激光刻蚀法制备超疏水自清洁铝合金表面

金属表面超疏水性能的研究是当今多学科研究的热点与难点,针对金属表面超疏水以及自清洁性能的研究现状,通过激光加工方法在粗糙铝合金表面构筑一种具备超疏水自清洁特性的网格状多级结构.采用扫描电子显微镜(S E M)、激光共聚焦显微镜(L S C M)以及光学接触角测量仪等表征试样表面的微观结构、三维形貌和润湿特性.结果表明:制备表面具有网格状多级结构,结构展现凹槽、坑、飞溅状或颗粒状的复杂形貌和复合尺度特征,表面具有优异的超疏水性能,接触角达到150.6°.同时自清洁性能测试发现超疏水铝合金表面展现良好的低黏附以及自清洁性能,这种复合性能对铝合金在脱附减阻等领域的应用研究提供一定的参考意义.     

针头表面改性及穿刺阻力实验

基于非光滑表面减阻理论,采用化学刻蚀的方法在不锈钢针头上构建微观结构。利用光学视频测试仪和超景深三维扫描系统分别对试样表面的润湿性和微观结构进行了检测与表征。通过测量接触角和穿刺阻力试验研究其疏水性和减阻特性关系,并对其穿刺减阻机理进行了分析。试验结果表明：试样接触角越大,减阻效果越明显。研究其机理发现,化学刻蚀形成的微观结构增加了针头表面的疏水性能,降低了针头表面的摩擦系数,从而达到了减阻效果。因此,经化学刻蚀方法可以在一定程度上调控不锈钢针头表面的疏水性进而控制其减阻特性。     

用于固液界面减阻无氟超疏水表面制备新方法

现阶段超疏减阻表面常用低表面能的氟化剂制备不绿色环保,为实现超疏水减阻表面的无氟化,提出一种可用于固液界面减阻的无氟铝合金超疏水表面制备新方法.首先,采用化学腐蚀技术在铝合金基底上快速制备微纳量级表面粗糙结构,再利用天然松香溶液和炭黑悬浊液进行表面修饰改性处理,替代传统氟化物.在表征上,分别采用扫描电子显微镜(SEM)、接触角测量仪和X射线能谱分析(EDS)来分别表征微观结构尺寸、表面润湿性和元素分析.通过不断优化表面结构和修饰溶液浓度,在铝合金样品上制备出接触角为155°,滚动角为1.38°处于Cassie模型状态的超疏水表面.结果表明:所构建的无氟超疏水表面经受80次浸没取出循环完整性良好,此外在速度为1.4 m/s连续水滴冲击3 h后仍保持良好的超疏特性;通过减阻冲刷实验装置测试,在0.5～3.5 m/s冲刷流速范围内,本方法制备的无氟超疏表面可达到20%～30%减阻率,从而验证了新方法在超疏减阻应用中的有效性.整个制备过程简单、成本低廉且无氟环保,利于规模化生产应用.     

快背式MIRA模型射流主动控制气动减阻研究

利用CFD仿真软件STAR-CCM+,对类车体MIRA模型的尾流场进行仿真研究。采用主动控制减阻技术的流动控制方式, 应用定常射流的方式控制尾流场的流动结构,探讨射流减阻的减阻措施。使用雷诺时均法SST k-w湍流模型对快背式MIRA模型尾部流场进行数值仿真,对尾部各个可能减阻的位置做了研究,找到最好的减阻工况,并分析了尾部涡流的变化,发现通过控制模型尾部的分离涡,可以改变车体的压力大小,从而减小模型的压差阻力,实现减阻的目的。     

凹槽内剪切流动特性对滑动减阻的影响

为了揭示凹槽内部剪切流动特性对滑动减阻效果的影响,利用静、动滑动摩擦因数测试系统和计算流体力学方法,理论、实验和数值模拟研究了凹槽高宽比(e=0.5、1.0、2.0、3.0)、凹槽几何尺寸、壁面运动速度等因素,对凹槽内的剪切流动特性及壁面滑动减阻效果的影响.研究发现,凹槽结构增加了润滑油滑动减阻效果,凹槽几何结构对减阻效果有明显影响,当凹槽宽度L、深度H均为2 mm时,凹槽的减阻效果相对较好,且壁面运动速度对其剪切力减小率fτ的影响较小.此外,凹槽尺寸、壁面滑动速度对凹槽内流场特性有重要影响,不同工况下凹槽内部存在上下2个涡或者1个大涡和2个边角涡.结果表明:凹槽内的剪切流动特性对滑动减阻效果有重要影响,并可为滑块表面凹槽结构设计提供重要的指导.     

