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气-液复合液滴撞击超疏水壁面的实验研究

应用力学学报 2024年第3期41卷 698-707页

作者：姚程炜田远思李二强中国科学技术大学工程科学学院合肥230026 长安大学工程机械学院西安710064

采用实验方法研究了气-液复合液滴撞击超疏水表面的动力学过程,考察了撞击过程中复合液滴内部空腔破裂的临界条件,及其铺展系数最大值和动态变化的特性,并分析了其与单相液滴撞击现象的区别。实验结果表明:发生空腔破裂的临界阈值随液... 详细信息

采用实验方法研究了气-液复合液滴撞击超疏水表面的动力学过程,考察了撞击过程中复合液滴内部空腔破裂的临界条件,及其铺展系数最大值和动态变化的特性,并分析了其与单相液滴撞击现象的区别。实验结果表明:发生空腔破裂的临界阈值随液体黏度的增加和气-液直径比的减小而增加。最大铺展系数随液体黏度和空腔尺寸的增加而减小,推导出了复合液滴空腔破裂临界阈值的理论公式,以及适用于气-液复合液滴最大铺展系数的理论模型。此外也研究了复合液滴撞击后的接触时间,发现在3种气-液直径比下,复合液滴的接触时间均小于单相液滴,并提出了无量纲接触时间随直径比变化的理论公式。

关键词：气-液复合液滴超疏水表面铺展系数接触时间

液滴偏心撞击超疏水宏观脊接触时间及其机理研究

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液滴偏心撞击超疏水宏观脊接触时间及其机理研究

作者：金佳鑫华北电力大学(北京)

学位级别：硕士

抑制撞击液滴的结冰在实际工程应用领域具有非常重要的意义。传统的防、除冰方法持续时间短且除冰不彻底,而利用超疏水表面撞击液滴的反弹特性抑制结冰的新思路能从根本上解决撞击液滴结冰问题,受到研究者的广泛关注。接触时间作为表征... 详细信息

抑制撞击液滴的结冰在实际工程应用领域具有非常重要的意义。传统的防、除冰方法持续时间短且除冰不彻底,而利用超疏水表面撞击液滴的反弹特性抑制结冰的新思路能从根本上解决撞击液滴结冰问题,受到研究者的广泛关注。接触时间作为表征液滴反弹特性最重要的参数之一,降低接触时间可促进液滴的反弹,提高防结冰效率。目前,主要通过在超疏水表面上布置宏观脊的方法来降低接触时间,接触时间的减少量在液滴中心撞击宏观脊时十分显著。但偏心撞击在实际应用中更为普遍,当液滴偏心撞击宏观脊时,其接触时间与中心撞击相比明显增加,不利于反弹。然而,目前对于液滴偏心撞击宏观脊的研究还十分有限。因此,深入探究液滴偏心撞击宏观脊的机理并建立接触时间的标度关系能够为超疏水表面防除冰的发展提供一定的理论依据。本文通过格子玻尔兹曼方法(LBM)研究了液滴偏心撞击宏观矩形脊的机理,重点探究了偏心距离对接触时间的影响机制。研究发现与液滴中心撞击相比,偏心撞击能够显著增加接触时间,这主要是由于偏心撞击会导致液滴体积的非对称性分配,进而导致液膜的非对称铺展回缩。基于液滴体积的非对称性分配机理,接触时间主要依赖于较大部分液体的体积,因此推导了液体体积与偏心距之间的关系,进而初步建立了接触时间的标度关系。基于液膜的非对称铺展回缩,液膜与表面润湿后的最长回缩长度也会影响接触时间,因此详细推导并证明了液膜非对称性对接触时间的修正关系。基于液体体积分配和液膜非对称性两个机理,本文建立了液滴偏心撞击宏观脊时,接触时间随偏心距变化的标度关系。实验和模拟结果表明,当液滴以较高的We数撞击到超疏水表面时,该标度关系能够对接触时间进行准确的预测。此外,基于偏心撞击中液膜的非对称性机理,本文首次提出操控并降低液滴偏心撞击接触时间的新思路,即通过将宏观脊倾斜以降低液膜的非对称性,从而降低接触时间。本研究基于LBM方法探究了宏观脊的倾斜角θi和偏心距Δx*对液滴偏心撞击反弹动力学的影响规律。研究证明,对于偏心撞击,倾斜宏观脊可显著降低接触时间。对于正偏心撞击(Δx*>0),液膜非对称性和接触时间都随着宏观脊倾角的增大而降低;对于负偏心撞击(Δx*接触时间的影响被忽略,此时接触时间仅与液体体积变化有关。在此基础上,本文最终建立了液滴偏心撞击倾斜宏观脊接触时间的标度关系。本研究在一定程度上填补了目前对于液滴偏心撞击研究的不足,其为偏心撞击接触时间的定量计算提供了可靠的理论依据,为超疏水表面在防结冰、自清洁领域的应用提供了一定的指导。

