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近壁剪切流中活性粒子运动特性实验研究和理论分析

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力学学报 2024年第9期56卷 2555-2564页

作者：许晓飞王炯哲张泽童松豪大连理工大学流体与粉体工程研究设计所辽宁大连116012

活性粒子是一种具有自驱动能力的粒子,自然界中的大肠杆菌是典型的活性粒子.活性粒子在水体中的运动会受到流体剪切作用和边界约束的影响,研究大肠杆菌在近壁剪切流中的运动规律有利于加深对活性粒子一般运动规律的理解.基于微流控技术... 详细信息

活性粒子是一种具有自驱动能力的粒子,自然界中的大肠杆菌是典型的活性粒子.活性粒子在水体中的运动会受到流体剪切作用和边界约束的影响,研究大肠杆菌在近壁剪切流中的运动规律有利于加深对活性粒子一般运动规律的理解.基于微流控技术、高速显微图像采集技术和数字图像处理技术,获得大肠杆菌在近壁剪切流中运动参数的量化信息,考察流场剪切速率和大肠杆菌自驱动能力对大肠杆菌运动的影响,从全局和局部两个角度研究大肠杆菌在近壁静止水体和近壁剪切流中的运动规律.实验研究发现,近壁静止水体中大肠杆菌呈圆周运动,圆周运动角速度随大肠杆菌自驱动能力的提升而增大,大肠杆菌平均直行速度和转向频率分别随悬浮液温度升高而增大和加快;近壁剪切流中大肠杆菌随水体向下游运动的同时存在横向迁移,横向迁移速度随剪切速率先快速增大后缓慢增大至最大值,之后略微减小并最终趋于恒定,转向频率则随剪切速率的增大和悬浮液的温度升高而加快.构建并求解大肠杆菌运动的角速度模型,对比大肠杆菌横向迁移速度的理论值和实验结果证明模型可靠性较好.理论分析结果表明,大肠杆菌运动方向与壁面的夹角随剪切速率的增大而缓慢减小,而其在与壁面平行平面内的运动角则随剪切速率增大先快速减小后缓慢减小.

关键词：活性粒子大肠杆菌剪切流固壁边界横向迁移

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剪切稀化流体中微粒子聚集行为研究

过程工程学报 2022年第6期22卷 792-801页

作者：童松豪韩戌峰周福康许晓飞大连理工大学流体与粉体工程研究设计所辽宁大连116024

在化工过程、生物工程等领域中,实现颗粒分离至关重要。通过整合微流控技术、高速显微图像采集技术和数字图像处理技术,探究微粒尺寸、通道流量和液相流变特性对微粒聚集的影响规律。结果表明,在剪切稀化流体羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液... 详细信息

在化工过程、生物工程等领域中,实现颗粒分离至关重要。通过整合微流控技术、高速显微图像采集技术和数字图像处理技术,探究微粒尺寸、通道流量和液相流变特性对微粒聚集的影响规律。结果表明,在剪切稀化流体羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液中,随着通道流量和颗粒粒径增大,微颗粒聚集位置逐渐向剪切速率较高的一侧偏移;随着CMC质量分数增加,聚集位置不断向剪切速率较低的一侧偏移。利用求解的幂律型剪切稀化流体速度和剪切速率方程,结合对微颗粒的受力分析,证明稠度系数越大,聚集位置越偏向剪切速率较低处;剪切稀化特性越强,聚集位置越偏向剪切速率较高处,说明在幂律型剪切稀化流体中的黏度变化是微颗粒发生特殊迁移聚集行为的一个重要原因。

关键词：剪切流场剪切稀化流体微通道微粒子颗粒聚集

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近壁泊肃叶流中活性粒子迁移规律研究

力学学报 2023年第4期55卷 835-844页

作者：许晓飞王炯哲童松豪刘凤霞魏炜刘志军大连理工大学流体与粉体工程研究设计所辽宁大连116024

研究活性粒子在剪切流中的迁移规律对实现颗粒分离和过程强化均具有重要意义.基于耗散粒子动力学理论,建立了描述微通道内近壁泊肃叶流中活性粒子迁移运动的数学模型,考察了活性粒子圆周运动角速度、手性诱导角速度、直行运动速度和转... 详细信息

