数增加,膜厚及温度分布的不对称性增强,温度最大值升高,且向一侧偏移。
  再次,提出了一种求解等效粘度的新方法,将其应用于单一速度方向及速度随坐标变化的自旋热弹流润滑模型中,并分析了油膜剪应力及温度的影响因素,给出了摩擦功率曲线。结果表明,新方法可普遍适用于复杂速度条件下非牛顿流体点、线接触热弹流润滑模型。当滑滚比较小时,自旋运动对油膜特性影响较明显。自旋条件下摩擦功率不再是一个常量,而是随坐标变化而变化;
  最后,基于理论模型,设计并搭建了自旋光干涉弹流油膜试验台。分析了速度、载荷、自旋因数对油膜厚度及形状的影响,并对自旋弹流的入口乏油现象进行了试验观察。结果表明,旋滚与旋滑都使油膜失去了经典的马蹄形对称特征。润滑油达到一定粘度时,旋滑状态下易产生凹陷现象。凹陷是由载荷和速度共同作用的结果,当速度或载荷增加到一定值时,凹陷由靠近中心处产生,逐渐向入口处移动。自旋条件下,不同的入口乏油位置对油膜的影响不同。
[硕士论文] 张菊
化工过程机械 大连理工大学 2016(学位年度)
摘要:非牛顿流体中的气泡运动行为广泛存在于石油化工、环境保护、能源开发及利用等工程领域。由于非牛顿流体特殊的流变性质以及气液两相之间相互作用的复杂性,对于非牛顿流体中的单气泡生成、上升以及双气泡聚并行为的研究目前仍不够完善。
  本研究主要内容包括:⑴采用高速摄影技术以及数字图像处理技术对去离子水和不同浓度CMC水溶液中单气泡的生成及上升运动进行实验研究,考察了单气泡的形成过程,讨论了气泡上升过程当量直径、运动轨迹及运动速度的变化规律。研究发现,单气泡的形成过程可细分为三个阶段。在去离子水及CMC水溶液中,气泡的平均当量直径、摆动幅度以及摆动的随机性受喷嘴内径及CMC水溶液浓度的影响较大。在去离子水中,气泡先呈直线上升,当z>28mm时,气泡开始振荡,呈螺旋形上升;而在CMC水溶液中,气泡运动轨迹几乎均呈直线。随着CMC水溶液浓度的增加,进气流量的降低,气泡水平速度的波动及气泡垂直速度逐渐减小。随着喷嘴内径的增大,CMC水溶液中气泡水平速度的波动变大,同时高浓度CMC水溶液中气泡的垂直速度也随之增大,但对低粘度溶液中运动气泡的垂直速度的影响并不明显。此外,建立了在一定无量纲参数数值范围内,适用于去离子水与CMC水溶液中,气泡的Re与We、Mo之间的函数关系式。⑵采用FLUENT软件,基于流体体积法(VOF)对单气泡生成及上升运动进行数值模拟,并与实验结果进行对比分析,进而研究气泡周围液相场的特点。研究了单气泡形成过程中气泡及其周围液相压力场和速度场的分布规律,并重点对CMC水溶液中上升气泡周围液相速度场的影响因素进行讨论分析。随着CMC水溶液浓度的升高,气泡周围液体运动速度降低,气泡的影响区减小;而随着进气流量及喷嘴内径的增加,气泡周围液体速度增加,气泡影响区域变宽变长。⑶采用高速摄影对平行双气泡的生长聚并过程进行实验研究并与数值模拟结果对比。结果表明,双气泡的生长及聚并过程可分为四个阶段。重点分析平行双气泡聚并前后气泡纵横比变化的影响因素。气泡聚并之前,气泡纵横比会随着进气流量、喷嘴内径的增加而分别升高和降低。在较低气量、较大喷嘴内径以及大喷嘴间距的情况下,平行双气泡较晚发生聚并。气泡聚并之后,随着进气流量、喷嘴内径的增大及喷嘴间距的减小,气泡纵横比增大,且整个过程中CMC溶液浓度对聚并过程的影响都较为微弱。
[硕士论文] 杨敏
材料工程 大连理工大学 2016(学位年度)
摘要:电流变液(electrorheological fluids,简称ER)是由微纳米尺寸、高介电常数的颗粒分散于一定的绝缘液体中组成的复杂流体。在外加电场的作用下,黏度产生迅速且可逆变化,从液态转变为类固态,可以产生屈服应力以抵抗外界的剪切变形,在减震器、离合器等工业器件有较大应用潜力。但电流变材料的剪切强度低、抗沉降稳定性差等缺陷制约了其应用。为此,本文首次将静电喷雾技术应用于电流变分散相颗粒的制备过程中,旨在获得表面活性剂聚乙烯吡络烷酮(PVP)包覆的核壳结构的钛氧颗粒,起到降低颗粒粒径和颗粒表面改性的双重作用,以期提高电流变液剪切强度和抗沉降稳定性。
