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关键词： 文丘里流量计   油水两相流   数值模拟   流动特性   压降特性  

摘要： 油井启用生产后,此油井中油、水、气混合物的混合比例将随着开采过程动态变化。位于井下的流量数据是识别、确定产能异常部位并配产的重要依据。多相流量计能够在线实时测量多相流参数,对及时调整油井的采油工艺使其适应当前油井状况,从而保证油井的的稳产具有重要作用。本文基于流体力学基本原理和流体运动基本控制方程,结合相关的油水两相流理论知识,运用成熟的单相流量计——文丘里流量计,并创新性的结合数值模拟得到的相分率模型来实现油水两相流的测量。本文的主要工作如下:查找大量文献资料,分析油水两相流研究现状以及多相流计量的实验研究,借鉴前人研究的成熟气液两相流的测量思路,分析并设计了油水两相流流量测量原理。通过ICEM绘制几何模型并选取合适的网格数量,导入到Fluent软件中进行多种流量、多种油水比下的数值模拟计算,分析相分布、压力分布和速度分布云图。探究文丘里管入口与喉部之间的压差、流量、含水率之间的关系,得到相分率曲线,结合测量到的压差,可以进行油水两相流的流量测量。同时分析了文丘里管入口与出口之间的总压降、流量、含水率之间的关系,结合测量到的混合流总压降,也可以用来计算混合物的流量和含水率。此外还研究不同的物性参数对于油水两相流流动特性的影响:随着流量的增加,入口来流处的压力会升高,喉部压力最低点的位置基本一致,流量越大,喉部压力越低;含水率升高,水相润湿壁面长度增加,混合流体的粘度降低,能量损失减少,流动产生的压力损失会越来越小,摩阻也会越来越小;油相粘度越高,粘滞性越强,水相润湿壁面的长度减小,油相润湿壁面的长度增加,压力损失增加。本文的研究成果可为安全生产提供保障,为工艺优化和贸易计量提供依据,具有重要的现实意义和应用价值。

关键词： 含铬高钛型高炉渣   表面张力   粘度   炉渣结构  

摘要： 钒钛磁铁矿是一种含有铁、钛、钒等有益元素的复合矿,其大量地分布在我国的攀枝花-西昌地区、河北承德以及安徽马鞍山地区。根据钒钛磁铁矿矿石中CrO含量的高低,通常将钒钛磁铁矿划分为高铬型钒钛磁铁矿和普通型钒钛磁铁矿。位于我国攀西地区的红铬矿由于矿石中CrO含量较高,属于高铬型钒钛磁铁矿。红铬矿矿石储量高达1.8×10t,但是却迟迟未能得到很好地开发利用,主要原因是红铬矿在高炉中冶炼势必会增加炉渣中CrO含量,对造渣及后续提钒过程产生影响。本文通过理论计算和实验分析相结合的方式对在不同CrO含量下炉渣的表面张力以及不同CrO含量、不同AlO含量和不同“Mg O/CaO”下含铬高钛型高炉渣的物相结构及粘流性质进行了研究,得出了以下结论:(1)CrO对炉渣表面张力影响的研究:随着渣中CrO含量的增加,CaO-Si O-9.25wt.%Mg O-14.7wt.%AlO-22wt.%Ti O-CrO渣系的表面张力逐渐增加。这是由于熔渣组分CrO在1500℃的表面张力最大而Si O的表面张力最小,因此,随着炉渣中CrO含量的增加以及Si O2含量的减少,实验渣样的表面张力逐渐增加。同时,随着炉渣中CrO含量的增加,Cr被氧化形成了Cr O,生成的Cr O的静电势比O的静电势小很多,因此熔渣中阴离子和金属阳离子之间的键能较小,导致阴离子被排斥,游离到熔渣表面层,随后发生吸附,从而导致熔渣表面张力的增加。(2)炉渣物相结晶计算:在含铬高钛型高炉渣结晶过程中先后有钙钛矿相、尖晶石相、橄榄石相、钙长石相、单斜辉石相析出。随着渣中CrO含量的提高,1500℃下尖晶石相析出量增加,钙钛矿相析出温度先下降后上升;随着AlO含量的增加,尖晶石相的析出温度上升,钙钛矿相的析出温度下降;随着“Mg O/CaO”的上升,尖晶石相的析出温度上升,钙钛矿相的析出温度下降。(3)炉渣粘流性质研究:1)随着渣中CrO含量的增加,炉渣粘度呈先下降后上升趋势。当CrO含量在0-0.5wt.%之间时,随着CrO含量的增加,渣中Si O含量减少从而导致粘度下降。当CrO含量在0.5-3wt.%之间时,渣样粘度上升,这是因为CrO在碱性较强条件下,表现出酸性氧化物性质,能够聚合炉渣结构。渣样的熔化性温度先下降后上升。为了让炉渣具有较好的流动性和热稳定性,渣中CrO的含量不宜超过0.5wt.%。2)随着渣中AlO含量的增加,渣样粘度上升。AlO在渣中表现为酸性氧化物的性质,起到网络形成子的作用使得炉渣结构复杂,宏观表现为粘度的上升及粘流活化能的增加。由于渣样的二元碱度降低,因此渣样的熔化性温度下降。3)随着渣中“Mg O/CaO”的提高,渣样的粘度先降低后升高。Mg O和CaO是等质量替代的,并且Mg O的相对分子量小于CaO的分子量,相同质量下Mg O的摩尔数要大于CaO的摩尔数,使得Mg和Ca数量对炉渣粘度产生的影响大于Mg和Ca本身对炉渣粘度的影响,从而使得渣样粘度下降。“Mg O/CaO”在0.44-0.63区间时,渣样粘度呈上升趋势,这是由于Mg-O和Ca-O键之间的差异。由于Mg的离子比小于Ca的离子比,当Mg O取代CaO时,离子间力增大。Mg O和CaO同是碱性氧化物,都可以使炉渣粘度下降,但是CaO降低炉渣粘度的能力大于Mg O的,因此随着“Mg O/CaO”的增加,渣中CaO含量下降,炉渣粘度上升。

