射频等离子体改性PTFE表面液滴撞击接触起电对润湿性的影响

液滴撞击固体表面是自然界的常见现象,研究超疏水表面的液滴撞击对其润湿性的影响,对于超疏水性材料的潜在应用具有重要的科学意义。采用3、10、20 min氧等离子体处理(OPT)和1 min八氟环丁烷等离子体聚合沉积(PPD)的等离子体方法改性聚四氟乙烯(PTFE)表面,获得具有不同尺寸和间距的微/纳米锥的超疏水PTFE表面,研究射频等离子体改性PTFE表面的液滴静态接触角、滚动角及液滴撞击动力学行为,分析在不同个数液滴撞击后PTFE表面的润湿性和液滴撞击行为变化,确定PTFE表面液滴撞击起电效应的影响机制。结果表明:通过1~9个液滴撞击后,PTFE表面的静态接触角随撞击液滴数量增加而减小,导致静态接触角低于150°;液滴滚动角随撞击液滴数量增加而增大,造成液滴滚动角高于10°。撞击液滴的接触时间随撞击液滴数量增加而增大,回弹系数随撞击液滴数量增加而减小。随撞击液滴数量增加,回弹液滴的正电荷和PTFE表面的负电压增大,PTFE表面的负电荷对液滴产生强吸引作用,导致低粘附超疏水性被破坏。3 min OPT和1 min PPD改性PTFE表面的纳米锥间距小,密度大,表面负电荷量增加明显,造成PTFE表面的疏水性降低的程度最显著。研究结果可为改善超疏水稳定性的表面织构设计提供理论依据。

摩擦起电效应强化及盐湖潜在应用研究进展

盐湖资源开发利用过程的智能控制对于智慧盐湖、世界级盐湖基地的的建设具有重要意义。利用集成的摩擦纳米发电机网络阵列,不仅可以对野外盐湖区的机械能采集实现金属管道的自供电腐蚀防护,还可实现基于自供能传感器的水流流速检测、水位监测、盐溶液快速现场检测、溶液的pH检测等。因此,基于摩擦起电效应的自供电传感网络是实现盐湖化工过程智能控制的潜在解决方案。为了促进摩擦纳米发电机的应用,提高摩擦纳米发电机的输出功率一直是科研人员关注的热点。文章在概述了通过表面改性对材料摩擦起电效应强化的研究进展后,进一步分析了改性后的摩擦纳米发电机输出性能提升的原因。主要介绍了物理表面改性和化学表面改性方法。对改性过程中常见的处理操作方法进行了阐述。对物理改性和化学改性的优势和不足进行了总结。分析指出,新的摩擦材料的选择与设计、材料的表面改性仍会是未来一段时间内的研究热点,而性能优异的摩擦纳米发电机可以为盐湖产业的可持续发展提供一种新的方案。

新型维氏起电机的研制与分析

维氏起电机使用过程中,必须顺时针摇动手柄才能使得放电杆之间产生火花放电现象,逆时针摇动手柄不能放电.针对该问题对实验仪器进行了改进,以达到顺时针或逆时针摇动手柄后都能起电的目的,并剖析了维氏起电机的起电机理,对相关问题作了深入的分析和研究.

飞行器静电起电与放电模型及仿真分析

飞行器在空中运动时会因多种起电机理在机体上累积大量的静电荷,对飞行安全带来多方面的威胁。为研究飞行器静电带电量的变化规律及其影响因素,分析了飞行器静电起电的主要机理,建立了飞行器穿云的摩擦起电理论模型,并在明确飞行器静电放电主要形式和放电阈值影响因素的基础上,重点研究了飞行器带电量随时间变化的理论模型,得到了带电量的解析解,获得了飞行器最大带电量和最大电压的表达式,通过数值建模与仿真分析研究了各因素对飞行器带电量和电位的影响。研究结果表明,飞行器带电量随时间快速增加直至达到最大值;典型情况下可在0.5 s内带电量增大至近17μC,电压可达8.5 kV;飞行器最高带电量与飞行器电容成正比,通过增加放电针数目、优化放电针设计、减小起电电流和增大电晕放电因子可以显著减小飞行器最大带电量。