  通过实验本文成功地将静电喷雾技术应用于钛氧电流变颗粒的制备中,获得了细小均匀、PVP包覆的核壳结构的钛氧电流变颗粒,探索出了静电喷雾的工艺参数包括电场强度、PVP浓度、电喷速率、喷嘴直径等对颗粒形貌和电流变性能的影响规律。研究结果表明:与传统的水解沉淀法相比,静电喷雾法制备的颗粒粒径较小,在200~300nm之间,大小均一,分散性好,无团聚。而传统的水解沉淀法制备的颗粒粒径在500~600nm,容易团聚。静电喷雾法制备的颗粒,其电流变液的剪切强度和抗沉降性均高于传统的水解沉淀法。本文的研究结果对于电流变液技术的发展具有理论和实际意义。
[硕士论文] 王昊
仪器科学与技术 天津大学 2016(学位年度)
摘要:微重力下的流变学研究是流变学领域的前沿,传统的流变学实验无法摆脱重力对液体微观分层的影响,而运行在近地轨道上的空间实验室为摆脱这一干扰提供了可能。美国国家航天局(NASA)于2015年发表了其在国际空间站(ISS)内进行的剪切历史拉伸流变实验(SHERE),取得了重要的科学成果。本文受国内某科研单位“微重力流变实验箱”项目支持,旨在开发出我国的空间站流变仪设备。本文对美国SHERE设备进行了详细介绍和参考,对传统的商用流变仪测量理论进行研究,确定了微重力流变仪的整体方案并研制样机,在地面流变实验后总结问题和改进点,进入初样研制阶段后,对初样流变仪进行发射适应性设计并进行结构建模和力学仿真,完成了初样最终方案,最后,本文对初样流变仪的关键部分扭矩传感器的相关技术进行了有效探索,通过仿真和实验对其中的关键技术进行研究。主要内容如下:
  1)通过对公开文献的参考,研究了美国 NASA的剪切历史拉伸流变实验(SHERE),对微重力流变实验的科学意义和应用前景进行概括,并着力讲解SHERE设备的原理和构成,以及它在微重力科学手套箱(MSG)内的操作方法,为本文微重力流变实验设备的研制提供参考借鉴;
  2)分析了流变仪的基本理论,主要是牛顿流体模型,分析了平行板式测量转子的相关理论,论述了误差合成的推导等,为样机研制打下理论基础,进而介绍了样机研制,主要包括指标分析,样机的结构与组成,在样机上进行的剪切流变实验,验证了样机原理的可行性,并总结误差来源和其他实验中显现的问题;
  3)在样机问题分析的基础上,和针对航天发射适应性改进的需求上,进行了流变仪初样的方案设计,主要是进行结构的抗振动力学仿真,讨论了用ANSYS有限元工具进行的谐响应分析、随机振动分析的结果,仿真表明该结构方案抗力学环境性能优良;
  4)对扭矩传感器研制的两大关键点:弹性元件设计,非接触式旋转轴供电进行了研究。对空心圆轴式弹性元件进行了建模计算,确定其应用参数,该方案结合常见的应变电桥处理芯片可满足精度需求;对分离式变压器进行了介绍,按扭矩传感器的供电需求计算了相关电参数,并进行了验证实验。
[硕士论文] 罗奇
机械工程 湘潭大学 2016(学位年度)
摘要:电流变液是一种流变特性可受外电场调控的新型智能材料,而电流变效应则是对电流变液在外电场作用下其表观粘度发生巨大变化的描述。经过数十年的探索研究,至今仍然没有一项基于电流变材料的成熟产品进入市场。究其原因,主要还是对电流变液在外电场作用下的各种力学性能表征及其内在的机理研究不够透彻,特别是对多场(电场、流动场及剪切场等)耦合作用下的力学性能与场致亚微观结构的动态耦合关系的理解还不够深入。
  本文针对当前电流变液研究中对非均匀电场下电流变液动力学研究缺乏这一现状,从理论和实验研究这两个方面开展研究工作,通过数值模拟仿真结合实验验证的方法研究了电流变液在非均匀电场下的动力学行为特性。