关键词： 个人信息保护法   个人信息跨境流动   分类规制   数据主权   数据流动  

摘要： 自从以互联网技术为依托的第四次工业革命发展以来,中国开始了数字化改革进程,公民的个人信息被各行各业采集与利用,在各个领域大量流通。2021年11月1日,《中华人民共和国个人信息保护法》正式实施。该法案是我国第一部专门针对个人信息的集中性法案,因此社会各界对于该法案的颁布均予以高度关注,其中尤为重要的一个领域即为个人信息跨境流动处理部分。随着全球化及全球贸易链的发展,个人信息跨境流动变得比以往任何时期都更加频繁,数据量也都更加庞大。世界范围内,对跨境流动的个人信息的规制问题内部逐渐发展了“保护”与“利用”的价值取舍之矛盾:自由灵活的个人信息跨境流动有利于跨国企业盈利、国际文化交流,而对其的严加保护与审核则有利于维护国家主权与社会公共安全。随着《中华人民共和国个人信息保护法》的颁布实施,“中国对于个人信息跨境流动作出了怎样的立场选择?采取了怎样的立法方式?该方式如何帮助平衡保护与利用之矛盾?”,此研究问题便亟待探索与解答。这不光关系到个人、企业与国家的三重利益,也就个人信息流动处理规制问题在世界舞台上提供和展现了中国态度。本文旨在分三步回答上述研究问题。首先,本文期望通过对《中华人民共和国个人信息保护法》总则部分个人信息基本定义相关内容的解读,洞察其整体立法基调与价值取向选择;其次,本文期望通过对《中华人民共和国个人信息保护法》第三章个人信息跨境流动相关处理条款中“分类规制”方式的解读,分析该法案如何将其价值取向选择渗透到了个人信息跨境流动处理规制的具体条款当中,以怎样的立法方式达到了其立法目的;最后,本文期望回顾对前两章《中华人民共和国个人信息保护法》相关条款的解读,对今后的个人信息跨境流动处理规制献言献策,使对保护和利用的平衡更加完善、系统。全文分为五个章节。第一章为绪言,该章主要阐明了本研究的研究意义,列出了研究问题,梳理了文献成果和研究空白,以及搭建了论文结构。其中,文献梳理主要分为三个部分,分别针对中国对于个人信息跨境流动领域的立法、个人信息跨境流动处理规制的国家或地区差异,以及个人信息跨境流动相关条款中分类规制的运用。本研究在第三部分发现了研究空白所在。第二章主要以《中华人民共和国个人信息保护法》总则中对个人信息的基本定义和原则为重点研究样本,分析其作为最新颁布的、最权威的中国个人信息处理的法律依托针对个人信息处理规制问题与《民法典》、《网络安全法》、《数据安全法》等已经颁布的多部国内法及网信办的相关规定相比所作出的改动(包括对“个人信息”的定义、个人信息收集原则、数据传输及使用的相关规定等),从而放眼全局,探寻中国语境中随着时代和国情发展对于个人信息处理规制的立法总基调和价值取向选择。第三章是本研究的研究重点,该章从“分类规制”的视角解读了个人信息跨境流动处理相关条款中不同的分类标准(含个人信息接收主体、个人信息提供主体、个人信息内容领域、个人信息数量规模及例外条款等),探寻了分类规制方法在此处运用所体现的逻辑原理与价值判断,以及这为调和个人信息跨境流动处理规制中“数据主权”与“数据流动”之矛盾带来了怎样的平衡方法。第四章为建议,该章节将第二章、第三章的分析结果进行梳理,从分类规制的具体化与开放化角度对我国未来个人信息相关的法律建设提出建议,使其更加完备、系统。第五章为结论,该章对研究的内容进行了总结。通过上述研究概览,本文旨在解读中国目前最全面和权威的个人信息相关法案,洞察背后立法理念,为跨境流动的个人信息的保护与利用之平衡提供新的思路,为个人信息跨境流动处理规制的建设与完善建言献策。