研究活性粒子在剪切流中的迁移规律对实现颗粒分离和过程强化均具有重要意义.基于耗散粒子动力学理论,建立了描述微通道内近壁泊肃叶流中活性粒子迁移运动的数学模型,考察了活性粒子圆周运动角速度、手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数对大肠杆菌和常规活性粒子横向迁移速度和受迫转向频率的影响规律,并确定近壁剪切流中活性粒子横向迁移的形成机制.结果表明,近壁剪切流场中大肠杆菌的横向迁移速度随剪切速率增大先快速增加继而趋于稳定;大肠杆菌横向迁移速度随圆周运动角速度增大而减小,随手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数的增大而增大;大肠杆菌的受迫转向频率受圆周运动角速度、直行运动速度和转向扩散系数的影响小,而随手性诱导角速度的增大而加快;相比大肠杆菌,常规活性粒子横向迁移速度显著减小、受迫转向频率明显变慢,二者受直行运动速度和转向扩散系数的影响规律与大肠杆菌类似.直行运动是活性粒子形成横向迁移运动的前提,其他运动参数和结构参数均可一定程度促进或抑制活性粒子在近壁剪切流场中的横向迁移.

关键词：活性粒子剪切流近壁面横向迁移耗散粒子动力学

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活性流体流变行为的布朗动力学模拟研究

力学学报 2021年第11期53卷 3071-3079页

作者：许晓飞童松豪张达董超刘凤霞魏炜刘志军大连理工大学流体与粉体工程研究设计所辽宁大连116012

活性流体在用于开发新材料方面具有巨大潜力,满足这一需求就要定量掌握活性流体所表现的特殊力学行为,特别是流变行为.扩展布朗运动方程,建立自驱动活性粒子的运动模型,基于反向非平衡法确定活性流体的黏度,考察活性粒子体积分数、直行... 详细信息

活性流体在用于开发新材料方面具有巨大潜力,满足这一需求就要定量掌握活性流体所表现的特殊力学行为,特别是流变行为.扩展布朗运动方程,建立自驱动活性粒子的运动模型,基于反向非平衡法确定活性流体的黏度,考察活性粒子体积分数、直行速度和转向扩散系数对活性流体流变行为的影响规律,确定活性流体特殊流变行为的形成机理.结果表明,活性流体的流变曲线可被划分为黏度下降区、过渡区和牛顿区;活性粒子体积分数越高,活性流体的非牛顿特性越显著,活性粒子的直行运动引起活性流体在低剪切速率区域黏度下降,直行运动和转向运动的耦合作用导致中剪切速率区域流变曲线非单调变化,活性粒子频繁发生转向运动会导致活性流体非牛顿特性受到抑制;活性流体的宏观流变学特性和粒子的涨落直接相关,活性粒子体积分数越高、直行速度越快和转向扩散系数越小,活性流体中活性粒子越容易产生显著的涨落;低剪切速率区域内活性粒子涨落明显,随着剪切速率增大,活性粒子的涨落逐渐被削弱,粒子的聚集结构不断被破坏,最终体系的流变行为类似一般被动流体.

关键词：活性流体流变学布朗运动方程黏度布朗动力学模拟

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活性粒子强化剪切稀化流体扩散传质规律研究

现代化工 2024年第S02期44卷 87-93,98页

作者：张泽王炯哲童松豪许晓飞大连理工大学流体与粉体工程研究设计所辽宁大连116024

选用典型模型大肠杆菌代表活性粒子,改变温度、悬浮液中菌数浓度、羧甲基纤维素钠(CMC)质量分数以及细菌活性(活菌和死菌),测量Rhodamine B在不同条件下剪切稀化流体基中的扩散系数。结果表明,大肠杆菌的加入可以有效强化Rhodamine B在... 详细信息

选用典型模型大肠杆菌代表活性粒子,改变温度、悬浮液中菌数浓度、羧甲基纤维素钠(CMC)质量分数以及细菌活性(活菌和死菌),测量Rhodamine B在不同条件下剪切稀化流体基中的扩散系数。结果表明,大肠杆菌的加入可以有效强化Rhodamine B在剪切稀化流体基中的扩散;扩散系数与悬浮液温度和细菌菌数浓度呈正相关,而与CMC质量分数呈现出负相关;Rhodamine B的活性扩散系数与温度和菌数浓度呈正相关。均方位移随时间的变化图像表明,Rhodamine B在当前实验的时间段内表现为亚扩散行为,且随着扩散时间延长扩散指数变大。