  首先,运用电流变液动力学基本方程,分别计算分析了非均匀电场下动力学过程中,电流变颗粒所受力中对电流变液场致亚微观结构演变影响最主要的力;并根据电动力学、流体力学等理论,结合电流变液基本控制方程,建立了非均匀电场与流动场(压力梯度场)的耦合场下电流变液动力学仿真模型。
  其次,利用有限元方法对静态和动态非均匀电场下电流变颗粒的瞬态运动情况进行了数值模拟仿真,探讨了在非均匀电场与流动场耦合作用下电流变液场致亚微观结构与力学性能的动态耦合关系。
  最后,根据实验要求配置了实验用电流变液,并对其进行了力学性能测试分析;利用可视化实验系统对非均匀电场下电流变液动力学进行了可视化实验研究,即单一场(交流场)和耦合场(交流场、压力梯度场等)作用下电流变液的动态响应,以及不同影响因子对电流变效应的影响。
[硕士论文] 刘延山
材料科学与工程 武汉科技大学 2016(学位年度)
摘要:刚玉-尖晶石浇注料因具有良好的抗渣侵蚀性和抗结构剥落性,目前已成为钢包内衬及透气系统用耐火材料的主流材质,其有效提高了钢包的使用寿命和钢材质量。然而,刚玉-尖晶石浇注料在施工性能和热震稳定性方面仍有待改善,此外该体系浇注料中常常引入SiO2微粉,但市售SiO2微粉种类繁多,性能不稳定,在实际应用条件下尚需精细化。为此,本论文首先对基质组成中的四种SiO2微粉(92#、940U、951U、971U)、α-Al2O3微粉、ZrO2微粉及其复合粉体料浆的流变特性进行了研究;随后研究了SiO2微粉种类及添加量、ZrO2微粉加入量及粒度大小对浇注料的常规物理性能、热机械性能和抗渣性能等方面的影响,结果表明:
  1)不加减水剂时,SiO2微粉中中位径小的细颗粒越多,悬浮液的黏度越大;粉体中存在一定含量的粗颗粒时,悬浮液易发生剪切增稠行为。对于各微粉料浆,减水剂FS20的分散效果优于无机电解质SHMP、STPP,这与FS20可同时产生空间位阻效应和静电稳定机制有关,此外SHMP对Zr4+的络合作用可有效改善ZrO2微粉浆体的分散性。
  2)不同种类的SiO2微粉,其碳含量越高,浇注料流动性越差;碱金属杂质含量越高,常温物理性能越好。随着SiO2微粉含量的增加,试样的烧结性能改善,然而当添加量达到4wt%,流动性下降明显;SiO2微粉含量增加对浇注料的抗渣性能具有双重影响,即在降低材料抗渣侵蚀性的同时可改善材料的抗渣渗透性。
  3) ZrO2微粉可促进刚玉-尖晶石质材料的烧结,但热处理过程中ZrO2晶型转变引起体积膨胀效应,恶化烧结性能,因此ZrO2微粉的添加量必须适当。当ZrO2微粉添加量为4wt%时,试样具有较高的热态强度和优良的抗渣性能;添加量为6wt%时,试样的抗热震性明显改善。
  4)不同粒度的ZrO2颗粒主要通过改变试样的显微结构来影响材料性能。ZrO2细颗粒可有效提高试样的热态强度,其中添加d50=2.5μm的ZrO2微粉的试样具有最大值3.27±0.49MPa; ZrO2粗颗粒在改善热震稳定性方面作用更显著,这与ZrO2粗颗粒能够引起基质中形成大裂纹,从而降低材料内部存储的弹性应变能有关。
[硕士论文] 王楠
工程力学 青岛科技大学 2016(学位年度)
摘要:巧克力、奶酪等食品的流变特性,巷道工程中的底鼓、坍塌以及冬季道路积雪问题与我们的日常生活息息相关,这使得研究材料固流转化的理论具有重要的意义和应用价值。本文从食品夏季流变、软岩流变以及金属熔化等方面阐述了材料固流转化的过程,并就为何选择冰水进行试验做了相似理论的介绍,且融冰现象往往伴随着相变的发生,文章介绍了相变传热方式,推导了圆柱坐标系下的导热微分方程,并对试验对象圆柱体冰块的融化过程做了量化关系描述。
