超疏水表面的减阻研究

为探索超疏水表面的减阻机制,利用位错刻蚀法在铝板上制备出接触角为156°、滚动角小于5°的超疏水表面,并分别以具有超疏水表面和亲水表面的铝板为基板,构建了两种流动状态可视化测试的微粒子图像测速(Particle Image Velocimetry ,PIV)微通道,通过PIV粒子图像测试技术对水在超疏水微通道和亲水微通道中的速度流动情况进行实验测定与对比,得出超疏水表面确实有减阻效果,最大减阻效果可达8.72%,并从多角度进行了解释分析.     

基于微肋板伸缩疏水/超疏水表面设计及其润湿性调控

利用组装的方法制备了具有微肋板结构且肋板高度可调控的表面,利用自组装分子膜技术对表面进行低表面能修饰,利用机械式调控方法改变疏水/超疏水表面微肋板高度,实现表面润湿性调控。结果表明:设计的疏水/超疏水表面可通过机械式调控方法实现表面润湿性调控,且可实现连续调控。具有微肋板结构表面的接触角具有各向异性,液滴在垂直于微肋板方向上的接触角大于平行于微肋板方向上的接触角。基于机械式调控方法,在垂直于微肋板方向上,表面润湿性实现了弱疏水到强疏水甚至超疏水的可逆调控,平行于微肋板方向上的调控效果相对较弱。微肋板的最佳组合可在116.2°~151.4°范围内实现润湿性调控,通过改变微肋板高度可控制表面接触角为这一范围内的任意值。     

横纹槽管内插扭带复合强化传热的试验研究*

不同强化传热方式的复合会产生不同的传热效果,通过试验将不同扭率的扭带与同一规格横纹槽管复合强化传热的效果进行对比。试验以高黏度的导热油为工质,在500<Re<7 000、50<Pr<180的参数范围内,研究复合强化管的Nu数和阻力系数f随着Re数的变化情况,通过多元线性回归得到Nu数和f的关联式,并以强化传热性能评价指标(Performance evaluation criteria,PEC)值为标准评价其综合换热性能。结果表明：相同扭率下,复合强化管的阻力系数是光管内插扭带阻力系数的2~5倍,Nu数是光管内插连续扭带的1~4倍。随着Re数的增加,扭率Y对复合强化管的Nu数值影响越来越小。层流工况下,复合强化管的综合换热性能指标PEC值随Re数的增加而增加,且与扭率Y成负相关;过渡流工况下,复合强化管的PEC值都随Re数的增加而减小,扭率Y为5.21时的复合强化管综合换热效果最好。     

采用移动式阴极制备大尺寸超亲水/超疏水铝板

基于电化学加工方法和氟化处理技术,采用移动式阴极制备了大尺寸超亲水/超疏水铝板,用扫描电子显微镜和能谱仪分别对该铝板表面的形貌和成分进行了分析,并采用接触角测量仪测量了所得表面的接触角和滚动角。结果表明:采用移动式阴极加工大面积超亲水/超疏水铝板是可行的;电化学加工后的超亲水铝板表面存在二元微纳米粗糙结构,对水的接触角约为0°;该超亲水表面经氟化处理后可转变为超疏水表面,对水的接触角为167°,滚动角小于3°。     

超疏水表面减阻特性的研究进展

超疏水表面具有减阻效果,在提高管道传输效率、降低水下航行体和微流体器件中流动阻力等方面有着广阔的应用前景。介绍超疏水表面的制备、滑移理论以及减阻特性的研究,讨论微尺度下表面润湿性、表面微结构和流场流动状态对壁面减阻的影响,对超疏水壁面减阻的物理机制进行总结,并指出气体层不连续模型和气穴模型是分别适用于光滑疏水表面和带微结构超疏水表面的减阻模型。介绍超疏水表面减阻特性的一些应用,提出将超疏水表面应用到微流体系统中面临的问题,如微通道壁面疏水性的制备及其减阻效果的耐久性。     

