熔渣颗粒空冷相变换热的三维数值模拟

利用VOF方法结合凝固和熔化模型对熔渣颗粒在空气流中的冷却相变过程进行了三维数值模拟,讨论了熔渣颗粒直径和空气速度对冷却凝固过程演变的影响。结果表明:空冷方法能够实现熔渣颗粒表面的快速凝固成型,但同时也造成了颗粒内部的非均匀凝固。熔渣直径越小,完全凝固时间越短;空气流速越大时,其表面换热越强,完全冷却时间越短。颗粒初温为1673.15K、直径为0.5~2mm,风速为1~5m·s-1条件下熔渣颗粒在2s内释放出全部凝固热,后续空气最高温度能达到900K以上。     

固碳产甲烷微生物阴极能质传输特性数值模拟

固碳产甲烷微生物电合成系统以附着其电极表面的生物膜为催化剂，可以在处理废水的同时将CO₂转化为甲烷，极具应用前景。微生物阴极是该系统的核心部件之一，其表面生物膜内的能质传输特性极大地影响系统性能。针对微生物阴极能质传输特性尚不明确的问题，推导了微生物阴极电极反应动力学方程（Nernst-Monod方程），构建了耦合生化/电化学反应的物质传输理论模型，研究了不同阴极电势、生物膜电导率以及孔隙率对阴极生物膜内电荷及物质传输的影响规律。研究结果表明当阴极电势高于-0.5 V (vs SHE)时，随阴极电势的降低生物膜内电流密度增大，底物浓度降低；但当阴极电势降低至-0.5 V(vs SHE)后，生物膜消耗电子还原底物的能力几乎达到饱和；低电导率（<10^-3 S/m）会导致生物膜内形成明显的电势差，使得底物利用速率降低，严重影响微生物阴极的性能；生物膜孔隙率控制在0.4时，微生物阴极可达到最佳电流密度。     

静电喷雾沉积半径的预测模型

静电喷雾法制备薄膜是近年来新兴的纳米材料制备工艺之一,因其具有工艺简单、材料利用率高和表面适应性强等优点而受到广泛关注。喷涂面积作为评价喷涂质量和生产效率的重要指标,由于易受外加电压、溶液性质、喷涂距离等参数的影响,在相关的生产过程中难以精确控制。为了解决这一问题,本文提出了一种预测静电喷雾沉积半径的数学模型。通过高斯定律将静电喷雾羽流等效为空间电荷场,随后对羽流外侧液滴进行受力分析,得出喷雾羽流在不同位置处的膨胀半径,即为静电喷雾的沉积半径。对比发现,模型与相关结果吻合良好。相比传统的拉格朗日方法和实验方法,该模型可快速预测各种工况下的喷涂面积,为工业生产操作和雾化器设计提供指导。     

流动腐蚀方式对石英光纤湿腐蚀特性的影响

为了获得光滑的腐蚀光纤表面,本文从光纤腐蚀的传质及动力学特性出发,设计了一种流动腐蚀光纤装置.采用质量百分比浓度为12.5％的氢氟酸(HF)溶液,研究了石英光纤的组成成分、腐蚀剂温度和流速对腐蚀速率以及腐蚀后光纤表面形貌的影响.实验结果及理论分析表明:光纤腐蚀速率和表面粗糙度受化学反应速率和传质速率控制;由于光纤纤芯与包层成分不同,导致纤芯腐蚀速率高于包层腐蚀速率;在静态腐蚀条件下,腐蚀速率随温度呈非线性增长,且腐蚀后光纤表面粗糙;在流动腐蚀条件下,光纤腐蚀速率提高,并与温度呈线性关系,腐蚀后光纤表面粗糙度随流速的增加呈现出先减小后增大的趋势;在流速为0.75 L/min时,获得了光滑的腐蚀光纤表面.     

熔渣颗粒空冷相变换热的三维数值模拟

利用VOF方法结合凝固和熔化模型对熔渣颗粒在空气流中的冷却相变过程进行了三维数值模拟,讨论了熔渣颗粒直径和空气速度对冷却凝固过程演变的影响。结果表明：空冷方法能够实现熔渣颗粒表面的快速凝固成型,但同时也造成了颗粒内部的非均匀凝固。熔渣直径越小,完全凝固时间越短;空气流速越大时, 其表面换热越强, 完全冷却时间越短。颗粒初温为1673.15 K、直径为0.5~2 mm,风速为1~5 m·s^-1条件下熔渣颗粒在2 s内释放出全部凝固热,后续空气最高温度能达到900 K以上。     