汽油静电起电影响因素分析及防护

为了预防汽油灌装、运输、存储过程因静电放电诱发燃爆事故,从静电的产生机理及油品静电放电的危险性出发,通过试验研究了影响汽油静电起电的各种因素,包括电导率、水杂质、滤芯、输油管道材质、接地等。试验数据表明,低电导率、一定比例的水杂质、微小孔径的滤芯、非金属管道、金属容器不接地等因素会导致汽油输送过程中产生较多的静电,特别是进一步明确了水杂质对汽油静电起电的影响规律。最后,提出预防汽油静电火灾事故的措施,即提高汽油的电导率至250 pS/m以上;避免汽油中出现水等不相溶杂质;合理选用滤芯的规格,在满足需求的条件下使用较大孔径的滤芯;选用防静电的非金属管道;存储汽油的金属容器应具有良好的静电接地。

开尔文滴水起电机的简易装置与实验研究

介绍了一种利用简易材料制作的开尔文滴水起电装置,并根据多次对比实验的观察结果,讨论了影响其起电效果的各种因素及改进办法.

多环开尔文滴水起电装置的设计

为提高传统开尔文滴水起电装置的起电速率,通过增加导电环的个数,使单边导电环由单环变为2环、4环、9环,制成多环开尔文滴水起电装置,实验结果表明,改进后的多环开尔文滴水起电装置起电速率有较为明显的提高.

不同非感应起电及感应起电参数化方案对青海东部一次雷暴云电荷结构影响的数值模拟研究

本研究利用加入起电、放电参数化方案的数值模式(Weather Research and Forecasting Model(Version 3.7.1),WRF3.7.1_ELEC),通过设计五组不同非感应起电及感应起电参数化方案敏感性试验,对发生在青藏高原东北部青海大通地区的一次雷暴过程进行模拟研究,对比分析了不同非感应起电机制及感应起电机制对雷暴云电荷结构的影响.结果表明:在雷暴云发展旺盛阶段,Saunders(S91)、Riming Rate(RR)、和Saunders和Peck(SP98)三种非感应起电方案模拟的雷暴云最低层均为负电荷区,而混合方案(Brooks and SP98,BSP)模拟的雷暴云最低层为正电荷区,主电荷区自下而上为“+-+-”排列的四层电荷结构.与甚高频辐射源定位法推算的结果对比,BSP方案模拟的本次高原雷暴云电荷结构更接近实际情况;几种不同非感应起电方案模拟的主电荷区外围与主电荷区电荷结构不同,说明在雷暴发展的不同阶段雷暴云的电荷结构是不同的;几种非感应起电方案模拟的电荷结构不尽相同,主要是由于霰、冰和雪粒子在不同高度所带电荷的极性及电量的大小不同,霰粒子的电荷密度对低层的影响较大,冰粒子和雪粒子的电荷密度对中上层的影响较大;加入感应起电机制后,雷暴云电荷结构分布几乎没有变化,但能使雷暴云发展旺盛阶段低层和中层的正负电荷区电荷密度有所加强.

开尔文滴水起电机优化研究

开尔文滴水起电机具有丰富的物理思想而倍受物理工作者的关注.由于开尔文起电机起电效果影响因素诸多,其中湿度的影响尤为显著.如何在湿度较高环境下,提高开尔文滴水起电机的起电性能成为当前的研究热点.本文对开尔文滴水起电机的制作材料、水滴流速、感应环匝数、滴嘴到感应环距离和滴落距离等方面进行优化.改良后的开尔文滴水起电机的起电时间大幅度缩短,且在空气相对湿度达85%的环境中,起电现象也非常明显.