基于仿生学原理的射流表面减阻性能研究

针对仿生射流表面减阻问题,建立仿生射流表面模型,利用SST k-ω湍流模型对其进行数值模拟,所得射流速度曲线与实验数据吻合良好。研究射流流体对边界层厚度的影响规律,探讨仿生射流表面的减阻机理。利用4因素3水平的正交试验,对射流表面和光滑表面摩擦阻力进行对比分析,得到了射流模型参数对减阻效果和节能效果的影响规律:在不考虑外加射流能量的情况下最大减阻率达50.41%;射流速度对节能效果的影响最大,主流速度对节能效果的影响其次,节能效率与主流速度成正比,最大节能效率为276。射流改变了边界层内的流场结构,使得射流表面的边界层厚度增大,垂直于射流表面的速度梯度减小,摩擦阻力减小。     

仿生射流表面孔径与射流速度耦合减阻特性数值模拟

针对仿生射流表面流场问题,基于非光滑表面减阻的仿生学理论,对鲨鱼鳃裂部位射流特征进行分析研究,建立具有类似于鲨鱼腮裂部位射流特征的仿生射流表面模型及可拓模型.利用SST k-ω湍流模型对仿生射流表面模型进行数值模拟,在主流场速度为20 m/s时,分析了不同射流孔径与不同射流速度耦合情况对壁面摩擦阻力、压差阻力及减阻率的影响,并对仿生射流表面减阻机理进行分析.研究表明在射流孔为5 mm时与射流速度耦合情况下的平均减阻率最大,为11.566%,同时为仿生射流表面多因素耦合情况下的减阻特性研究奠定基础.     

多孔仿生射流表面减阻特性数值模拟

利用RNGk-ε湍流模型对流体在多孔仿生射流表面上的流动特性进行了数值模拟。结果表明:减阻率和流速比呈线性关系,流速比越大减阻效果越好,最大减阻率为59.02%;单孔射流表面中心线上的摩擦阻力系数先减小后增大,局部减阻率最大为111.8%;射流孔越多,减阻效果越好。探讨了仿生射流表面减阻机理:射流通过改变其表面附近的流场结构,使得边界层黏性底层的厚度增加,垂直于壁面的法向速度梯度减小,达到了显著的减阻效果;同时产生稳定的流向涡结构,并在壁面处形成小的二次涡,抑制了流体间的动量交换,减小了摩擦阻力。     

疏水纳米通道内微流动数值计算方法研究

疏水表面水下减阻研究是当前减阻研究领域的热门课题之一,该类表面一般分布着微纳米尺度的微结构,其附近流动属微流动问题。以疏水纳米通道内微流动为例,探索了将现有微流动相关理论和方法应用于疏水性表面减阻研究的可行性,并结合疏水表面界面特性,给出了疏水纳米通道内微流动的分子动力学数值计算方法(MDS)。其中,在数学模型中,统计系综为正则系综(NVT),势能函数采用Lennard-Jones模型,壁面设定为刚性壁面,壁面疏水性则通过在势能函数中引入修正因子来表征;而在数值计算中,温度校正使用速度标定法,牛顿运动方程求解则采用Verlet算法。实例计算结果表明,疏水微通道内流体密度呈现内高、外低的振荡型对称分布特点,且随着壁面疏水性的增强,振荡程度减弱;同时疏水壁面处存在滑移现象,且滑移量随壁面疏水性增强而增大。     

仿生玫瑰花花瓣的表面微观形貌

生物表面性质与表面结构密切相关,玫瑰花花瓣是一种超疏水表面,对玫瑰花花瓣表面微观形貌的研究,有助于理解超疏水表面的作用机制以及优化超疏水表面的结构设计。制备了不同颜色的玫瑰花花瓣试样,采用角接触测量仪和激光扫描显微镜,分别测量和观察不同颜色的玫瑰花花瓣表面的接触角和表面微观形貌,采用中值滤波、均值滤波对淡黄玫瑰花花瓣表面高程数据进行处理,重构得到仿生玫瑰花表面。对比分析淡黄玫瑰花花瓣表面和仿生重构表面,结果表明中值滤波和均值滤波处理后重构的表面与原始表面微观形貌相似,润湿性能相近。     

考虑热效应流体绕流柱体的流动分析

对水横掠热柱体时旋涡脱落时的流动试验进行了分析.研究表明,考虑热效应后的旋涡脱落发生明显变化,表现在旋涡脱落信号傅里叶变换峰宽的改变.在一般换热器设计中往往忽略了壁面热效应,应引起有关部门注意.     