速度对液滴撞击超疏水壁面行为特性的影响

通过可视化实验研究了直径为2.58 mm的液滴在不同速度下撞击静态接触角为156°超疏水壁面后的运动特性,其液滴Weber数在8~310之间。实验利用光学原理在同一画面上同时记录了液滴撞击壁面过程的正面及底面图像。实验结果表明:液滴撞击壁面的速度对液滴的前进角、后退角,三相接触线的速度以及液滴反弹后的空中运动特性都有较大的影响;液滴高速撞击超疏水壁面后会产生明显的液指及多组卫星液滴,回缩阶段相邻的液指发生聚并直至液滴完全回缩。     

变负载工况下微生物燃料电池响应特性

变工况运行时微生物燃料电池(MFC)的响应特性是揭示其运行规律的重要因素之一,对于指导MFC的实际应用有重要意义。分别针对以50、100、400和1000Ω启动的双室型MFC,以电池的电压响应和性能参数为评价指标,研究了MFC的启动特性和启动完成后MFC对负载变化的响应特性。结果表明,启动电阻越小电池启动越慢,但其最大功率密度越大。与MFC-50和MFC-100相比,MFC-1000和MFC-400对50Ω负载响应的时间较长,且其负载电压均表现出先急剧下降后缓慢上升的特征。经过较长时间的适应期后,所有电池的最大功率密度均可达到2000 mW·m-2以上。此后,当上述MFC的负载切换为原培养电阻时,其响应时间明显缩短且电池最高功率密度不再发生变化。     

转盘离心粒化中丝状成粒特性

针对转盘离心粒化工艺,以水为工质开展可视化实验。采用高速摄影仪对液膜波动、液丝断裂等粒化过程进行了捕捉,并利用MATLAB自编程序对获得的图像进行了处理。分析了离心粒化过程中液丝形成过程以及液丝断裂形成液滴的过程。研究了运行工况对液丝、液滴形成机制的影响。讨论了液丝形成对液滴形成的影响并获得了Weber数、Reynolds数对粒化效果的影响程度。结果表明,表面不稳定波是形成液丝的主要因素,且液丝在Rayleigh不稳定性的作用下断裂形成液滴。升高转速或者减小流量有利于获得均匀的小液滴。Weber数对液丝、液滴形成具有显著影响;Reynolds数仅对液丝数目有显著影响。     

微生物燃料电池处理含柠檬酸钠废水的研究

柠檬酸钠由于其优良的性质被广泛应用于食品、医药、化工等诸多领域,越来越广泛的应用导致工业和市政污水中柠檬酸钠的含量升高,加剧了水体的富营养化。将柠檬酸钠作为微生物燃料电池（microbial fuel cell, MFC）阳极底物,研究得到了柠檬酸钠单独作为混合菌种MFC底物时的产电性能。结果显示,与乙酸钠和葡萄糖相比,以柠檬酸钠为底物的MFC（Na₃C₆H₅O₇-MFC）获得的最大功率密度为742.96 mW·m^-2,是乙酸钠（NaAc-MFC）和葡萄糖（Glu-MFC）的1.77倍和1.12倍。NaAc-MFC和Glu-MFC的启动时间分别约为Na₃C₆H₅O₇-MFC（57 h）的1.8倍和2.9倍。同时,Na₃C₆H₅O₇-MFC对COD的去除率为87.65%,与NaAc-MFC和Glu-MFC相差不大。Na₃C₆H₅O₇-MFC的库仑效率高达61.31%,明显优于NaAc-MFC和Glu-MFC。实验结果表明MFC可以有效地降解柠檬酸钠,能够处理含柠檬酸钠废水,并为柠檬酸钠单独作为底物应用于MFC提供了依据。     

荷叶表面的复刻及微纳结构对疏水性能的影响

结合改进的模板法和ZnO水热生长法在环氧树脂基底上得到了荷叶仿生超疏水结构,该方法工艺流程简单、制作成本低廉,可以实现微观结构的快速复刻。研究了模板法对天然表面复刻的适用范围,其对荷叶和水稻等具有突起类微观结构表面的复刻效果良好,并研究了水热法中ZnO生长液浓度对纳米结构的影响。同时为了研究不同微观结构对表面疏水性能的影响,制作了光滑表面、纳米结构表面和仿荷叶微米结构表面,并测试了表面的疏水性能。结果表明,粗糙结构能够提高低能表面的疏水性能,微纳复合结构更有利于表面形成超疏水;增加表面的粗糙结构能够增加液滴与固体接触面上的气-液占比,进而使得液滴在表面的接触角增加。