含能纳米流体型燃料研究进展

含能纳米流体型燃料是将含能纳米颗粒均匀分散于液体基础燃料中制得,具有高密度、高体积热值等特性,是高能量密度燃料的重要研究方向。本文首先总结了含能纳米颗粒的固、液和气相制备方法及纳米流体型燃料的一步和两步制备方法,阐述了范德华力、空间位阻、静电斥力以及溶剂化排斥协同作用以稳定固液两相的原理,介绍了纳米流体燃料稳定性评价方法(沉降与离心法、粒度观测法、光谱吸收法等)及提高燃料稳定性的途径(添加表面活性剂、纳米颗粒表面改性等);进一步,解析了纳米颗粒表面改性同时提高燃料稳定性和燃烧特性的作用机制,分析了含能纳米颗粒提高燃料能量密度和燃烧速率、缩短点火延迟时间的机理。然后,综述了含能纳米流体型燃料凝胶化的研究进展,该燃料以凝胶态储存,经剪切或升温变稀后以纳米流体相态进行输送和雾化,是解决含能纳米流体型燃料沉降问题的重要手段。最后,提出了纳米流体型燃料的未来研究方向,如合成新型基础燃料、设计含能小分子凝胶剂、开发低成本规模化制备工艺等。

吸能减震纳米流控系统研究现状

纳米流控系统的能量吸收密度远高于传统吸能材料,可用于机械结构部件的吸能减震,具有很大的应用前景。纳米流控系统是由纳米多孔介质与非浸润性功能流体封装而成,与传统吸能材料相比,具有极其优良的吸能减震效果,具有体积小、能量吸收密度高、可重复使用等优势,工作原理为机械能向固液界面能的转换和吸收或耗散。从纳米流控系统的工作原理出发,给出了纳米流控系统的研究现状。详细阐述了内部因素如纳米多孔介质种类、功能流体种类等对纳米流控系统吸能特性的影响规律,外部因素如系统环境温度、加载速率以及外加电场等对纳米流控系统吸能特性的影响规律,探讨了进一步研究的方向与思路,展望了纳米流控系统的未来发展方向与应用前景。

纳米流冷却液射流方式强化缸盖局部冷却的试验分析

为解决柴油机缸盖高热密度区域的冷却问题,本文采用射流方式的纳米流对其进行强化冷却。通过配置不同体积比的Cu、MgO、Al2O3纳米流,对自制的带有射流装置的柴油机缸盖进行传热性能对比研究。结果表明,与传统冷却液水相比,射流方式下3种纳米流冷却液均能不同程度地提升缸盖高热密度区域的传热性能,局部最大增加比率超过110%;在体积比≤2%时,3种纳米流冷却液射流传热系数都呈现出随粒子浓度的增加而增加的趋势,但随浓度的进一步增加反而降低;3种纳米流冷却液的射流传热系数随射流速度的增加而增加,但MgO纳米流在低射流速度下的射流传热系数最小,甚至比传统冷却液低2%～4%;3种纳米流冷却液的射流传热系数随射流高度的增加而增加,但射流高度过高会减小射流传热系数;随射流角度的增加射流传热系数也增加,射流角度的降低不仅降低射流传热系数还会加重测试点温度不一致的现象,过低射流角度时测试点温度值最大差距近30℃;射流传热系数随射流初始温度的增加而增加,但65℃之后,传热系数则随着射流初始温度的升高而下降;随着粒子浓度增高,电动泵消耗功率随之增加,本试验最大功率损耗为115W。本文的研究成果是一种柴油机冷却技术的应用基础研究,可为实现缸盖局部高热密度区域的良好散热提供一种新的科研思路。

纳米流以射流冲击方式对柴油机缸盖的冷却研究

利用纳米流射流冲击技术提升柴油机缸盖中进排气门鼻梁处的高热密度区域的传热系数,通过搭建研发的试验操作平台,对比了以不同体积分数的Cu-水纳米流作为冷却工质时,用射流技术对柴油机缸盖高热密度区域的传热效果。分析了射流冲击速率、射流冲击高度、射流冲击角度、纳米流体积分数及射流初始温度对缸盖高热密度区域传热系数的影响。研究结果表明:采用纳米流射流技术可实现良好的柴油机高热密度区域的传热效果,但不同的射流参数及纳米流体积分数会对传热效果产生不同的影响。