雷暴非感应起电机制的模拟研究Ⅰ．云内因子影响

利用一个二维时变积云动力－电数值模式模拟了非感应起电过程，讨论了流场、降水以及冰晶谱分布对起电的影响。结果指出：只有在强上升气流穿过－２０℃高度层时才会产生强起电，且发生在达到最大上升速度后出现降落的时段。随着电荷浓度的增加，主负电荷区中心高度也随之降落并稳定在一个高度上。冰晶谱分布能够改变冰相粒子的垂直结构，从而也就改变了起电率和电荷的时空分布。模拟试验中还得到了持续时间较短的云下部次正电荷区，并讨论了与流场的关系，指出在上升气流初始降落时段若能继续维持相对较强的上升气流，则可增长次正电荷区的持续时间。

雷暴非感应起电机制的模拟研究Ⅱ．环境因子影响

利用观测资料和模式计算，讨论了雷暴电活动和环境参量之间的关系。结果指出，地面温湿条件、层结热力不稳定因子、对流有效位能（ＣＡＰＥ）等都不能单一地反映雷暴电活动的强弱。模拟计算指出，云顶高度穿越－２０℃温度层时才会产生较强的电活动。云底、－１０℃和－２０℃层附近空气的热动特性能很好地表征雷暴电活动的强度，且存在一个最佳动能阈值，分别为０．８—０．９，６０．０—８０．０，２０．０Ｊ／ｋｇ。这３个参量和电荷浓度之间有很好的正相关，但存在上限阈值。另外。

气溶胶对雷暴云起电以及闪电发生率影响的数值模拟

本文利用二维耦合气溶胶模块的雷暴云起电模式，结合一次南京雷暴个例，进行250 m分辨率雷暴云起电模拟实验，探讨了气溶胶浓度对雷暴云空间电荷分布以及闪电发生率的影响。在这个气溶胶模块中，假定一个三模态的气溶胶对数分布，考虑了气溶胶活化过程。结果显示：（1）随着气溶胶浓度增大，雷暴云电荷结构保持为三极型。（2）当气溶胶浓度从50 cm^-3增加至1000 cm^-3时，水成物粒子浓度上升，雷暴云电荷量和闪电发生率增加明显。（3）气溶胶浓度在1000～3000 cm^-3范围时，云水竞争限制了冰晶的增长，导致雷暴云上部主正电荷堆电荷量降低。云滴和霰粒子浓度缓慢上升促进中部主负电荷堆和底部次正电荷堆电荷量继续增大。闪电发生率保持稳定。（4）当气溶胶浓度大于3000 cm^-3时，水成物粒子浓度稳定，云内的电荷量以及闪电发生率保持为一定量级。

雷暴起电和放电物理过程在WRF模式中的耦合及初步检验

本文将雷暴云的起电、放电物理过程引入中尺度的WRF(Weather Research and Forecasting)模式,并对超级单体和飑线过程进行了模拟研究。起电过程在Milbrandt双参数微物理方案中写入,包含霰、雹与冰晶、雪之间的非感应起电机制,以及霰、雹与云滴之间的感应起电机制。放电参数化方案只考虑了闪电的整体效应。对一次超级单体的模拟结果表明,电荷结构呈现正、负、正的三极性结构,主正电荷区在-40℃到-60℃之间,主负电荷区在-10℃到-30℃之间,下部正电荷区在零度层附近,总电荷浓度最大值接近2nC/m3。这种电荷结构的垂直分布同以往在强对流天气系统中观测到的典型电荷结构一致。对飑线过程的模拟结果表明,部分单体电荷结构呈现出反的偶极性且飑线中最大电荷浓度小于超级单体。在飑线成熟阶段,模拟得到的闪电分布与观测的地闪活动在分布型上相似。

雷暴云首次放电前两种非感应起电参数化方案的比较

在三维强风暴动力-电耦合数值模式中分别引入两种基于不同实验室结果的非感应起电参数化方案S91和SP98,对比分析了一次雷暴单体首次放电前,利用两种方案模拟得到的非感应电荷转移区域、极性、量级和电荷结构的演变特征,及其与有效液态水、温度、粒子分布和对流之间的关系。结果表明,S91中,起电区域逐渐由高温、高有效液水区向低温、低有效液水区转移。电荷转移量快速增加,且由以正极性为主过渡为以负极性为主。电荷结构由偶极性转变到三极性。SP98中,淞附增长率的大值区范围较大,霰以携带正电荷占绝对优势,易形成反极性的电荷结构,但有进一步转变为三极性的趋势。两种方案的共同点表现为:电荷层较高,位于对流区上部及雷暴移动方向前侧出流区;正电荷转移多发生在高有效液态水(或淞附增长率)和高温区,负电荷转移都发生在低有效液态水(或淞附增长率)和低温区;转移电荷的正中心均位于霰的累积区中心,负中心易出现在冰晶和霰共存区的中心。