关键词： 白酒基酒   看花摘酒   表面张力   电导率   挥发性风味物质   多元统计分析  

摘要： 量质摘酒是我国白酒生产中的一个重要环节,其中,“看花摘酒”方法被广泛应用,至今仍是各酿酒企业、大小作坊的主要摘酒方式。尽管行业应用看花摘酒已积累了丰富的经验,但对于其应用原理的认识还不够。本研究针对不同蒸馏工艺下,应用看花摘酒工艺分段摘取的浓香型白酒基酒过程样品为对象,采用气相色谱对挥发性化合物进行测定,以底锅中加清水蒸馏为对照,分析比较底锅中回尾酒和回黄水对风味物质的馏出影响,全面探究不同蒸馏工艺下风味物质的馏出规律;并通过测量梯度酒精溶液以及基酒过程样品的表面张力、粘度、电导率参数以及比较其酒花形态,探究风味组分对各物理性质的影响,解析流酒过程酒花形态变化的原理;并基于风味物质、物理性质参数的变化结合多元统计分析建立各段次白酒基酒的分类模型,实现数据可视化分析。主要研究内容及结果如下:1、采用GC-FID测定10组白酒基酒过程样品中挥发性风味物质,共检测到69种挥发性风味物质（除乙醇外）,包括酯类28种,醇类15种,酸类10种,醛酮类14种,呋喃类2种。以底锅水蒸馏为对照,在回尾酒和回黄水蒸馏时,首先是延长了流酒时间,主要是二段酒流酒时间显著增长;其次是影响风味物质的馏出,主要是对醛类和醇溶性酯类物质的影响,增大流酒开始时的醛类、酯类物质含量以及在转三段点时含量明显更低,馏出更充分;同时酸类物质在蒸馏过程中含量被略微降低。通过段次与风味物质相关性分析,发现在流酒前期,含有大量酯类、醛类和醇类物质,风味物质丰富,香气突出。糠醛、乳酸乙酯、壬酸乙酯、β-苯乙醇及大量的酸类物质含量随蒸馏时间逐渐增加,集中在流酒后期。2、对比基酒过程样品与酒精溶液的表面张力发现,表面张力值随着酒精度的降低呈逐渐增大趋势。在流酒前期酒精度高于55%vol时,基酒的表面张力主要由酒精浓度决定,酒精浓度与风味物质的影响比例为7.32:1;低于55%vol时,随着酒精度的降低,基酒中风味物质有逐渐降低酒精溶液表面张力的趋势,且降低趋势随着酒精度的降低而增大,酒精度与风味物质对表面张力的影响比例变为3.26:1,风味物质相对含量增加,基酒中的酸、酯类有机物对于降低溶液表面张力具有明显作用。测量粘度发现,基酒粘度主要由酒精浓度决定,随着酒精度的降低,粘度呈抛物线趋势变化,在45-55%vol达到最大;而在酒精度低于30%vol时,风味物质相对比例增大,基酒的粘度也逐渐高于酒精溶液。3、分析酒精度和风味物质对酒花形态的影响发现,在蒸馏前期酒精度高时,高浓度的乙醇是基酒酒花形态的主要影响因素;随着酒精度的减少,基酒中的风味物质对于增强泡沫稳定性发挥一定作用,主要是通过表面活性剂的分子结构来影响气泡中气体分子扩散速率,进而影响泡沫的稳定性,如酒体中的一些醇类如多元醇、异戊醇等以及脂肪酸类物质;在转尾酒时,沸点高、碳链长、难溶于水的高级醇、脂肪酸及高级脂肪酸酯物质因溶解度而析出,造成酒液浑浊,同时影响溶液的表面粘度,形成生产中典型的“断花”现象。4、测量电导率发现,纯净水配制的酒精溶液基本不导电,而底锅水配制的酒精溶液因水质存在导电能力,通过具体探究电导率与酒精度x、底锅水水质x之间的关系,得到拟合关系式Y=2.006-0.047x+1.138x+3.508*10x～4,R=0.999,直观反映出电导率与酒精度成反比,影响作用极小,同时与底锅水水质成正比,影响作用较大;同时,电导率还与基酒中的风味物质种类、含量及底锅水可溶性物质蒸馏率相关,其中,酸类和酯类物质对电导率影响较大,同时,底锅水中可溶性物质蒸馏到基酒中的蒸馏率由蒸馏前期的-0.969到蒸馏后期的+2.201,表明蒸馏前期电导率与底锅水可溶性物质蒸馏率成反比,即蒸馏到基酒中的水质更纯净,而到了蒸馏后期,由于糟醅与底锅中的水分不断交换循环,蒸馏出来的水蒸汽中可溶性物质逐渐增多,电导率也就不断升高。5、对酒样的挥发性风味物质和物理特性指标分别采用主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）对过程酒样进行段次分类和判别分析。结果表明,基于挥发性风味物质的LDA和PLS-DA模型对未知样本的分类准确率均为100%;选择表面张力、电导率两个参数进行基酒分类研究,因其在蒸馏过程中有明显变化且测量简单、方便,更适用于生产应用。结果表明,基于表面张力、电导率的LDA模型对未知样本的分类准确率为93.3%,PLS-DA模型对未知样本的分类准确率为100%。