交变磁场下磁纳米流冷却液强化柴油机缸盖微区域冷却

为能实现柴油机缸盖鼻梁微区域高效冷却兼顾节能化的要求,该文提出了一种通过外部施加交变磁场的方式促进磁纳米流内粒子的微运动达到强化传热的方法,并与传统乙二醇冷却液、Cu-乙二醇纳米流冷却液进行了柴油机缸盖鼻梁微区域传热效果的对比研究。结果表明:在0.17 Hz的磁场交变频率影响下,磁纳米流中加热棒温度值最大下降幅度提升了29.3%,内部粒子运动涡数增加。缸盖鼻梁微区域试验表明:相比传统乙二醇冷却液,稳态工况下,最大扭矩工况点和标定工况点处测点温度值最大下降幅度分别约为12%、14.4%,外特性工况下测点平均温度值降幅为23.7℃,约为9.4%。瞬态工况测试结果表明,采用交变磁场影响下的磁纳米流冷却液,柴油机预热时间较采用传统乙二醇冷却液和Cu-乙二醇纳米流冷却液分别缩短了9.8%和8.2%,柴油机急加速工况下能保持冷却液温度波动性小。能耗率计算结果表明,采用外部施加交变磁场加强磁纳米流冷却液高效传热的方式在达到相同冷却液温度时,可实现节能幅度为7.2%。该研究为柴油机乃至其他高温部件的节能化高效冷却提供科学参考。

纳米流采用多孔射流强化技术加强柴油机缸盖传热的探索

通过自搭建的一种针对柴油机缸盖进排气门"鼻梁区"进行射流冲击冷却的试验台,采用导热系数较高的纳米流较传统冷却液,进行了单孔和多孔射流方式在不同射流冲击参数下对柴油机缸盖"鼻梁区"传热系数影响的研究,同时对比了单孔和多孔射流冲击方式下所实现的温度一致性的差异及电动泵耗损功率与所实现的传热系数之间的对应关系。试验结果表明:在射流方式下与传统冷却液相比,采用纳米流冷却液能有效提高传热系数;不同射流参数下多孔射流方式和单孔射流方式存在不同,随着射流速度的增加多孔射流方式下实现的传热系数比单孔的增加幅度减少,当射流速度增至9m/s后,传热系数增幅不足1%;射流距离在2.5～8mm时,射流距离的增加会有效增加单孔和多孔射流方式下的传热系数,但射流距离为8mm后,单孔冲击所实现的传热系数随射流距离的升高而降低,多孔射流冲击所实现的传热系数随射流距离的升高而略有下降;射流角度的变化使射流冲击在传热面的入射点改变,影响到各个测点的温度值,进而对计算的传热系数值产生较明显的影响,传热系数最大差异达到了75.8%;采用多孔射流冲击方式可有效避免单孔射流方式下的温度一致性较差的问题,测点温度值最大差距均小于5℃;多孔射流冲击方式比单孔射流冲击方式需消耗更多的驱动功率,但当驱动功率达到120W时,多孔射流冲击方式就能显现出更好的传热特性。

基于纳米流控系统的封隔器胶筒肩部防护装置及其弹性层应用特性

针对封隔器胶筒因肩部应力集中导致的密封失效问题,提出了一种基于纳米流控系统的封隔器胶筒肩部防护装置。该肩部防护装置由楔形金属环和环形弹性层组成,弹性层具有独特的压力-体积变化特性和压力传递性能,可消除封隔器胶筒肩部应力集中现象。以ZSM-5型沸石与甘油所构成的纳米流控系统填充弹性层,通过压力-位移特性测试实验,研究了弹性层的可重复使用性及不同加载速率下系统的压力阈值及最大压力下的有效形变量。结果表明ZSM-5型沸石-甘油配方具有良好的可重复使用性,可以作为肩部防护装置环形弹性层的填料。加载速率在0.01~0.1 mm/s范围内变化时,弹性层压力阈值可稳定在17±2 MPa范围内;不同加载速率下,最大压力下的有效形变量均大于58 mm^3/g,加载速率越大,变形量越大,符合弹性层的性能需求。通过调整纳米多孔介质与功能流体的配方,环形弹性层的性能在很大范围内可调,适用于多种复杂工况。