关键词：活性流体扩散传质传质强化扩散模式扩散系数

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活性粒子在剪切流场中的迁移规律研究

活性粒子在剪切流场中的迁移规律研究

第十二届全国流体力学学术会议

作者：张泽童松豪张达许晓飞大连理工大学流体与粉体工程研究设计所

近几年,活性粒子引起了科学界的高度关注,其能够将其周围各种形式的能量转化为空间运动的动能从而实现自驱动,并扰动周围流体,使系统处于热力学非平衡态。活性粒子配制成的悬浮液被称为活性流体,具有分子扩散过程强化和特异的流变特性,... 详细信息

近几年,活性粒子引起了科学界的高度关注,其能够将其周围各种形式的能量转化为空间运动的动能从而实现自驱动,并扰动周围流体,使系统处于热力学非平衡态。活性粒子配制成的悬浮液被称为活性流体,具有分子扩散过程强化和特异的流变特性,活性流体具有广泛的应用前景。泳动大肠杆菌是典型的活性粒子,因其悬浮液易于配制、体系稳定性高和自驱动机理简单等特点,长期以来一直都被当作模型系统来研究活性粒子在流体中的个体运动。由于细菌的尺寸要比湍流流动的Kolmogorov尺度小很多,细菌外部与其运动相互作用的流场可以被认定为速度线性分布,或可以称之为"简单剪切流动"。本文利用微流控技术、高速显微摄影技术和数字图像处理技术,研究近壁面附近的静止水体和剪切流场中大肠杆菌的运动,考察流场剪切速率γ和细菌自驱动能力对细菌横向迁移速度V、细菌转向频率f

关键词：活性粒子剪切流场壁面效应圆周运动横向迁移

来源： cnki会议评论

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幂律流体剪切流场中微粒子介尺度行为研究

幂律流体剪切流场中微粒子介尺度行为研究

遵从的自主性建构：基层政府创造性执行的内在逻辑

第十一届全国流体力学学术会议

作者：童松豪许晓飞张达刘凤霞魏炜刘志军大连理工大学流体与粉体工程研究设计所

固体微米尺度颗粒的悬浮液在化学工程、环境工程和生物工程等领域普遍存在,应用也十分广泛,例如运用剪切流场中微粒的分布规律,在微通道内实现微粒的分离操作;在传质传热过程当中,通过添加第三分散相颗粒来强化分子扩散以及气液相间传... 详细信息

固体微米尺度颗粒的悬浮液在化学工程、环境工程和生物工程等领域普遍存在,应用也十分广泛,例如运用剪切流场中微粒的分布规律,在微通道内实现微粒的分离操作;在传质传热过程当中,通过添加第三分散相颗粒来强化分子扩散以及气液相间传质等。在上述工程应用中,微粒外部与其相互作用的流场可以被认定为剪切流场,而微粒与剪切流的相互作用均发生在介观尺度,因此明确微粒在剪切流场中的介尺度行为是关键。但目前为止,众多研究集中在探究牛顿流体内微粒于剪切流场中的迁移规律。而在非牛顿流体环境中,微粒的迁移规律尚不明晰,有待做深入研究。本文采用羧甲基纤维素钠(CMC)水溶液模拟幂律型非牛顿型流体,通过自主设计PDMS微通道芯片,整合微流控技术、高速显微图像采集技术和数字图像处理技术,研究剪切流场中微粒的分布规律,探究微粒尺寸、流场平均剪切速率和液相流变特性等因素对微粒横向迁移的影响规律。实验结果表明:(1)清水中,不同粒径微粒的分布均在剪切流作用下由初始较为均匀分布逐渐在通道特定位置聚集,随着平均剪切速率的增加,微粒在中心位置的数量明显减少,聚集位置也逐渐靠近壁面。此外,在较大剪切速率下,随着微粒粒径的增大,微粒在剪切流场中的聚集现象越来越明显,而且位置集中在r/(W/2)≈0.6处(其中,r是微粒所处微通道径向的位置,W是微通道宽度)。(2)在非牛顿流体中,不同粒径的微粒分布规律和清水中有相似之处,同样呈现出由均匀分布转化成在特定位置聚集的趋势;随着通道流量的增加,微粒在中心位置的数量明显减少。但较小质量分数的CMC水溶液内微粒的聚集特征更为明显,而且更靠近通道壁面。然而,随着CMC质量分数的增加,微粒在通道内的聚集位置呈现出不断偏向通道中心处的趋势。究其原因,在清水中,微粒会受到壁面升力和惯性升力的影响,并向两力平衡的位置处迁移聚集,而在非牛顿流体中,除上述两种力以外还会受到粘性梯度力的影响,粘度梯度力是在非牛顿流体环境下剪切流场中存在的一种特有的横向迁移力,随着非牛顿流体浓度的增高,粘度梯度力逐渐占据主导地位。