磁粉电火花毛化制备铝基超疏水表面

采用磁粉电火花放电技术在铝合金表面构筑微纳复合结构,通过低表面能物质修饰得到超疏水表面,其静态接触角达到156.5°,滚动角为3°。结果表明,磁粉电火花放电在铝合金表面构筑了致密的大小不等的陨石坑-凸起-气孔-颗粒复合粗糙结构,形成了"气垫"效应,实现了超疏水功能。研究表明毛化时间和峰值电流都会影响表面微纳复合结构的尺度大小和疏密从而影响表面疏水性。最后通过剥离实验验证其具有良好的耐用性。由于磁粉电极的柔性,此技术还适用于毛化形状复杂的表面,应用范围广。     

电刷镀法制备钢基体超疏水表面的实验研究

采用复合电刷镀技术,在Q235钢表面制备了具有超疏水性能的n-SiO2/Ni纳米复合镀层,在优选的工艺参数下,获得了接触角为1698°、滚动角为23°的超疏水表面。研究了刷镀电压和刷镀时间对镀层表面结构和疏水性的影响规律;分析了复合镀层表面和截面的结构形貌特点;研究了电刷移动速度对复合镀层中n-SiO2含量的影响规律。对镀层的接触角、表面粗糙度和显微硬度进行了表征。结果表明：刷镀电压和刷镀时间是影响复合镀层表面微观结构特征的重要因素;复合镀层表面的微纳米双重结构对表面的超疏水性起到了关键的作用。     

疏水表面的摩擦阻力特性研究

考虑到单纯的形貌和低表面能涂层减小摩擦阻力的效果有限,利用铝基底、聚四氟乙烯涂层制备了几种表面形貌和低表面涂层相结合的疏水表面,并应用到水下航行体的减阻实验中。结果表明:具有聚四氟乙烯涂层的微形貌结构的表面接触角可超过120°,形成疏水状态;部分疏水表面在减阻实验中具有较好的效果,比只有微形貌的表面的周期性减阻有了更好的稳定性;不是所有的疏水表面都具有减小摩擦力的作用,偏角的方向、进刀量的大小、形貌的周期等许多因素都直接影响着阻力的大小。     

小孔斜度对车厢气膜减阻效果的模拟实验研究

针对厢式运输车的减阻问题,采用厢体表面气膜减阻的方法,并通过模拟风阻测试试验探讨小孔斜度对厢体气膜减阻效果的影响。在主流速度25 m/s、渗流速度3 m/s条件下,分别对厢体表面具有15°、30°、45°、60°和90°五种不同小孔斜度的厢体模型在可变风速测阻装置中进行风阻模拟测试。结果表明,厢体的气膜减阻率随着小孔斜度的增大而逐渐增大,当小孔斜度为90°时,可以取得5.324%的最大减阻率。     

粘度对超疏水固体表面减阻影响的实验研究

为了研究流体粘度对微细结构固体表面减阻特性的影响,用飞秒激光加工技术在光滑K9玻璃表面加工出光栅微细结构,并对光滑K9玻璃和光栅结构K9玻璃表面进行硅烷化处理,用AR-G2流变仪测量了不同粘度甘油溶液在两表面的扭矩与剪切速率,根据推导出的减阻率计算公式,计算出它们各自的减阻率。结果表明:超疏水光栅微结构表面与疏水光滑表面相比具有明显的减阻特性;微细结构固体表面的减阻效果随着流体粘度的增加而显著提高。     

Experimental investigation of heat transfer enhancement in a circular duct with circumferential fins and circular disks

The characteristics of heat transfer and pressure drop for fully developed turbulent flow in a tube with circumferential fins and circular disks were experimentally studied. The various spacing and sizes of circumferential fins and circular disks were selected as design parameters, while the effects of these parameters on heat transfer enhancement and pressure drop were investigated. In order to quantify the effect of heat transfer enhancement and the increase of pressure drop due to the fins and disks in a tube, the Nusselt numbers and the friction factors for various configurations and operating conditions were compared to those for a corresponding smooth tube. The results showed that the heat transfer rate was significantly enhanced by increasing the height of circumferential fins and decreasing the pitch of circumferential fins. On the other hand, the influence of the disk size and the fin-disk spacing were not significant. Based on the experimental results, a correlation for estimating the Nusselt number was suggested.     