关键词：偏心撞击接触时间宏观脊倾斜度体积分配非对称性

液滴偏心撞击超疏水微柱表面:形态变化与接触时间

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工程热物理学报 2020年第9期41卷 2266-2271页

作者：胡志锋褚福强张旋袁志平吴晓敏清华大学能源与动力工程系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084 北京科技大学能源与环境工程学院北京100083

液滴撞击超疏水表面会自发地回弹脱离表面,这在自清洁、防结冰等工程领域具有广泛的应用前景。本文制备了具有单个微柱凸起结构的超疏水表面,对不同韦伯数(We)时液滴偏心撞击的形态变化及接触时间展开实验研究。根据液滴形态变化的规律... 详细信息

液滴撞击超疏水表面会自发地回弹脱离表面,这在自清洁、防结冰等工程领域具有广泛的应用前景。本文制备了具有单个微柱凸起结构的超疏水表面,对不同韦伯数(We)时液滴偏心撞击的形态变化及接触时间展开实验研究。根据液滴形态变化的规律,将不同偏心距时的撞击分为6个类型并描述其特征。不同类型接触时间的研究结果表明,We较小时,小偏心距的撞击会使接触时间增加;We较大时,不同类型的撞击都能有效减小接触时间。

关键词：偏心撞击形态变化接触时间

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通过可动触点延长接触时间的新型微冲击开关

振动与冲击 2009年第7期28卷 147-152页

作者：蔡豪刚丁桂甫杨卓青周镇威汪红上海交通大学微纳科学技术研究院薄膜与微细技术教育部重点实验室微米/纳米加工技术国家级重点实验室上海200240

基于非硅表面微加工技术,设计并制造了一种用于振动监测的新型微机电系统(MEMS)冲击开关。开关主要由三部分构成:作为可动电极的质量块,作为固定电极的十字梁,和位于质量块中心的具有延时作用的可动触点。通过ANSYS有限元仿真,对器件进... 详细信息

基于非硅表面微加工技术,设计并制造了一种用于振动监测的新型微机电系统(MEMS)冲击开关。开关主要由三部分构成:作为可动电极的质量块,作为固定电极的十字梁,和位于质量块中心的具有延时作用的可动触点。通过ANSYS有限元仿真,对器件进行模态分析,考察了器件的横向抗干扰能力;并提取了器件的物理参数(如弹簧弹性系数和系统有效质量),以用于Simulink动态仿真。通过动态仿真验证了器件的工作原理,并与传统微冲击开关进行了比较。使用落锤试验对所制造出的微冲击开关进行测试,加载脉宽1ms的半正弦冲击加速度,测得其阈值约为145g,并且接触时间可稳定在50μs以上。测试结果与仿真符合较好,证明了新型设计可以有效地增强接触效果,所建模型可以较准确地描述器件的动态响应。

关键词：微冲击开关微机电系统可动触点接触时间

基于多角度下TC4钛合金表面多颗粒动态冲蚀仿真研究

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材料保护 2024年第5期57卷 10-17,41页

作者：张亚辉吕晓仁柏春光杜菲菲李兴海郭映福沈阳工业大学机械工程学院辽宁沈阳110870 中国科学院金属研究所辽宁沈阳110016 青海盐湖工业股份有限公司青海格尔木816000