纳米流冷却液雾化射流缸盖鼻梁区的表面换热分析

提出了采用纳米流冷却液雾化冲击冷却提升缸盖鼻梁区高热密度区换热能力的方案,利用计算机仿真计算、高速摄影及内燃机台架系统研究了纳米流雾化冲击对缸盖高热密度区换热效果及不同冷却方案对柴油机工作性能的影响。研究结果显示,采用雾化冲击方式能实现缸盖高热密度区的良好冷却且温度一致性较好,温度值相差幅度不高于6℃。原因在于纳米流冷却液沸腾换热以核态沸腾为主,且雾化冲击冷却方式可以提升柴油机缸盖的进气质量流量,相比传统冷却方式最大可以提升9.7%的质量流量。在中高转速下NOx排放量和烟度值的最大降幅分别为2.7%和4.0%,在中低转速下HC及CO排放量的最大降幅分别为10.2%和5.3%。

缸盖高热密度区纳米流雾化冲击冷却的研究

为进一步提升柴油机缸盖鼻梁区散热能力且解决多孔射流冲击下的干涉问题,提出了采用纳米流冷却液雾化冲击冷却方案,利用计算机仿真计算、高速摄影和柴油机台架综合测试研究了不同冷却方案对缸盖高热密度区换热效果和柴油机工作性能的影响。结果表明,采用雾化冲击冷却方式,因其冷却液沸腾换热以核态沸腾为主,传热效率高,故能实现缸盖高热密度区的良好冷却且温度比较均匀,温差小于6℃;该冷却方式还可增大柴油机的进气质量流量,在两种测试工况下,比传统冷却方式分别增加4%和8%。同时使NOx和烟度排放分别下降10×10-6和11%~15%。

基于纳米流控系统的封隔器胶筒材料及其温变压变特性

基于纳米流控系统特殊的压力-体积变化特性,提出了一种封隔器胶筒材料。该材料由仿生蜂窝骨架包覆纳米流控系统构成,具有优良的抗剪切性能与压力传递性能,同时具备纳米流控系统的自适应形状调节能力。以MFI型沸石-甘油所组成的纳米流控系统为例,实验分析了所述封隔器胶筒材料的可重复使用性、压力阈值及有效形变量随温度及压力的变化规律。结果表明:所测试系统在经历3次加载/卸载循环后即达吞吐平衡,具有良好的可重复使用性。环境温度增高,系统的压力阈值线性减小,有效形变量线性增大。不同于传统材料的热胀冷缩效应,该材料具有类似"热缩冷涨"的温变特性,可减小封隔器密封失效风险。通过调节纳米流控系统配方,可获得具有良好抗温变、抗压变能力的封隔器胶筒材料。

纳米流控封隔器胶筒蜂窝骨架承压性能研究

纳米流控封隔器胶筒由蜂窝支撑骨架包覆纳米流控系统构成,可消除封隔器胶筒肩部应力集中,延长封隔器寿命,但鲜有对适用于胶筒的橡胶材质蜂窝骨架结构的研究。针对该问题,参考Y241型封隔器坐封时胶筒压缩比,采用ANSYS Workbench软件,研究了橡胶蜂窝结构的变形模式,以及压缩比为0.2时静态压缩载荷作用下胞元参数对正六边形橡胶蜂窝骨架承压性能的影响规律。研究结果表明:当压缩比为0.2时,橡胶蜂窝骨架承压能力随胞元壁厚边长比增大呈线性增强、随胞元高度增加呈指数下降。将胞元高度h=2、4、6 mm下的模拟结果进行拟合,得到压缩比为0.2时橡胶蜂窝骨架上表面平均接触压力与胞元参数关联式,该式拟合相对误差为2.37%;将胞元高度h=3、5 mm时的模拟结果代入该式,h=3 mm时相对误差为3.05%,h=5 mm时相对误差为2.20%。研究结果对纳米流控封隔器胶筒的蜂窝骨架设计具有指导意义。