关键词： 多级立式消防泵   数值模拟   非定常流性能   能量损失   熵产  

摘要： 立式长轴消防泵由于其流量大、扬程高、启动时间快和结构整体性高的优点,在海上平台、城市排水系统、暴雨管理、城市供水、锅炉系统给水和采矿等场合得到了广泛地应用。随着立式长轴消防泵的大量应用,人们对其性能也提出了更高的期望。本研究以应用于中海油和壳牌马甘洲海上石油平台的一连接柴油发动机的单级泵为研究对象。潮汐、波浪、台风等海上因素都将极大地影响泵的运行状况状态。该泵的设计主要面临以下两个主要限制。一是在大流量时,牵引功率过大,使得引擎面临着由于功率过载而烧坏的风险。为了保证柴油机能在泵的全工况范围内安全无过载运行,有必要利用无过载理论对离心泵的水力设计方法进行研究。通过单独对叶轮叶片进行优化,初步稳定了高流量下泵的牵引功率。尽管上述工作是有效的,但它导致了性能和效率的下降。第二个限制是导叶。导叶作为压水室,使流体由径向流出变为轴向流出,进而使得流道内充斥着复杂的流动现象。这种复杂的流动会导致较高的损失,从而导致性能低下。本文的主要研究内容如下:1)通过稳态数值计算,对原始单级模型与优化后单级模型的性能进行了对比。然后,在保持其他参数不变的情况下,用4种不同的湍流模型对优化后的模型进行独立模拟。将所得结果与原模型的数值计算结果进行了比较,并与实验结果进行了对比验证。结果表明:SST k-ω湍流模型对扬程和效率的预测具有最高的精度,这在性能曲线和类似文献的实验结果中都得到了相似的验证。此外,它还能够对湍流流动中的更多流动细节进行预测,这有助于后续研究的深入分析,以揭示更多的流动细节和损失特性。2)通过使用商业CFD软件对优化后的单级模型与原始单级模型相结合组成的多级泵(3级)进行全流场模拟,完成了多级泵的瞬态流场与性能的研究。此外,通过对多级泵内部几种不同的参数进行检测,对其压力脉动特性与熵产特性进行了分析。3)研究表明,叶轮和导叶的叶片数量对压力波动的峰值具有较大影响,且叶片数也对峰值波动所对应的频率也具有较大影响。此外,叶轮叶片数对导叶内的脉动具有较大影响,而导叶叶片数也对叶轮内的脉动也具有较大影响。4)分析了不同工况下泵不同部件直接耗散和湍流耗散所产生的熵值。总的来说,无论是直接耗散损失还是湍流耗散损失,自第一级到第二级都有显著增加。然而,在第二级至第三级,耗散量基本不变。第二级和第三级的高直接耗散损失可以归因于进口激波,因为前一级导叶出口处的流态比第一级进口流态更加杂乱。综上所述,本文主要研究目的是揭示多级立式消防泵机械的流动特性。多级立式消防泵内部流动特性复杂,势必会出现多种湍流和涡流流动形态,容易出现剧烈的非定常压力波动。这些不规律性会影响泵的生命周期,增加压力损失,进而影响泵的整体效率。