斜置双瓣止回阀内部流态的模拟与试验研究

为了改进普通止回阀存在的开启角度小、流阻系数大等不足,设计一种新型斜置双瓣止回阀,对其在30°、50°、70°、80°及全开工况下的内部流动特性进行分析,计算出流阻系数及流量系数。对其进行压力损失特性试验及流量特性试验,计算出每个工况下的流阻系数及流量系数,将其与模拟数据进行对比分析。研究结果表明,斜置双瓣止回阀的模拟结果与试验结果比较接近,开启角度大,压力损失小,流阻系数小,流量系数大,通流能力好。通过对斜置双瓣止回阀进行数值模拟及试验研究,斜置双瓣止回阀的设计对流体系统节能具有指导意义。     

油润滑微孔SiC表面极限PV值特性试验*

为提高摩擦副材料极限PV值以避免启停等极端条件下润滑表面的剧烈磨损失效,提高零件的可靠性和使用寿命,开展油润滑微孔SiC表面极限PV值试验研究。考虑空化效应影响,分别对光滑表面、圆孔表面和椭圆微孔表面进行润滑状态分析,获得微孔试件表面的压力分布;对摩擦因数、温度和表面磨损形貌进行试验测量,获得不同载荷工况下微孔表面磨损失效的临界转速和极限PV值的变化规律。结果表明:微孔表面呈现出提高SiC摩擦副极限PV值的趋势,平均极限PV值最大提高70%以上,其中椭圆微孔最大可使摩擦副的极限PV值提高2倍以上;微孔表面的极限PV值随载荷工况的变化呈现明显的波动和不确定性。边界润滑条件下,表面微孔可能出现减摩效果,也可能出现增摩现象,试验中圆形微孔可使摩擦副的极限PV值下降超过60%。     

水冷盘式制动器散热结构优化

为提高水冷盘式制动器散热性能,基于强化对流传热原理,通过添加扰流柱对制动器散热结构进行优化,设计了4种扰流柱散热结构,运用CFD方法模拟制动盘流固耦合传热过程,采用Fluent软件进行热流固耦合仿真计算,获得制动盘温度特性和换热特性以及流动阻力特性,并使用综合性能评价因子对不同扰流柱散热结构进行评价。结果表明:通过在安装盘水槽内添加扰流柱可以有效地提高水冷盘式制动器的散热效果;在相同的工作条件下,正三角形扰流柱散热结构的盘面温度最低,平均努塞尔数与流动阻力最高,其综合散热性能较圆形、椭圆形以及水滴形扰流柱散热结构分别提高了3.4%,2.4%和4.4%,较无扰流柱散热结构提高了6.7%,正三角形扰流柱散热结构具有更好的综合散热性能。研究结果为水冷盘式制动器散热结构的优化设计提供了参考。     

基于格子Boltzmann方法的分叉微通道内非牛顿流体流动特性研究

为探究分叉微通道内非牛顿流体的流动特性,将非牛顿流体幂律模型引入牛顿流体格子Boltzmann模型,在不同分叉角度矩形截面微通道内数值模拟不同质量分数剪切稀化流体的流动行为;通过分析流动过程中密度随时间的变化趋势以及稳态流动下的密度,得到微通道内压力的分布以及流动区间的压力降;分析溶液质量分数、入口速度与分叉角度对非牛顿流体流动特性的影响,探讨流体特性和微通道几何构型对非牛顿流体流动行为的影响机制。结果表明:分叉角度为90°的微通道内流体的压力降最小,当分叉角度大于90°时,压力降随着分叉角度的增大而减小,当分叉角度小于90°时,压力降随着分叉角度的增大而增大;流体入口速度和流体溶液质量分数增大,压力降均增大;流体溶液质量分数增大使得分叉角度和入口速度对出口处压力降的影响更为显著;微通道内各截面处压力降分布呈抛物线形。     