  本文选用RPH-80型可程序恒温恒湿试验箱,在环境湿度恒定的状态下,通过对温度进行细化,分为温度恒定和温度分级加载,对冰块进行融化试验。然后选用Excel软件对冰块的融化时间及融化速率的影响规律进行拟合研究,拟合出恒温与温度分级加载分别对冰块的融化时间和融化速率影响的经验公式,并得出它们的适用场合。
  最后选用ANSYS软件对冰水固流转化试验结果进行模拟分析,得出它们的融化规律,且结果显示,模拟过程跟实际试验过程基本相吻合,这亦对试验结论进行了验证。
[硕士论文] 陈旭东
应用数学 厦门大学 2016(学位年度)
摘要:本文通过构造Galerkin基的方式建立逼近解,我们研究两类非牛顿流体Young测度值解的存在性:
  第一类是非牛顿单极子流体:{▽·u=0(a)u/(a)t+uk(a)u/(a)xk-▽·Τ(e(u))+▽π=0Τ(e(u))=2(μ0+μ1|e(u)|p-2)e(u)e(u)=(eij(u)) eij(u)=1/2((a)ui/(a)xj+(a)uj/(a)xi)
  第二类是如下电流变液流体:{(a)u/(a)t-▽·S(D,E)+u·▽u+▽π=xEE·▽E▽·u=0S(D,E)=(α1+α2|E|2)(1+|D|2)(p-2)/2D(u)D(u)=(▽u+▽uT)/2
  本文讨论了上述两类方程满足如下初边值条件时:{u=0在I×(a)Ωu(0)=u0在Ω
  在Young测度意义下解的存在性。
[博士论文] 王璐
工程热物理 哈尔滨工业大学 2015(学位年度)
摘要:将少量柔性长链高分子聚合物或某些表面活性剂加入水或者有机溶剂中可以明显减小湍流流动中的摩擦阻力,这种现象被称为添加剂湍流减阻效应。为了使这一现象更好地在实际工业系统中得到应用,亟需对其流动特性和减阻机理进行研究。由于实验方法不能获得粘弹性流体湍流减阻流动中的分子变形场和弹性应力场信息,因而大多采用数值模拟方法。大涡数值模拟(LES)因其在相同工况下计算量小于直接数值模拟(DNS)、可获得的信息量比雷诺平均数值模拟(RANS)多而备受关注。应用LES研究特定湍流流动时,关键在于所选用的亚格子模型是否适用于该种湍流流动,几乎所有已发表的亚格子模型只针对于牛顿流体湍流流动,而粘弹性流体湍流减阻流动LES研究刚刚起步,目前只有应用时间近似解卷积模型(TADM)尝试对粘弹性流体湍流减阻流动进行数值模拟。为了更好地应用LES研究粘弹性流体湍流减阻流动,需开发更多可靠、有效的亚格子模型。本文将从这一角度出发,结合粘弹性流体湍流减阻机理,构建针对粘弹性流体湍流减阻流动的新型亚格子模型,这对粘弹性流体湍流减阻流动LES研究有重要的理论意义和学术价值。
  从粘弹性流体湍流减阻机理的角度出发,基于反映粘弹性效应对湍流相干结构影响的思想,创新性地建立了耦合空间过滤和时间过滤的新型亚格子模型,命名为MCTCMixed subgrid-scale model based on Coherent structures and Temporal approximate deconvolution)。选用粘弹性流体强迫各向同性湍流和槽道湍流作为验证对象,将低雷诺数(Re)下两种湍流流动的LES结果与对应的DNS结果进行比较,同时将较高处下的LES槽道湍流结果与实验结果进行对比,结果表明本文所提出的MCT亚格子模型能够预测无壁面效应和有壁面效应的粘弹性流体湍流减阻流动,达到了本文的预期目的。在采用 MCT和TADM亚格子模型数值模拟较高处下的粘弹性流体强迫各向同性湍流时,发现TADM亚格子模型表现出过度耗散,而MCT亚格子模型并无此现象,表明 MCT亚格子模型在计算较高处下的湍流减阻流动方面具有优越性,这为 LES研究高Re下粘弹性流体湍流减阻流动奠定了基础。