为了准确地预测TC4钛合金材料固体颗粒冲蚀的损伤过程,采用显式动力学有限元分析手段,建立了一个弹塑性有限元模型来模拟三维结构中多颗粒模型的动态冲蚀过程,并结合了Johnson-Cook材料模型和应变累积失效模型。结果表明:最大塑性变形... 详细信息

为了准确地预测TC4钛合金材料固体颗粒冲蚀的损伤过程,采用显式动力学有限元分析手段,建立了一个弹塑性有限元模型来模拟三维结构中多颗粒模型的动态冲蚀过程,并结合了Johnson-Cook材料模型和应变累积失效模型。结果表明:最大塑性变形发生在第一次碰撞时,且随着碰撞次数的增加而减小。冲蚀角度和速度显著影响颗粒和靶材表面之间的接触时间,动能损失随着冲蚀速度和角度的增加而增加。在低冲蚀角下,动态冲蚀过程中切向接触力和法向接触力有多个极大值和极小值,冲蚀机理主要是塑性变形和切向剪切。在高冲蚀角下,球形颗粒能很好地模拟冲蚀过程中对材料的剪切和挤压作用。从微观机制上解释了入射角度和入射速度对多颗粒连续冲蚀行为的影响,明确了冲蚀坑的动态冲蚀机理和几何演化规律。

关键词： TC4 冲蚀角度冲蚀速度动能损失率接触时间冲蚀率

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接触时间感知的移动WSNs路由

现代电子技术 2019年第12期42卷 161-164,167页

作者：贺瑜飞马崛延卫军陕西师范大学物理学与信息技术学院陕西西安710119 榆林学院数学与统计学院陕西榆林719000

多数无线传感网络应用中需要处理节点移动性,为此,面向移动无线传感网络(M.WSNs),提出基于接触时间的区路由(CTAR)。CTAR路由先利用源节点和目的节点的相对位置信息形成活动区,只有区内的节点才能参与路由;然后,利用节点的移动矢量信息... 详细信息

多数无线传感网络应用中需要处理节点移动性,为此,面向移动无线传感网络(M.WSNs),提出基于接触时间的区路由(CTAR)。CTAR路由先利用源节点和目的节点的相对位置信息形成活动区,只有区内的节点才能参与路由;然后,利用节点的移动矢量信息选择能够最大化接触时间的邻居节点作为下一跳转发节点。仿真数据表明,与RoF协议相比,CTAR协议的数据包传递率得到有效提高。

关键词：移动无线传感网络路由活动区接触时间移动矢量转发节点

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接触时间对受振颗粒倍周期分岔的影响

接触时间对受振颗粒倍周期分岔的影响

作者：周大围哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

颗粒物质一般指的是尺寸大于1μm的固体组成的离散体系,在工业生产中应用广泛,有重要的研究价值。在外加振动下,颗粒物质具有非线性的特性,例如在竖直方向施加周期性振动,受振颗粒对容器底的冲击力随着振动强度的变化,会出现一倍周期,... 详细信息

颗粒物质一般指的是尺寸大于1μm的固体组成的离散体系,在工业生产中应用广泛,有重要的研究价值。在外加振动下,颗粒物质具有非线性的特性,例如在竖直方向施加周期性振动,受振颗粒对容器底的冲击力随着振动强度的变化,会出现一倍周期,二倍周期,四倍周期,混沌,三倍周期,六倍周期等一系列倍周期分岔现象。对于这种分岔现象,可以用蹦球模型来描述。以往的研究只考虑了飞行过程中的器壁摩擦力、空气阻力,未能对颗粒与容器底的碰撞过程进行细致的研究。因此,本文对受振颗粒冲击力的倍周期分岔过程进行了实验研究,并对接触时间如何影响倍周期分岔进行了理论研究。首先,从蹦球模型出发,介绍了蹦球倍周期分岔的原理与过程。通过实验得到了颗粒与容器底碰撞产生的冲击力接触时间的范围是3到13 ms,随着约化速度Γ的增大会出现倍周期分岔的现象。同时结合实验中脉冲的特征,对接触时间进行细致的划分,得到碰撞接触时间和粘附时间,发现碰撞接触时间随着Γ的增大也会出现倍周期分岔的现象。同时得到每个冲击力脉冲对应的着陆相位、出射相位,与理论相位符合的较好,并统计整理了着陆速度,飞行时间的分岔图。然后,以蹦球模型为基础,对接触时间如何影响倍周期分岔过程进行了理论分析。在原有模型的基础上添加一个恒定的碰撞接触时间,经计算表明考虑碰撞接触时间后密集区会变宽,尽管通过本模型得到的分岔点与实验中的分岔点有差别,但经过理论计算得到的蹦球整体运动特性和实验吻合相对较好。最后,在上述模型的基础上又考虑阻力对颗粒运动情况的影响,由于颗粒在飞行过程中所受的阻力可以看成是一个恒定的摩擦力,因此本文对上述模型进行了改善。结果表明通过新的模型计算获得的理论值与实验值的偏差会显著减小,尤其是密集区会进一步变宽并与实验中的混沌区域重叠。