特斯拉型混合器中障碍物布局的优化

微混合器作为一种可以实现快速、高效的混合设备在生物分析、化学反应和检测等领域中应用,特斯拉阀因其简单的结构和特殊的流动机理常应用于微混合器的结构设计中。为提高混合效率,在特斯拉型混合器中添加菱形障碍物,并基于流场分析对其布局进行了优化和实验验证。以混合率和压降比值最大为优化目标对菱形障碍物在特斯拉型微混合器布局进行优化,经过优化得最优菱形障碍物尺寸为46.35 μm,最优横向偏移量为18.78 μm,最优竖向偏移量为20 μm。基于优化结果,设计并制作了添加菱形障碍物的特斯拉型微混合器并对微混合器的混合效果进行实验验证。结果表明设计优化的菱形障碍物特斯拉型微混合器与未添加障碍物时的特斯拉型微混合器相比在相同条件下具有更高的混合效率。     

304不锈钢表面离散圆形凹坑液相辅助激光制备及摩擦性能

为改善304不锈钢耐磨性及润湿性，在空气与液相2种介质下使用激光加工技术在304不锈钢表面制备离散型圆形凹坑织构。借助白光干涉仪、扫描电子显微镜及能谱、接触角测量仪对织构试样表面形貌、元素含量及润湿性进行了表征，并通过摩擦磨损试验考察了织构试样在干摩擦和油润滑下的摩擦学性能。结果表明：空气介质下激光加工增强了试样表面疏水性能，接触角为123.3°；液相辅助激光加工增强了试样表面润湿性，接触角为29.3°；液相辅助激光加工表面的微凹坑分布更加均匀，无明显的氧化及熔融物重铸现象，这是因为液相在激光加工时对试样起到了冷却及保护作用；液相辅助激光加工表面织构在2种摩擦工况下的摩擦因数均最小，且磨损有一定改善。液相辅助激光制备的织构表面较为均匀、无较大的微凸峰，且具有较好的润湿性能，有利于润滑油的存储及铺展，进而改善了界面摩擦行为。     

碳化硼增强铝基复合材料的摩擦磨损性能

为了比较两种含量不同的碳化硼颗粒增强铝基复合材料的摩擦学性能,将其加工成销试样,在多功能摩擦磨损试验机上分别与钢盘试样进行对比摩擦磨损试验,重点研究了接触载荷和相对滑动速度对两种复合材料摩擦磨损性能的影响.结果表明:碳化硼增强铝基复合材料的磨损量随载荷与相对滑动速度的增大而增大,而摩擦因数随载荷与相对滑动速度的增大而减小,较高碳化硼含量的复合材料的耐磨性能比较低含量的复合材料好.     

Investigation of single phase frictional pressure loss in circular micro tubes

Single phase pressure drops in micro tubes were investigated through an experimental measurement and a numerical simulation. Experimental Po was obtained in circular micro tubes with 87 and 118 μm diameter with distilled water. Experiments were carried out in laminar flow region with varying the Re 15–450 for the 87 μm diameter tubes and 60–1300 for the 118 μm diameter tube. No early transition from laminar to turbulent flow was detected for the experimental range. The computational estimation of pressure drop in the 87 μm diameter tube was performed with the aid of CFD software. Boundary conditions from experiments were used for the numerical simulation. The results of experimental and numerical studies showed a good agreement with the conventional macro theory.     

搅拌摩擦焊接中搅拌头的受力分析

采用基于固体力学的有限元方法研究搅拌摩擦焊接过程中,不同过程参数情况下搅拌头的受力情况.研究发现,搅拌摩擦焊接过程中搅拌头上应力的最大值发生在搅拌头前进方向上搅拌头与焊缝中心线接触点的附近,且von Mises应力的最大值随搅拌头平移速度的增加而增加,随搅拌头转速的增加而较小.搅拌头前方的接触压力较大,后方接触压力较小,后退侧的接触压力较前进侧大.搅拌头的不停旋转决定了搅拌头受到交变载荷作用,导致疲劳成为搅拌头破坏的原因之一.焊缝中心线附近的等效塑性应变和结构纹理呈现洋葱状结构.