  采用MCT亚格子模型建立了较高处下的粘弹性流体强迫各向同性湍流的LES数据库,并分析了其流动特性。结果表明粘弹性的存在明显改变了湍流的流动特性,涡量和拟涡能明显减小,小尺度涡结构数目明显减少,随着粘弹性效应的增强减阻率增大且粘弹性流体分子拉伸更为剧烈。同时,采用一维和二维小波变换进一步探究粘弹性效应对湍流多尺度特性的影响,发现湍流流动中的间歇性随着尺度的减小而增强,在粘弹性流体中不仅整个流动区域的涡结构以及间歇性受到抑制,而且局部涡结构对间歇性的贡献减弱。
  采用MCT亚格子模型对较高Re下的粘弹性流体槽道湍流进行数值模拟,建立了较高处下的LES数据库,并结合槽道湍流实验数据库分析其流动特性及减阻机理。结果表明在粘弹性流体中平均速度场、湍流脉动强度、雷诺剪切应力、低速条带结构等均发生变化,且粘弹性流体中的过渡层有向主流区扩展的趋势。根据湍流流动阻力贡献、湍流能贡献、基于小波变换的标度律以及间歇性的结果,很好地解释了粘弹性流体湍流减阻机理。从整体角度出发,粘弹性流体中湍流贡献的减小程度比引入的粘弹性贡献大,从而使湍流流动的摩擦系数减小,进而产生减阻效果;从粘弹性效应对壁面法向不同区域的影响角度出发,粘弹性效应主要抑制了过渡层中从线性底层由湍流猝发事件引起的上抛运动而来的相干结构。
[硕士论文] 郑梦娇
测试计量技术及仪器 中国计量学院 2015(学位年度)
摘要:颗粒沉降是颗粒两相流中非常重要的一部分,它与现代工业的发展息息相关。本文采用格子Boltzmann-虚拟区域法方法对颗粒在流体中的沉降特性进行了研究。
  首先,通过二维的数值模拟,对单个圆形颗粒和多个圆形颗粒在牛顿流体中沉降特性进行了研究。从动力学着手,本文研究了壁面、雷诺数和颗粒密度对单个圆形颗粒在牛顿流体的沉降速度、受力系数的影响,并且与圆柱绕流做了对比研究,文中定量地分析了两者数据,发现颗粒沉降与圆柱绕流的阻力系数差别不明显,但是横向力系数和St系数的差别就比较大,尤其是横向力系数,随着雷诺数的增加,两者横向力系数差值逐渐加大。对于多个圆形颗粒,文中通过改变颗粒数量和初始排列状态,研究颗粒群出现的不同沉降形态。此外,研究发现雷诺数是其中的关键因素。
  其次,采用幂律流体模型,对剪切变稀流体中单颗粒沉降和双颗粒沉降进行了模拟研究,考察了在二维情况下流体的幂律指数与雷诺数对颗粒沉降的影响,并与牛顿流体中的结论进行了比较,发现雷诺数相同情况下,幂律流体的指数越小(n≤1)颗粒的横向力系数越大。阻力系数随雷诺数增加而减小,并且在发生漩涡脱落的临界雷诺数附近出现最小值。另外,文中还定量地分析出St系数和雷诺数的关系。
  最后,通过三维的数值模拟方法,对圆球颗粒在牛顿流体中的沉降特性做了研究。文中比较了本次数值模拟与文献中的结果,验证了数值方法的有效性。在模拟串列排布的颗粒沉降中,本文研究了圆球颗粒的初始间距和雷诺数对沉降形态的影响,并且将圆球和圆形颗粒的沉降形态做了比较,发现圆球颗粒会出现与圆形颗粒相似的三种沉降模式。
[硕士论文] 景贺峰
化学工程 天津大学 2015(学位年度)
摘要:基于液滴的微流体技术(包括液滴的生成,液滴的混合,液滴的分裂,液滴的聚并和液滴的分选)的发展使得精确地控制,操作和功能化液滴成为可能。除此之外,基于液滴的微流体技术还可以实现通过聚合使液滴内发生相变、将细胞,蛋白质,DNA进行包裹以及合成微米和纳米颗粒。因此,微流体技术在流变领域的发展空间是巨大的。
  本文采用二维的波谱边界积分法研究了含有复杂内部结构的复乳液在有限制的微通道中的流变,分别探究了内部结构对复乳液的表观黏度以及对复乳液正碰过程中液膜排水的影响。
  对复乳液黏度的研究主要是在一个由两个同心圆柱组成的类旋转黏度计微装置中探究了含有不同内部结构的复乳液在旋转剪切流作用下的非对称变形。由于在剪切流中,液滴的变形能够影响乳液总的剪切应力(包括组分的贡献和界面的贡献),因此选择最外层液滴的变形系数D作为桥梁将复乳液的内部结构和它们的表观黏度联系起来,定性地讨论了内部结构,最外层液滴的变形,内圆柱所受的力矩以及复乳液的表观黏度之间的关系。对于复乳液的小变形的情况,内部液滴对最外层液滴的变形有加强和抑制的作用,而且内部子液滴在最外层液滴内部的环流作用下,将会发生旋转。总的来说,最外层液滴的变形越大,内圆柱所受的力矩越大,即复乳液的表观黏度随着最外层液滴变形的增加而增大。对于复乳液大变形的情况(没有破裂),由于内部液滴之间以及内部液滴和外部界面复杂的相互作用,使得复乳液大变形的情况比较复杂。