关键词：颗粒物质倍周期分岔接触时间

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基于接触时间的移动机器人安全导航

计算机应用 2014年第4期34卷 1209-1212页

作者：郝大鹏傅卫平王雯西安理工大学机械与精密仪器工程学院西安710048 西安航空学院理学院西安710077

自主移动机器人在动态未知环境中导航存在安全隐患。为了提高导航安全性,提出一种基于接触时间的导航环境表示方法,即接触时间空间。将接触时间作为导航环境中危险评价指标,利用线速度和角速度计算机器人与障碍物之间任意两点接触时间,... 详细信息

自主移动机器人在动态未知环境中导航存在安全隐患。为了提高导航安全性,提出一种基于接触时间的导航环境表示方法,即接触时间空间。将接触时间作为导航环境中危险评价指标,利用线速度和角速度计算机器人与障碍物之间任意两点接触时间,通过算法将导航过程中的构型空间映射为接触时间空间。将接触时间空间应用于经典行为动力学导航方法,与经典行为动力学导航方法和结合速度障碍物的行为动力学的导航方法仿真对比,结果表明接触时间空间可以提高自主移动机器人的导航安全性。

关键词：移动机器人安全导航动态环境接触时间行为动力学

不同接触和淋洗时间下脱硫石膏对滨海吹填土理化性质的影响

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水土保持学报 2012年第5期26卷 64-67页

作者：赵秀芳王晓颖张清王振宇谢忠雷天津泰达园林建设有限公司天津300457 吉林大学环境与资源学院长春130021

为改善滨海吹填土的理化性质,加快提升吹填土在城市生态建设中的土地价值,开展脱硫石膏不同接触时间处理对滨海吹填土理化性质影响的试验研究。结果表明:滨海吹填土导水能力极弱,在整个淋洗过程中始终没有淋出液排出,2,5,10,50d脱硫石... 详细信息

为改善滨海吹填土的理化性质,加快提升吹填土在城市生态建设中的土地价值,开展脱硫石膏不同接触时间处理对滨海吹填土理化性质影响的试验研究。结果表明:滨海吹填土导水能力极弱,在整个淋洗过程中始终没有淋出液排出,2,5,10,50d脱硫石膏接触处理后土壤饱和导水率分别达到6.21,7.20,7.20,7.65mm/h,显著提升了滨海吹填土的导水能力。2,5,10,50d石膏接触处理分别经220,116,116,196h淋洗后,淋出液盐分均达到0.5dS/m以下,淋洗用水量分别为5.16,3.85,4.21,4.95L。淋洗后,土壤含盐量由处理前6.98dS/m下降到0.28～0.36dS/m,土壤中Cl-、Na+浓度分别由处理前的9.03,4.85g/kg下降到0.05～0.34g/kg和0.01～0.04g/kg,土壤钠吸附比(SAR)以及土壤碱化度(ESP)分别由处理前的27.89和28.15下降到0.18～0.8和0.02～0.28,已经为非碱化土,土壤的各理化指标均得到明显改善。综合各种因素与指标,脱硫石膏与吹填土5d接触处理效果最佳。

关键词：脱硫石膏接触时间滨海吹填土土壤盐分 ESP 饱和导水率