关键词： 对流扩散方程   涡量流函数方程   谱方法   格林函数   积分方程  

摘要： 对流扩散方程和涡量流函数方程是流体力学中常用的两类方程,对流扩散方程还广泛应用于传热学、化学和环境科学等领域,涡量流函数方程在研究粘性不可压缩流体的流动时起着重要作用。在实际问题中由于求解区域和边界条件的复杂性,很难求得这两类方程的解析解,数值求解便成为一种重要的方法,因此构造高效和稳定的数值方法有着重要的应用价值。基于谱方法的思想和积分方程理论,本文提出了一种改进的谱方法,用于数值求解对流扩散方程和涡量流函数方程。在应用改进谱方法求解稳态对流扩散方程时,对第一类齐次边界条件,可通过变量代换消去对流项中的一阶导数项。然后引入关于格林函数的辅助边值问题,把格林函数和未知函数用正弦级数展开,并求得格林函数表达式。再根据格林函数的性质,把对流扩散方程化为积分方程。最后根据正弦级数的正交性,把含有空间变量和级数系数的积分方程简化为只含有级数系数的积分方程组,求解该方程组就能求得原方程的级数有限和形式的近似解。应用改进谱方法求解了一维、二维稳态对流扩散问题的算例,计算结果表明该方法与有限体积法和QUICK格式相比,有着更高的精度并且不需要网格划分。与积分方程法相比,在保证同样精度的前提下,简化了推导和编程流程。对于非稳态对流扩散问题,方程中不仅有空间变量,还出现了时间变量。可用和前面介绍的稳态情形一样的方法离散空间变量,把关于空间和时间变量的积分方程简化为只关于时间变量的积分方程组。用四阶龙格-库塔法求解这一积分方程组,得到用级数有限和形式表示的原问题的近似解。最后用一维、二维非稳态对流扩散问题的算例检验了改进的谱方法,讨论了 Peclet数、截断项数、时间步长、计算时间以及不同源项对计算误差的影响。对于非线性涡量流函数方程,先引入关于格林函数的辅助初边值问题,并用格林函数的性质将涡量流函数方程转化为积分方程。然后对于周期边界条件和第一类齐次边界条件下的未知函数和格林函数,分别用傅里叶级数和正弦级数展开。再利用级数的正交性将积分方程转化成只含时间变量的积分方程组,用四阶龙格-库塔法求解该方程组,得到原方程的级数有限和形式的近似解。最后用不同边界条件下的算例检验了改进谱方法,发现其计算结果和解析解吻合得很好。

关键词： 3D混凝土打印   制造进程   结构行为   表面张力   成型机理  

摘要： 3D混凝土打印(3D Concrete Printing)技术由于其快速制造的优势,在过去几十年里得到了迅速发展。然而在3D混凝土打印结构制造进程中仍存在许多力学问题需要解决、许多力学机理亟需阐释。第一,预测3D混凝土打印进程中圆柱壳失效高度与失效行为的工具存在一定的缺陷。针对该3D混凝土打印进程中的特性问题,本文建立了一个用于预测圆柱壳在自重作用下屈曲失效的数值模型,并分析了两种常见的失效机制:弹性屈曲与塑性坍塌。本文所提出模型在引入层间界面影响下,可准确预测3D混凝土打印圆柱壳的失效高度与失效形式,这解决了以往研究中数值模拟预测失效高度与试验结果不匹配的问题。在此基础上,进一步分析了层间界面对制造进程中结构稳定性的影响以及打印参数对打印进程的影响。其次,更为详细的3D混凝土打印结构行为在本文中进行了讨论,包括打印条层截面几何形状的影响;结构变形对打印路径的影响;结构失效模式的发展等。最后,评价了相关打印参数对结构稳定性的影响。第二,3D混凝土打印条层截面几何轮廓成型机理研究,该问题为基于挤压打印系统的共性问题。为此,本文提出了一个基于材料表面张力与重力联合驱动的打印条轮廓成型机理,并通过类水滴参数模型进行预测。结果显示,该模型可准确预测3D混凝土打印条的层截面几何轮廓。其次,给出了用以决定打印条的层截面轮廓与高宽关系的不变量。最后,评估了材料参数对该不变量以及预测结果的影响。通过上述研究,可构建完整的3D混凝土打印结构仿真模拟、预测体系。该体系将弥补基于计算流体的动力学模型所需计算资源庞大的缺陷,使用计算资源耗费较少的固体力学仿真手段,对3D混凝土打印的全过程进行分析。可以减少大量的试错方法和保守设计,为寻找最优的打印参数设置提供理论指导。