  对复乳液正碰的研究是基于液膜排水模型探究两个相同的复乳液在十字孔微通道中的靠近过程。中心线的液膜厚度和最小液膜厚度被选择用来描述复乳液的靠近。本文对比了简单液滴的靠近和双乳液的靠近过程中压力场和流场的相似和不同,并探究了内部子液滴所占的体积分率及初始位置对复乳液正碰过程中液膜排水的影响。研究发现内部子液滴会影响液膜排水,内部子液滴所占的体积分率越大,初始偏心率越大,影响也就越大。
[硕士论文] 沈洵
力学 太原理工大学 2015(学位年度)
摘要:基于我国“西气东输”工程以及天然气调峰需要,在我国东部地区将建造大量地下天然气储备库,2010年江苏金坛盐穴储气库成为我国首座投入生产的盐穴储气库。由于盐岩具有较大的塑性与流变性,因此,储气库腔体在长期运行过程中必将发生一定的流变变形。另外,我国的地下盐岩赋存具有单层厚度薄、夹层较多的层状赋存特征,因此,层状盐岩具有相对特殊的力学特性。为此,本文对于我国层状盐岩的基本力学特性以及石膏夹层在周期性循环荷载条件下的力学特性进行了试验研究,以及对于含有石膏夹层的地下盐穴储气库进行了有限元数值计算。
  (1)通过对江苏金坛层状盐岩进行单轴抗压强度与蠕变的试验研究,得出了盐岩的强度在17MPa左右,属于软岩范畴,随着石膏夹层含量的提高,层状盐岩的强度会有所提高;NaC1盐岩较强的变形能力主要表现为其蠕变性,石膏的稳态蠕变率明显小于盐岩,夹层的存在对于盐岩的蠕变具有一定的抑制作用。
  (2)通过对于石膏试件的循环加卸载试验,发现盐岩强度并不会发生明显变化,注采过程中的围岩强度可以得到有效保证;在不同的加载速率(0.002mm/s、0.02mm/s、0.2mm/s)条件下,石膏强度所受到的影响也不大,储气库运行过程中,腔体围岩应变率控制在10-5~10-3/S之间可以保证储气库腔体的安全稳定。
  (3)利用有限元数值分析软件ANSYS的瞬态分析方法对于地下盐穴储气库建立理想形状计算模型,对于储气库在20年注采运行期间受到周期荷载作用下的长期流变变形进行计算,其腔体顶部沉降量与溶腔体积收缩变形将随着时间逐渐增大,但速度逐渐放缓,后期沉降量达到近3.6m,腔体体积收缩率达到17.07%;通过改变运行过程中的注采气速率,发现适当地降低储气库注采气速率,可以有效控制腔体的顶部沉降以及体积收缩变形,从而达到提高地下盐穴储气库长期稳定性的目的。
[硕士论文] 周克
安全科学与工程 南京理工大学 2015(学位年度)
摘要:固体推进剂是国防工业中不可或缺的重要材料。目前,固体推进剂的制造生产多以单螺杆挤压工艺为主,然而生产工序中单螺杆压延和压伸过程具有事故多发、流变参数复杂、物料实时工况测量困难的特点。考虑到数值模拟技术可以便捷、直观地再现工艺细节,因此,论文借鉴有限元分析技术在塑料螺杆挤压工艺中的应用,利用POLYFLOW仿真平台对固体推进剂单螺杆挤压工艺的不同工况,以及螺杆中推进剂物料的混合性能进行分析与研究。
  根据推进剂的单螺杆挤出成型过程,首先对其稳定工况进行了分析计算,研究了速度场、物料黏度、压力场以及温度场等各参数的几何分布以及变化规律,结果表明螺杆螺棱处物料黏度较小、剪切速率较大、黏性生热明显,热量更容易积聚形成“热点”,生产安全中应重要关注。其次通过对工艺瞬时工况的研究发现压力场和温度场随时间推移有升高的迹象,且提升幅度递减,所以生产开车的前期需要着重管控。然后运用单因素法研究了两个工况下转速对各参数的影响,发现转速对诸参数正相关,所以在提高转速增加产能的同时需格外关注生产过程的安全性。