纳米流体液滴瞬态蒸发速率影响因素实验研究

为了提升喷雾冷却等液滴蒸发应用过程的瞬态蒸发速率,该文探究纳米颗粒的加入对液滴瞬态蒸发特性的影响规律。通过可视化实验研究了水基CuO、Al_(2)O_(3)纳米流体液滴在加热铜基板上的瞬态蒸发速率,测量了液滴蒸发过程中接触角、接触半径等形态参数随时间变化关系,并分析了纳米颗粒质量分数、基板加热温度对纳米流体液滴瞬态蒸发速率的影响规律。实验结果表明:纳米颗粒的加入有利于提升液滴蒸发速率,当基板温度为45℃时,与纯水液滴瞬态蒸发速率单调递减规律不同,2%质量分数的纳米流体液滴的瞬态蒸发速率随时间呈现先降低后升高的变化规律;在较高基板温度(60℃、75℃)时,纳米颗粒对液滴瞬态蒸发速率提升作用并不是随着颗粒浓度的增加而一直增加。实验发现1%质量分数纳米流体液滴蒸发速率要高于0.1%与2%质量分数液滴。

基于纳米流控系统的超弹套管保护套结构原理与性能试验

针对套管承受非均匀载荷及压力温度变化引起的气窜问题,利用纳米流控能量吸收/转换系统所具有的独特的温变压变特性,提出了在套管外包覆超弹套管保护套的方法,介绍了超弹套管保护套的结构和原理,并通过压力-体积试验和温变试验测试了MFI型沸石-水流控系统的性能。压力-体积试验发现,MFI型沸石-水流控系统中的功能流体(水)随外界压力与温度的变化自发流入或流出纳米多孔介质的孔道,通过体积变化平衡外压或温度的变化,降低套管失效概率与气窜风险。温变试验发现,当温度在30～75℃之间变化时,该套管保护套的压力阈值随温度升高而降低,其形变能力随温度升高而增强,具有优异的温变工作特性。研究表明,套管外包覆合适超弹套管保护套,利用其温度和压力变化下良好的变形协调能力,可有效解决复杂工况下套管外气窜的问题。

纳米流控封隔器胶筒一级蜂窝骨架承压分析

多层级蜂窝结构相比单级蜂窝结构而言有着强度高、断裂韧度好的优势,更适合作为纳米流控封隔器胶筒的骨架结构。鉴于此,通过数值模拟的方法研究了静态压缩载荷作用下一级橡胶蜂窝结构的变形模式,以及胞元参数对一级橡胶蜂窝骨架承压性能的影响规律。研究结果表明:随着压缩比的增大,一级橡胶蜂窝骨架同样经历弹性变形区、平台区、密实化区3个阶段,且与其零级基元蜂窝骨架进入平台区、密实化区时的压缩比相同,但一级橡胶蜂窝骨架在平台区的上表面平均接触压力是其零级基元蜂窝骨架的2.1倍;一级橡胶蜂窝骨架上表面平均接触压力随胞元边长比l_(1)/l的增大呈现先增大后减小趋势,当l_(1)/l为0.3时达到最大值;一级橡胶蜂窝骨架的承压能力随胞元壁厚边长比的增大呈线性增强、随胞元高度增加呈指数下降;将模拟结果进行拟合,得到压缩比ε为0.2、胞元边长比l_(1)/l为0.3时,橡胶蜂窝骨架上表面平均接触压力与胞元参数关联式。研究结果可为纳米流控封隔器胶筒蜂窝骨架的设计提供数据及理论支持。

放电式纳米流体制造TiO2纳米粒子用于染料敏化太阳能电池

利用自制TiO2纳米粒子研究敏化染敏太阳能电池. 使用自制的旋转涂布加热平台装置将产出的TiO2粒子均匀的涂布在ITO导电玻璃上形成薄膜，浸泡于N-719 染料中12小时以上作为DSSCs的光电极元件，最后完成染料敏化太阳能电池的系统组装并进行光电转换效率测量. 实验结果表明，放电过程产出的TiO2纳米粒子具有锐钛矿晶相，粒径尺寸可控制在20～70 nm，粒子表面电位约为-30 mV，是稳定的纳米悬浮夜. 添加0.5 mL 的Triton X-100在导电玻璃表面上，利用的旋转涂布加热到22℃可以制得厚度均匀缜密的薄膜结构，不但粒子不受到热处理效应与介面活性剂的影响而发生晶相改变，并且薄膜也有良好的染料吸附效果. 较厚二氧化钛薄膜的光电极会提升敏化染敏太阳能电池的效率. 实验结果得知，以15 μm的二氧化钛薄膜组装DSSCs测得最高效率2.15%，但是当薄膜厚度超过15 μm 则会导致开路电压与充填因子逐渐下降，光电转换效率变差.