关键词： 核主泵   导叶安放角变化规律   水力性能   熵产理论   流动损失   惰转性能特性   涡动力特性  

摘要： 核电以安全、高效和经济等优点已越来越受到世界各国的关注,核主泵作为核电站冷却剂循环系统中最为关键的部件之一,在保障核电的安全发展方面发挥着重要的作用。导叶是核主泵中重要的过流部件,其安放角沿流线变化的合理性直接影响着核主泵的性能,对提高核主泵高效性和稳定性至关重要。本文以某一混流式核主泵为研究对象,对核主泵进行了不同流量工况和断电惰转工况的数值模拟计算,研究分析了导叶安放角变化规律对核主泵性能特性的影响,主要研究内容和成果如下:(1)通过三维建模软件和水力设计软件建立了不同导叶安放角变化规律的核主泵流体域模型,利用ICEM和Turbogrid对流体域模型进行六面体结构化网格划分,基于SST k-ω湍流模型和绝热无滑移壁面条件对核主泵进行定常和非定常数值模拟计算。(2)结合熵产理论对不同导叶的核主泵进行水力性能分析。结果表明:在设计流量和大流量工况下,导叶安放角“下凹”的DY4(模型泵代号,下同)扬程和效率最高,最佳效率出现在设计流量,相比安放角“上凸”程度较大的DY1效率提升3.68%;DY4压力和速度流线分布均匀且变化平稳;导叶和蜗壳内流动损失占比最低,流动损失分布较均匀,流动损失系数高幅值区域面积较小。在小流量工况下,安放角“下凹”程度较大的DY5扬程和效率最高,最高效率出现在0.8Q,相比DY4的最佳效率值提升1.69%。(3)对比分析了不同导叶安放角变化规律的核主泵模型在惰转过程中的外特性和惰转性能特性,并结合Q准则对惰转过程中的涡动力学特性进行了研究。结果表明:随着惰转的进行,不同模型泵扬程和转矩下降速率逐渐减小,其中DY4扬程最高,转矩最小,而DY5扬程下降速率最大,转矩最大。在不同惰转阶段,DY5叶轮所受径向力相对较小,但其导叶径向力幅值最大;在惰转初期,DY4径向力下降幅值最大。在惰转过程中,不同导叶的模型泵叶轮叶片载荷差值逐渐减小,安放角变化规律呈“下凹”的DY4和DY5叶轮叶片载荷在流线相对位置为0.6之后明显高于其他模型泵;DY5导叶叶片载荷波动幅值最高,且随惰转的发展不断减小。随着惰转的进行,不同导叶安放角变化规律的模型泵叶轮和导叶内的涡结构和漩涡强度有所减小,但在T=1s时涡结构均有所增加,强涡区域面积增大。导叶流道内涡结构较叶轮流道更复杂,随着惰转的发展不同模型泵涡结构面积和强度不断减小,其中,DY4泵内涡结构强度和面积最小,DY5最大。

