基于光纤端面集成的液晶光束整形器件

光纤集成器件因其尺寸小、功能高度集成化等优点,近年来受到越来越多的关注。当前光纤集成器件通常由介质型或金属型微结构组成,其制备加工通常依赖于高精度的微纳加工技术,面临着成本高和工艺复杂等挑战。另外,静态、固定几何结构的光纤光学器件功能不可调,也在极大程度上限制了其应用范围。本文设计并验证了一种基于光纤端面集成的液晶光束整形器件。通过对单模光纤端面加工平行锚定和垂直锚定的液晶聚合物液滴,获得了可见光波段的光束整形器件。基于Q-张量模型和Rayleigh-Sommerfeld衍射理论,实现了具有特殊液晶指向矢排布的液晶聚合物液滴的模拟仿真。通过实验验证了不同锚定条件下液晶聚合物液滴的光学性能,实验结果与仿真结果基本吻合,证明了该液晶器件的光束整形能力。这种液晶器件为光纤光学器件的微型化与集成化提供了一种成本较低、高效便捷的全新途径。

考虑液滴形状影响的气井临界携液流速计算模型

为了判断气井是否积液同时优化气井配产,基于气流中液滴总表面自由能与气相总湍流动能相等的关系,建立了考虑液滴直径、液滴变形及变形对液滴表面自由能影响的气井临界携液流速计算模型(以下简称新模型):基于椭球体假设,通过分析液滴变形对液滴表面积及表面自由能的影响,建立起液滴最大迎风面直径的计算公式;考虑液滴变形对液滴所受曳力的影响,提出针对椭球形液滴的临界携液流速表达式;考虑液滴变形和液滴内部流动的影响,将Brauer模型基于圆球体的曳力系数计算值增大20%作为变形椭球体的曳力系数;基于能量守恒原理提出液滴变形参数与临界韦伯数函数关系式,并将计算结果下调10%;采用考虑气井压力和温度影响的表面张力计算公式。将新模型与Turner模型、李闽模型、王毅忠模型、王志彬模型和熊钰模型进行对比,并在44口气井开展了现场验证。结果表明,新模型的预测结果与气井的实际状况吻合最好。结论认为,新模型可用于对气井积液的判断。

新型扇形雾化喷嘴的实验研究

在对Y型喷嘴结构和雾化机理研究分析的基础上,设计了一种新型的扇形雾化喷嘴,并对该喷嘴进行了实验研究.实验测量了不同气、液压力下扇形雾化喷嘴的流量、雾化角和索特尔平均粒径及其在空间上的横向和纵向分布.通过对液流量用Y型喷嘴设计公式进行拟合,得到了公式中适合扇形雾化喷嘴设计的系数取值:μ=0.39,β=0.98.喷雾雾化角α大约在90o～98o之间,变化不大.喷雾的索特尔平均粒径在空间横向呈类似'W'的分布,在空间纵向呈逐渐降低并趋于稳定的分布.

内混式扇形空气雾化喷嘴参数研究

采用Eulerian-Lagrangian耦合模型,对内混式空气雾化喷嘴性能进行了数值模拟,模拟结果表明:索特尔平均直径随气液质量流量比的增加,先逐渐减小,达到极小值后,又逐渐增大,SMD的极小值约为39.5μm;当气液质量流量比为23%时,距离喷嘴出口20 mm处液滴基本被气流束缚在扇形平面方向上±20 mm的范围内,液滴浓度和速度分布呈"双峰型"分布,最大值出现在"扇形"喷雾区域的边缘处(Y=15 mm和Y=-15 mm);绝大部分液滴粒径在15～50μm,峰值约为25μm,索特尔平均直径为45.2μm。

内混式扇形空气雾化喷嘴参数分析

采用Eulerian-Lagrangian耦合算法,对内混式空气雾化喷嘴的性能参数进行了数值模拟,结果表明:气液质量流量比为定值时,随着喷嘴孔口宽度的增大,雾化角和液滴的速度逐渐减小,索特尔平均粒径(SMD)不断增大;为了获得更细小的液滴,喷嘴孔口宽度不宜过大;喷嘴孔口宽度为定值时,SMD随气液质量流量比的增加,先逐渐减小,达到极小值后,又逐渐增大,喷嘴孔口宽度为0.6mm时,SMD的极小值约为39.5μm。