  混合性能的研究方面,从停留时间分布、混合指数以及混合参数统计3个方面分析了螺杆的混合效果以及不同参数对其造成的影响。结果表明,和转速参数相比螺槽的深度对混合特性影响较大,且混合指数概率方程与时间无关,而最大混合指数概率随时间增大。
  本文的研究工作对固体推进剂螺压工艺的生产控制、安全性与经济性的协调以及工艺设计的改进等方面具有一定的参考价值。
  
[硕士论文] 孙亚威
化学工程 天津理工大学 2015(学位年度)
摘要:非牛顿流体中平行气泡的生成过程和聚并特征对研究气泡间相互作用机理及气液接触设备设计优化具有指导意义。本文分别采用水平集与流体体积法(CLS-VOF)和高速摄像仪分别对不同条件下非牛顿流体中气泡聚并行为进行研究,并对微通道中气泡破裂行为进行数值模拟。
  本文采用 CLS-VOF对羧甲基纤维素钠(CMC)溶液中平行气泡生成过程中聚并行为进行模拟,并对比实验结果,证明模拟方法的有效性。分别考察了气泡聚并过程,以及溶液浓度,表面活性剂(十二烷基硫酸钠,SDS)浓度,气体流速,喷嘴内径及喷嘴间距对气泡形变的影响。结果表明,气泡聚并前,气泡纵横比(E)随气相流速和喷嘴内径增加而增加,而CMC浓度、SDS浓度以及喷嘴间距对其影响不明显;气泡聚并之后,纵横比随CMC浓度、SDS浓度和气相流速增加而增加,随喷嘴内径增加而减小。
  采用CCD高速相机观测了的不同条件下气泡聚并过程,分析了平行气泡聚并原因,结果表明,平行气泡聚并的先决条件是气泡相互间的接触时间必须大于聚并所需的挤压时间;气泡聚并时流体内外流场共同作用的结果。分析了气相流速、CMC浓度、SDS浓度等因素对气泡聚并行为的影响,结果表明:气相流速对聚并概率有很大影响;表面活性剂抑制气泡聚并;CMC促进气泡聚并。喷嘴间距及喷嘴内径对气泡聚并影响不明显。
  另外,采用 CLS-VOF法研究了不同出口夹角微通道中气泡破裂行为,结果表明,在气泡破裂过程初期随着气相流速的增加,气泡颈部厚度增加,在后期随气相流速的增加,气泡颈部厚度反而快速的减小;随聚丙烯酰胺(PAM)浓度的增加,气泡颈部厚度增加;随着气泡长度的增加或微通道出口夹角的减小,气泡破裂概率增加。
[博士论文] 杨闻宇
流体力学 上海交通大学 2014(学位年度)
摘要:粘性泥沙运动与变形问题性质复杂,影响因素众多,且观测困难,至今仍有很多重要问题尚未突破,亟待获取更多精确可靠的实验资料。同时,需从多尺度、多交叉学科的角度探求粘性泥沙的固有特性及其流动与变形的规律。为此,本文以流变学和泥沙运动力学等理论为基础,开展了如下主要研究工作:
  首先,本文研究了高浓度粘性泥沙在稳态剪切载荷作用下的流变特性及其流变行为。主要包括高浓度粘性泥沙固—液两相态转化的过程,低剪切应变速率、低剪切应变和低剪切应力作用下高浓度粘性泥沙的流变响应规律,不同剪切载荷类型、剪切时间、含水量、泥沙粒径组成对粘性泥沙流变特性的影响规律,分析讨论了Herschel-Bulkley与Carreau流变模型对于高浓度粘性泥沙的适用性,并通过量纲分析得出各模型参数的计算表达式。
  其次,研究了振荡载荷作用下天然高浓度粘性泥沙的流变响应规律。主要包括振荡载荷作用下天然高浓度粘性泥沙的典型粘弹性流变响应规律,不同振荡频率对粘性泥沙粘弹性特性的影响规律,利用快速傅里叶转换方法着重分析了大应变幅值下非线性应力波的响应规律,提出了振荡载荷作用下天然高浓度粘性泥沙的流变模型,进而探讨了波浪引起的泥沙流化机理。
  再次,研究了我国典型浅水平原型湖泊—杭州西湖底床泥沙的分层特性及其流变特性。主要测试了底床泥沙基本特性及其在剪切载荷作用下的流变特性,通过泥沙基本特性及其流变特性分析了西湖底床泥沙的分层特性,计算了波浪剪切力,根据经验公式计算了泥沙起动拖曳力,并探讨了表层泥沙起动时的临界拖曳力与其屈服应力的关系。