关键词： 难混溶合金   铝铅合金   液滴热力学   分子动力学   表面张力   弯曲刚度   临界现象  

摘要： 金属液滴广泛存在于各种先进金属加工制造过程中,如难混溶合金制备、精密焊接与喷射成形、选区激光熔化或烧蚀加工、等离子金属雾化制粉等。掌握液滴表面张力基础数据及其随曲率、温度以及合金浓度变化的物理规律是优化和调控这些重要过程的关键所在,有助于我国先进金属加工制造领域的发展进步。由于实验直接测量液滴表面张力较为困难,近年来大量研究工作致力于发展“计算机实验”测量技术以及精准预测液滴表面张力的热力学理论。然而,已有的计算研究多关注模型物质体系的液滴/气泡体系,很少涉及具有实际应用价值的合金液滴体系;目前最先进的液滴形态热力学理论仅在刚性液滴模型体系中得到验证,未能在实际液滴体系中获得检验。本论文采用分子动力学方法的平衡态液滴模拟技术,以具有实际应用价值的难混溶铝-铅合金(轴承合金)液滴体系为研究对象,系统地计算该液滴体系一系列重要热力学量及其随液滴尺寸、温度的高精度变化规律。实现了形态热力学理论在实际金属液滴体系的有效性验证,以及难混溶铝铅合金液滴表面张力的精准预测。并获得了形态热力学理论中刚度系数临界行为的定量认识。具体的工作包括:1.针对液-液界面液滴体系,发展了一套模拟-表征分析-计算一体化研究方法。其中应用了球坐标系及柱坐标系下的Irving-Kirkwood局域压强张量算法。利用这套方法,我们系统计算了不同温度和半径的铝、铅液滴(柱)的密度、浓度、压强、应力的径向分布函数。获得了液滴(柱)内合金互溶度、内压等热力学量随温度和半径的变化关系。液滴内的铝铅互溶度低于块体相图所预言的互溶度,偏差程度随着温度的升高以及液滴(柱)半径的减小而增大。2.高精度地计算了不同温度和半径液滴与液柱体系的铝铅液-液界面的表面张力的曲率依赖关系。我们发现铝液滴(柱)的表面张力随半径增大而增大,而铅液滴(柱)的表面张力随着半径增大而减小。这种变化趋势起源于铝、铅原子的尺寸不匹配以及其在界面弯曲情况下的堆积方式。同一套参数下,形态热力学理论能够同时完美描述液滴和液柱的表面张力计算结果,高可信度地验证了其在具有毛细波涨落的金属液滴体系中的有效性和普适性。通过使用形态热力学理论拟合计算结果,我们进一步提取出先前鲜有报道的弯曲刚度和高斯曲率刚度数值,及其随温度的变化关系。液-液界面弯曲刚度随着温度的升高而减小,并发现在温度达到1300K左右,界面弯曲刚度由正值变为负值,对应着液滴系统稳定性发生转变,由低温的稳定状态变为高温的非稳状态。液-液界面的高斯曲率刚度在所有温度下均为负值,并且随着温度的升高而增大。弯曲刚度和高斯曲率刚度数值与符号可用经典弹性膜理论来类比解释,但温度变化规律尚缺少统计物理理论模型的定量解释。3.形态热力学理论研究所获取的铝-铅液液界面弯曲刚度和高斯曲率刚度数据,让我们有能力揭示液体表面张力高阶系数的临界行为。通过对表面张力、Tolman长度、弯曲刚度和高斯曲率刚度等四个核心表面张力系数参量的温度依赖关系分别用不同的幂函数拟合,计算出四个参量临界行为的定量描述。计算出弯曲刚度和高斯曲率刚度的临界指数分别为5.98和2.49。此计算结果预言远离临界温度,弯曲刚度的变化速率比高斯曲率刚度快;在临界点邻域,随着表面张力数值趋零,弯曲刚度和高斯曲率刚度也渐趋为零,区别于Tolman长度临界点邻域的发散行为。4.开发了捕捉液滴瞬态形貌的计算方法。根据瞬态界面形貌数据,开展了本征界面的统计分析,计算出液滴表面局域曲率及其概率分布函数,构建局域界面形态系综,从更本质的物理视角阐释表面张力随曲率变化关系的机理。本论文取得的形态热力学理论在实际液滴体系的验证,让精准预测任意温度、任意形状液体表面张力成为可能,再结合针对铝铅合金体系的取得的界面热力学性质数据,能够收获利用液体压强调节界面粒子堆积模式以及液滴合金成分的调控思路,并为高品质弥散相难混溶合金的制备工艺的提升提供理论指导,以及促进纳米合金相图热力学理论的发展。本论文发展的液滴系统的模拟-计算-分析方法技术,能够广泛应用于各种先进加工制造过程所涉及的金属液滴体系,也可拓展到诸如固液相变形核、液相夹杂物、软物质液滴等体系的研究中。本论文关于两个液体表面刚度系数临界行为的计算研究丰富了相变与临界现象理论体系范畴,提出了相关统计物理理论的发展需求。