短路过渡CO_2焊接熔滴形状数值模拟与控制

为了进一步提高短路过渡CO2气体保护电弧焊的工艺性能和焊接质量,根据高速CCD摄像获得的熔滴及其短路过渡图像,分析了熔滴与熔池短路前的形状对熔滴与熔池的短路、熔滴在熔池中的铺展及液桥缩颈形成的影响。采用熔滴静力平衡模型研究了电磁力(燃弧电流)、表面张力、重力与熔滴形状的关系,并通过对燃弧电流的精确控制实现了对熔滴形状的有效控制。当熔滴与熔池短路前为细长形状时,短路过渡过程稳定柔顺,而当熔滴为扁平形状时,则不利于熔滴的短路过渡,甚至产生瞬时短路。燃弧阶段的熔滴形状体现了各种力对熔滴的作用,而电磁力(燃弧电流)是决定熔滴形状的主要因素。根据燃弧电流对熔滴形状的影响规律,提出了采用前期大、后期小的燃弧电流控制原则,以在燃弧的不同阶段获得不同的熔滴形状。试验结果表明:该控制方法获得了良好的适合于熔滴短路过渡的短路前熔滴形状,短路过渡过程柔顺稳定,消除了瞬时短路以及由此导致的飞溅,改善了熔滴的短路过渡行为,短路过渡结束后焊丝端部的残余液态金属具有良好的一致性。

基于GMAW动态模型的短路过渡过程稳定性分析

基于已建立的CO2焊短路过渡模型,模拟了短路过渡的动态过程;预测了不同送丝速度下短路过渡频率、接触熔滴和残余熔滴等效半径、熔滴的速度和位移以及液桥的变化;分析了上述参数与稳定性之间的关系,并成功预测了最佳电弧点,为焊接过程的参数优化提供依据.结果表明,当熔滴过渡频率最大时,并未达到最佳焊接条件;在最优焊接参数下,残余熔滴等效半径达到最小,且熔滴振荡速度和位移变化范围较小;接触熔滴等效半径和液桥曲率半径越小,越有利于提高短路过渡的稳定性.

无重力下水滴在两纤维间的形貌特征分析

运用最小自由能原理,数值计算了液滴在2个平行圆柱形纤维上的润湿行为.计算结果发现液滴的形貌取决于液滴体积大小和纤维之间的距离.当纤维的间距小于临界距离时,液滴为柱状形貌.当纤维的间距大于临界距离时,液滴为桶状液滴或者液滴桥,这取决于临界体积:当液滴体积大于临界体积时,液滴为桶状液滴平衡形貌;当液滴体积小于临界体积时,液滴为液滴桥形貌.该研究可用于了解纺织产品,例如运动服、卫生免洗材料和医疗产品中纤维的润湿和芯吸行为.

微倾管中低含液率气液分层流临界携液流速预测模型

湿天然气会在管道低洼处形成积液,不仅影响输送效率,而且有可能腐蚀甚至堵塞管道,因而准确预测气体的临界携液流速对于预防上述现象具有重要的意义。为此,针对微倾管中低含液率气液两相分层流,基于气液两相流动量平衡方程和新的气-液界面形状闭合关系式,建立了考虑液滴夹带的临界携液流速预测模型。结合实验数据,对新模型和FLAT模型、ARS模型、双圆环模型、MARS模型进行了验证和预测结果对比;并在此基础上,利用新模型分析了管道倾角、运行压力、液相密度以及天然气组分对微倾管道中天然气-水、天然气-60%甘油/水分层流临界携液流速和临界含液率的影响。研究结果表明:①随着管道倾角和液相密度的增大,临界携液流速持续增大,临界含液率逐渐减小;②随着运行压力和天然气中重组分含量的增大,临界携液流速持续减小,临界含液率逐渐增大。结论认为,新模型预测结果与实验值吻合度较高、预测精度较高,可用于预测湿天然气管道中的临界携液气体流速。

气液针栓喷注单元雾化特性试验

为研究气液针栓喷注单元的雾化特性,采用高速相机和激光相位多普勒(PDA)获得了雾场形态、雾化模式、雾场浓度分布、液滴SMD分布和速度分布。结果表明:气液针栓喷注单元的雾化模式为剪切破碎,雾场形态为实心锥形雾场;SMD变化范围随局部动量比增大而增大,且SMD范围有向两端扩大的规律;SMD沿径向逐渐增大;随着局部动量比增大,针栓头下方回流区的轴向长度减小;雾场主流区域随局部动量比增大从雾场中心向外偏移,远场区域合速度沿径向呈先增大后减小规律。

液体橡皮泥:属性特征、制备策略及应用探索

液体橡皮泥是指空气环境中被颗粒包裹的以可塑性和复杂形状为特征的液体系统,目前已被成功应用于气体传感、蛋白质分析、光催化等领域,并展现出了很多独特优势。这是一种新兴的软物质体系,与被颗粒包裹的形状为类球形的液体弹珠组成相似,但打破了后者的形状单一性。本文从裸液滴和液体弹珠出发,通过对液体形状和颗粒堵塞问题的分析,梳理了液体橡皮泥技术的建立过程。随后,论述了国内外的研究进展,对不同种类液体橡皮泥的制备、特性及应用进行了概括和分析,重点讨论了单层纳米颗粒结构液体橡皮泥的系列研究。最后,围绕液体橡皮泥的概念内涵、制备方法、特性对比、功能应用等问题进行了总结和探讨,并就未来发展方向和研究思路提出了建议。