  最后,对比研究了天然泥沙和人工泥沙在稳态剪切和机械振动载荷下流变特性的变化规律。利用高级显微技术,观测了粘性泥沙在机械振动载荷作用后的微观结构变化,分析了振动频率对高浓度泥沙流变特性的影响,并初步探讨了机械振动载荷引起高浓度粘性泥沙流化在泥沙相关工程中的潜在应用。
  主要创新如下:
  (1)揭示了高浓度粘性泥沙在稳态剪切载荷作用下固—液两相态转化的过程,获得了低剪切载荷作用下高浓度粘性泥沙的流变响应规律,获得了Herschel-Bulkley模型与Carreau流变模型描述高浓度粘性泥沙流动行为的模型参数计算表达式。
  (2)获得了大应变幅值下非线性应力波的响应规律,提出了振荡载荷作用下天然高浓度粘性泥沙的流变模型,并从泥沙流变学的角度揭示了波浪引起的泥沙流化机理。
  (3)进一步证明了表层泥沙的屈服应力与起动时的临界起动拖曳力密切相关,揭示了泥沙流变特性对粘性泥沙运动的重要性。
  本文的研究结果为研究高浓度粘性泥沙问题提供了精确可靠的流变实验数据,提出了高浓度粘性泥沙的流变模型,对于深刻认识粘性泥沙流变特性与流变行为,以及泥沙输运问题有着重要的学术价值,为解决泥沙实际工程问题提供了新的理论支撑。
[硕士论文] 刘超
采矿工程 南华大学 2014(学位年度)
摘要:膏体充填技术与传统的两相流充填相比,具有稳定性好、不离析、进入采场后无脱水、充填体完整性好、充填总体成本低等显著优点,并能充分利用矿山的尾砂,解决矿业生产中的废料排放问题。昭通铅锌矿出于安全生产、提高资源回收率和尽可能实现无废开采的生产理念,提出以全尾砂为主要材料,实现膏体充填。膏体的长距离输送是膏体充填的关键技术之一,目前对于膏体输送阻力、流变参数的研究虽有大量成果值得借鉴,但由于具体矿山的材料差异,直接使用这些成果可能会造成较大的误差,因此,本文通过全尺寸环管输送试验,开展昭通铅锌矿全尾砂膏体充填料管道输送特性研究,以期为充填系统的设计提供依据。本文主要研究内容和成果如下:
  (1)在前期室内材料试验的成果之上,分析了云南昭通铅锌矿全尾砂胶结充填料的基本物理特性,初步设计了云南昭通铅锌矿全尾砂膏体充填料的组方,材料试验的结果表明:云南昭通铅锌矿的全尾砂充填料,当质量浓度在76%~80%时,其坍落度、析水率等符合膏体的标准。
  (2)设计开发了适合于全尾砂膏体充填料输送参数测试的环管泵送试验系统,输送管道选用内径为DN150mm、管壁厚度为δ8mm的普通无缝钢管,配内径DN150mm、曲率半径R1500mm、壁厚δ8mm的90°弯管,管道总长138.85m(包括倾斜管、水平管、垂直管和弯头),布置成1个环路。管路布置符合云南昭通铅锌矿全尾砂膏体充填的工程特点。
  (3)开展了全尾砂膏体环管泵送试验,采集大量数据,统计计算了不同配比、不同浓度、不同输送流量的全尾砂膏体充填料在水平输送、倾斜下行输送、倾斜上行输送、垂直上行输送和垂直下行输送、D150mm90°弯头等各种管道布置形式下的输送阻力。
  (4)分析了全尾砂膏体充填料输送阻力与膏体浓度、膏体流量、膏体配比之间的关系。分析结果表明:同一配比的膏体充填料,其输送阻力与膏体浓度、输送流量正相关;同一浓度的膏体充填料,其输送阻力与流量正相关,随灰砂比的变化而变化。
  (5)分析了全尾砂膏体环管泵送试验的压力数据异常现象及自动采集数据和手动采集数据的差异。
  (6)在阻力计算的基础上,结合流变学理论,用回归分析的方法得出了云南昭通铅锌矿全尾砂膏体各个组方、浓度的初始切应力和黏度系数,建立了初始切应力、黏度系数与全尾砂膏体配比、浓度的关系,分析总结和推导了膏体充填料管道输送沿程阻力计算的昭通公式。
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