圆管分层层流的流动规律

从流体力学中N－S方程出发，建立了圆管两相分层层流流动的数学模型，通过两相分层层流的相互作用的流体力学分析，提出了两相流动界面的耦合条件，从而得到了一组完整描述两相圆管分层流的数学方程，再通过数值求解分层流的数学方程，得到了对工程实际应用有重要价值的流动规律，应用圆管两相分层层流的流动规律，可以实现高粘流体的高效率输送，其节能效果十分明显。     

水流流速与阻力的脉动规律

利用 LDA-10型二维激光流速仪,作者实测了室内水槽中水流的脉动结构和时均结构、着重分析论证了流速的概率密度分布;同时,用统计数学方法考察了与流速成平方关系的阻力的概率密度分布.结果表明:1.在整个水深范围内,水流流速样本系列服从正态布分.在近壁区也是如此:2.在相对水深y/H=0以上区域阻力样本服从正态分布、在 y/H=0.05以下区域则具有偏态性.     

水平管中气液两相流的流动特性研究

本文对水平管中气液两相流的流型分类，摩阻压降梯度在自制的实验台上作了系统的测定和研究，对气液两相流中这一经典课题得出的自己的见解和研究结果。     

建筑开口流量系数及其对火灾烟流的影响

在高层建筑火灾试验塔上测试了典型门、窗不同开度时的流量系数。该系数可用于火灾烟气流动预测计算,也可用于压送风量及一般建筑通风换气计算。同时,运用建筑物火灾烟气流动性状预测计算软件,分析了门窗开度及流量的系数对火灾烟流的影响。     

植物条件下明渠紊流拟序结构的可视化研究

运用数字图像处理及流动显示技术,对植物条件下明渠紊流拟序结构进行了初步研究。实验结果表明,植物改变了明渠的紊流结构,与无植物条件存在明显差异。根据拟序结构特性,流动可以划分为三个区域：植物内层区,弱猝发现象与类卡门涡街综合作用,尾流涡结构受植物直径及排列方式影响大;植物顶部附近区,紊流结构复杂、结构变化快,同时存在壁面边界层中的猝发现象及自由混合层中大涡配对现象,猝发周期与流速负相关,涡平均渗透深度与流速和淹没度正相关;植物外层区,与明渠外区类似,表现为涡体拉伸及紊流的间歇性。各区紊流拟序结构各不相同,但却相互作用、相互影响。     

对转式轴流风机内流的数值模拟

采用压力修正法（SIMPLE法）和混合H－D格式,结合K－e湍流模型,求解加权平均N－S方程,数值模拟了对转式轴流通风机内的流场,设计性能良好的对转风机有较好的流场,说明通过求解N－S方程是定性分析对转式风机性能的一种有效方法。     

孔板流量计流场的数值模拟

基于对不可压缩流体流过孔板基本代数方程组的分析,自主开发了孔板流量计流场的数值模拟软件.详细分析软件收敛的条件,并给出了在层流和湍流条件下流出系数的计算结果.不仅将在湍流条件下的数值模拟结果与国际标准化组织(ISO)数据进行对比,同时,还将在层流条件下的数值模拟结果与试验数据进行对比.对比结果表明:在层流条件下,计算结果误差可控制在3％以内;而在湍流条件下,计算结果的误差可控制在2％以内.     

轴流泵端壁区域流动三维粘性数值计算

本文作者采用通用流场分析软件FLUENT,基于N-S方程,选用RNG k-ε湍流模型与SIMPLEC算法,对轴流泵叶轮内部(及端壁间隙)流动进行了三维粘性数值计算.通过实验验证,表明数值计算结果和实测数据吻合较好.详细分析了叶顶附近流场形态以及叶轮出口轴向、周向速度分布,进行了性能预估.并给出了实验装置图.     

环柱形狭缝通道内气液两相流流动特性

在水平放置的环柱形狭缝通道中, 对空气 水两相混合物的流动特性进行了研究, 首次得出了相应的流型图, 并提出了预测压降的关联式, 为环柱形狭缝通道中空气 水两相混合物的传热特性研究奠定了基础。