关键词：剪切流场幂律流体微粒子横向迁移介尺度

来源： cnki会议评论

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求实 2025年第01期 32-45+110页

作者：衡霞吴培豪四川大学公共管理学院

在多层级的国家治理结构体系中，基层政府如何因地制宜地创造性执行上级决策是值得关注的话题。基于对四川省彭州市M街道“小区信义治理”项目执行过程的考察，发现基层政府的创造性执行是在政策冲突情境下，由自主权激励、组织激励和... 详细信息

在多层级的国家治理结构体系中，基层政府如何因地制宜地创造性执行上级决策是值得关注的话题。基于对四川省彭州市M街道“小区信义治理”项目执行过程的考察，发现基层政府的创造性执行是在政策冲突情境下，由自主权激励、组织激励和自然激励复合驱动的，通过再造执行结构和重塑执行能力建构自主性，并运用自主性制造目标群体与上级政府的双重合意性的过程。这一内在逻辑可以归结为“遵从的自主性建构”，主要根植于基层政府作为政府科层体系末端与政社互动前沿的双重角色，蕴含着多重激励的有效性与相容性相统一、基层执行的自主权与自主性相统一、政策结果的权威容纳与目标群体政策遵从相统一等意蕴，其有效缓解了政策执行过程中的多重张力。

关键词：政府治理基层政府政策执行政策遵从创造性执行执行能力自主权激励组织激励

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氦气在矿物纳米孔隙中运移的分子动力学模拟

中国科学:地球科学 2025年第1期 239-254页

作者：宋丹丹关平张驰任嘉豪北京大学地球与空间科学学院

氦气在矿物纳米孔隙、孔喉中的赋存状态及流动方式对氦气的整体运移至关重要.为了阐明氦气在纳米级矿物孔隙中的运移机制,本文通过平衡分子动力学与非平衡分子动力学方法,分别模拟了氦气在石英层状纳米孔隙中的平衡自扩散和压力驱动下... 详细信息

氦气在矿物纳米孔隙、孔喉中的赋存状态及流动方式对氦气的整体运移至关重要.为了阐明氦气在纳米级矿物孔隙中的运移机制,本文通过平衡分子动力学与非平衡分子动力学方法,分别模拟了氦气在石英层状纳米孔隙中的平衡自扩散和压力驱动下的平流行为.此外,向含氦气的石英纳米孔中加入了水和氢气、甲烷、乙烷、氮气、二氧化碳等气体,以分析流动载体对氦气运移的影响.研究表明,氦气在石英孔隙壁面上的吸附量很小.在孔径小于5nm且气压低于10MPa的条件下,环境因素会显著影响氦气的扩散系数,大孔、高温和低气压的条件能促进氦的解吸附并加快其扩散.氦气以平流的形式在孔隙中运移时,流动速度与孔径大小、压力梯度和孔壁光滑程度正相关.值得注意的是,孔隙中的水和载气扩散都比氦气慢,并且他们的存在都会减少氦气的表面吸附且减弱氦气的扩散.在几种载气中,氮气的吸附性、扩散性和化学稳定性整体最接近氦气,而二氧化碳吸附能力最强、扩散最慢、与氦气差异最大.根据模拟结果,我们认为水和载气的主要作用是作为运输载体,与氦气共同运移.几种载气中,氮气的总体性质与氦气非常相似,可以有效地促进氦气的运移.而二氧化碳气体吸附性强、扩散慢,在多种气体的共同运移过程中容易损失.因此,氮气含量高而二氧化碳含量低的气藏可能具有更高的氦气含量.此外,小孔径、高气压的盖层孔隙中氦气扩散较慢,有利于氦气的保存.并且盖层孔隙中的水和载气会堵塞孔隙空间,进一步阻止了氦气的逸散.

关键词：氦气运移纳米孔隙分子动力学模拟扩散流动载体

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