纳米流控胶筒蜂窝骨架共面压缩吸能特性研究

纳米流控封隔器胶筒由蜂窝骨架包覆纳米流控系统构成,具有超高的吸能效率,可有效吸收射孔弹爆轰引起的压力波动,降低胶筒密封失效风险。为了解橡胶材料蜂窝支撑骨架在共面方向上的承载能力和吸能特性,建立六边形蜂窝骨架的三维模型,利用有限元分析软件,改变橡胶蜂窝骨架胞元壁厚边长比与扩展角,分析橡胶蜂窝骨架在共面压缩作用下的平均平台应力变化规律及能量吸收特性。研究结果表明:平均平台应力随壁厚边长比的增大而增大,随扩展角的增大而减小;共面压缩过程中,橡胶蜂窝骨架经历线弹性、平台区及密实化3个变形阶段;比吸能值随壁厚边长比的增大而增大,密实化阶段前,壁厚边长比越大,能量吸收速率越大,平台区越短;进入密实化阶段后,壁厚边长比越小,能量吸收速率越大,密实化区越短;得到了橡胶蜂窝骨架平均平台应力与胞元参数的关联式;壁厚边长比和扩展角的增大均可增强橡胶蜂窝骨架的能量吸收能力,但过小的壁厚和过大的扩展角都会降低蜂窝结构的稳定性。研究结果为纳米流控封隔器胶筒橡胶蜂窝骨架的设计及应用提供理论与数据支持。

纳米流控能量吸收耗散系统

基于纳米流控行为设计的新一代能量吸收耗散系统(nanofluidic energy absorption system,NEAS)将会比传统吸能材料具有更高的能量吸收密度,而且还可以重复使用,特别是在小体积应用环境下具有显著的优势.本文从实验和计算模拟两方面综述了目前关于NEAS能量吸收耗散行为的最新研究进展,其中实验研究主要包括准静态压缩和动态压缩测试,计算模拟研究主要是采用基于经验势的分子动力学模拟方法.通过准静态压缩实验,可以测量NEAS模型的载荷-位移关系曲线,从而获得NEAS模型的临界渗透压强,了解卸载后系统是否能够恢复到加载前的状态(即是否可以重复使用),并通过载荷-位移关系曲线下面积估算NEAS模型的吸能密度;通过动态压缩实验可以测量NEAS模型对脉冲载荷的缓冲保护作用,主要体现为降低脉冲载荷幅值和扩展脉冲宽度.计算模型研究可以明确给出NEAS对外载荷的微观响应,从而可以准确了解NEAS的能量吸收耗散机制以及吸能密度的主要影响因素.本研究可以帮助我们全面了解NEAS的研究进展,为NEAS的设计与优化提供重要指导.

纳米流冷却液以射流方式对高温换热面冷却的实验研究

高温换热面是热负荷较高区域之一,提高换热面换热系数是解决高温换热面散热问题的关键。采用多金属纳米流冷却液作为冷却工质,研究利用射流技术提高高温换热面换热系数的方法。实验研究表明,在相同射流参数下,不同份额的多金属纳米流冷却液相比较传统的冷却液而言,均可有效提高传热效果,同份额占比的多金属纳米流冷却液在不同的射流角度和射流距离下,其传热性能也收到一定的影响。

基于纳米流体的微通道热沉数值分析

本文对两种不同的纳米流体作用于微通道热沉的换热性能进行了数值分析,计算结果表明,Al2O_3-H_2O相比较于TiO_2-H_2O对热源是散热效果更好,并且当两者的浓度均有所增加时,微通道热沉出入口的压损也会随之增加。

光子纳米喷流的性能及应用

光子纳米喷流是光照射直径与波长相当或略大于波长的无损电介质微颗粒时,会在微颗粒后表面一定距离处形成高强度、紧聚焦光束。光子纳米喷流具有大于照射光的强度、最小的半高宽值能够小于衍射极限的光束宽度、传播超出倏势场区域和较强的背向散射等优异特性,在光信号增强、微纳加工与制造、超分辨光学成像、超灵敏捕获和探测等领域具有重要应用。该文首先介绍了光子纳米喷流的源头和发现;其次,对光子纳米喷流的模型、理论、形貌特征、实验测量和主要特性进行了阐述;再次,调研和讨论了光子纳米喷流的几个重要应用;最后,对光子纳米喷流进行了总结和展望。