关键词： 超声移液   功率控制   液滴碰撞   润湿性   表面张力   粘度   最大铺展直径  

摘要： 超声移液技术作为一种新颖的亚微升级液体转移和处理方法,凭借其非接触式液体转移、无喷嘴设计和高通量液体传输等优势,在合成生物学、药物研发和个性化医疗等生命科学研究领域具有重要的应用价值。在这些应用中,超声移液系统在准确喷射具有特定脱离速度的液滴,保持良好液滴飞行轨迹的同时,还需要保证飞行液滴在目标基底上的高效聚结。特定脱离速度液滴的稳定激发依赖于超声输入功率的准确控制,但是现有的功率控制技术需要针对待转移试剂进行繁琐的功率扫描操作,不利于实现高通量试剂转移。另外,超声移液过程中,不同实验条件下向上飞行的液滴碰撞目标基底以及基底表面的固着液滴后,会产生不同的液滴状态。向上飞行液滴的碰撞动力学机制尚不清楚,严重影响超声移液系统的工作效率。本文从这两个角度入手,首先基于试剂的液体特性,研究了一种液滴生成过程中的连续功率控制方法,实现了特定脱离速度对应超声输入功率的准确预测。然后,分别探索了液滴碰撞速度、基底润湿性和实验介质液体特性对单液滴和双液滴碰撞动力学行为的影响,创新性工作如下:(1)首次提出了一种液滴生成过程中的连续功率控制方法。分别对去离子水、五种不同表面张力的十二烷基硫酸钠水溶液和四种不同粘度的甘油水溶液进行了液滴激发实验。分析了液滴脱离速度与液体特性、超声输入功率之间的关系,提出了一种以表面张力和粘度的乘积为特征参数,实现超声移液系统液滴生成过程中连续功率控制的方法,并检验了该方法预测不同试剂获得任意液滴脱离速度所需输入功率的准确性。实验结果表明,采用预测功率激发液滴得到的脱离速度与预期速度具有较好的一致性,相对误差小于8%。(2)首次研究了液滴碰撞速度和基底润湿性对向上飞行液滴碰撞动力学行为的影响。通过单液滴碰撞实验发现,在稳定生成液滴的功率范围内,所激发飞行液滴撞击亲水和疏水基底后均会发生稳定附着,而对于超疏水基底,当液滴碰撞速度大于等于0.40 m/s时,出现反弹现象。分析双液滴的碰撞动力学行为发现,随着液滴碰撞速度的增大会出现四种不同状态:小变形后的液滴聚结、液滴反弹、脱离阶段的液滴聚结和直接聚结。通过不同润湿性基底表面的双液滴碰撞实验发现,亲水基底表面发生液滴反弹的韦伯数和雷诺数范围较大,而随着基底表面润湿程度的减小,发生脱离阶段的液滴聚结和直接聚结的临界韦伯数和雷诺数减小。接下来,基于双液滴碰撞过程中的能量守恒定律和赫兹接触理论,通过修正液滴反弹情况下达到最大铺展状态时的液滴形态,建立了最大铺展直径和碰撞时间预测模型。结合模型进一步分析了液滴碰撞速度和基底润湿性对向上飞行液滴碰撞动力学行为的影响,结果显示在相同韦伯数条件下,亲水基底表面双液滴碰撞后达到的最大铺展系数较小,粘性能量耗散较大,导致其更容易发生液滴反弹。(3)首次研究了液体表面张力和粘度对超声激发液滴与目标基底及其表面固着液滴碰撞动力学行为的影响。通过单液滴碰撞实验发现,在稳定生成液滴的功率范围内,不同液体特性的液滴撞击亲水基底后均会发生稳定附着。研究不同液体特性的双液滴碰撞动力学行为发现,随着表面张力的降低,液滴反弹的韦伯数范围增大,并且产生后续几种液滴碰撞现象的临界韦伯数也随之增高。另外,随着粘度的增大,使液滴碰撞行为从反弹状态过渡到脱离阶段的液滴聚结状态,再到液滴直接聚结状态的临界韦伯数都增高。最后,通过对碰撞过程中的能量及变形理论分析,考虑准稳态过程中的粘性能量耗散,建立了直接聚结状态的最大铺展直径预测模型,通过分析最大铺展直径的理论计算结果发现,液体的表面张力越大,液滴碰撞的最大铺展系数越小;液体的粘度越小,最大铺展系数越大。鉴于直接聚结状态下液滴的最大铺展系数越小,越有利于快速获得稳定附着的液滴,那么可以依据该结论调节液体特性和超声输入功率,使液滴更稳定快速的直接聚结在目标基底表面。