风沙起电的风洞实验研究

利用大型风沙物理风洞实验装置 ,模拟铺沙地面在不同风速条件下对不同粒径的沙样和混合沙的起电电场、电位和荷质比作实验测量。结果表明 :存在风沙起电效应。风洞内电场多为负极性 ,最大电场达到 - 2 9kV·m- 1 ,导线电位可达 12 0mV。沙粒越细 ,起电越强 。

蒙皮材料静电起电理论分析及实验验证

飞行器在飞行过程中会因与空间粒子的摩擦等原因在其表面积累大量静电。为了减小静电积累对飞行器及机载设备的影响,对飞行器蒙皮材料与空间粒子的摩擦起电特性进行了研究。首先以固体接触分离起电为基础,推导出了摩擦起电电位的计算公式。计算结果表明:材料静电电位随时间以负指数规律增加并逐步趋近饱和值,该饱和值与材料的性质有关,并与摩擦速度的1.8次幂和接触面积成正比。为验证计算结果,以某飞行器的蒙皮材料为研究对象进行了摩擦起电实验。在连续测试的实验中发现:材料起电电位的饱和值会逐渐降低;不同材料和不同摩擦速度时静电电位饱和值的变化情况证实了计算得到的金属材料摩擦起电电位与材料摩擦系数和接触面积的对应关系。

长春地区对流云起电过程的数值模拟

在三维强风暴动力和电耦合数值模式的基础上,考虑了粒子直径及降落末速差对转移电荷的影响,把非感应起电参数化方案作了进一步改进,对长春地区两次不同强度、不同环境风切变的对流云内电荷累积和电场发展过程进行了模拟分析。结果表明,对流云上升气流达到极大值时,较强和较弱两块云分别具有三极性和反偶极性电荷分布结构。垂直上升气流是表明电场发展强弱的重要参量。对发展强烈的对流云,较强的上升气流使霰和冰晶在云体的中上部维持较长的时间,存在感应和非感应起电的跃增。

耦合气溶胶模块的雷暴云起电模式

利用耦合气溶胶模块的雷暴云起电新模式,结合SEET个例,对比分析了耦合气溶胶模块前后云内各水成物最大比含水量和空间电荷结构的时间演变,并初步探讨了气溶胶浓度和谱分布对雷暴云电荷总量的影响。结果表明,在250m分辨率下,耦合气溶胶模块后对雷暴云中的动力和微物理过程仍具有较好的模拟能力。当气溶胶浓度增大时,雷暴云内电荷总量也随之增大,其中大核粒子对雷暴云电荷量的生成有相当大的贡献。

某飞行器表面硅基热防护材料静电起电和泄漏特性及其影响因素

为研究飞行器表面硅基热防护材料静电起电和泄漏特性,进行了不同微粒摩擦下的材料起电实验及不同质量烧蚀率、不同温度下的材料表面电阻率实验。结果表明:材料与沙砾摩擦后均带正电,与冰晶摩擦后均带负电,无烧蚀硅基材料起电量明显高于烧蚀后的;随着质量烧蚀率的增加,由于碳化层裸露面积比例增大,材料表面电阻率逐渐降低;当温度<460℃时,随温度的上升,电子和离子的热运动加剧,材料表面电阻率逐渐降低;当温度>460℃时,树脂发生热解,释放气体留下固体碳层,材料表面电阻率出现急剧下降;烧蚀后的(质量烧蚀率≥1.95 g/s)和高温(≥460℃)硅基材料的表面电阻率均达到了静电导体的标准,具有良好的静电泄漏特性。

粉体静电起电的试验研究

采用静电电荷仪和法拉第筒 ,测定了两种导电性能完全不同的粉体在机械振动筛中静电起电量的参数。结果表明 :无论是导电的金属粉体还是非导电的粮食粉体所产生的静电均已超出《静电安全导则》