氧化还原石墨烯基微流体发电机感应电势影响因素的研究

采用不同浓度的分散液制备了氧化还原石墨烯基微流体发电机,测得了不同NaCl溶液流体流速时的感应电势.根据Nernst-Planck方程建立了工作电极表面扩散层内Na^(+)离子浓度与感应电势之间的量化关系.基于不同流体流速时所测得的感应电势值,分析了流体流速-Na^(+)离子物质输运及其吸附浓度-微流体发电机感应电势之间的影响关系.引入表面纹理纵横比(Str)和最大高度(Sz)等特征参数量化表征了氧化还原石墨烯薄膜的表面形貌,研究了分散液浓度-氧化还原石墨烯表面形貌-工作电极表面Na^(+)离子吸附量-微流体发电机感应电势之间的内在规律.当NaCl溶液流体流速为50μL/min、氧化还原石墨烯浓度为1 mg/mL时,微流体发电机感应电势可达−343 mV.研究结果不但有助于碳基微流体能量收集器工艺参数的优化及性能改进,还有利于与微流道相关的光降解器、离子敏传感器和电化学葡萄糖传感器等器件性能的提升.

T型受限微通道内液滴生成特性数值模拟

为给控制液滴均匀高频的生成提供参考,针对受限微通道内液滴的生成,考虑流体物性和流动条件的影响,进行了T型受限微通道内液滴生成特性的数值模拟研究。利用COMSOL软件建立了液滴生成过程仿真模型,采用相场法探究了毛细数、两相流量比、黏度比以及壁面润湿性对液滴生成的影响。研究结果表明:当连续相黏度为0.01 Pa·s,分散相速度和黏度分别为0.005 m/s和0.001 Pa·s,连续相毛细数从0.001 5增大到0.007 5时,无量纲液滴长度从2.8幂指数减小到1.5,无量纲液柱长度从2.6线性增大到7.6,液滴生成频率从每秒30个幂指数增大到52个;当连续相黏度为0.01 Pa·s,分散相黏度为0.001 Pa·s,流量比从0.1增大到0.9时,无量纲液滴长度从1.05线性增大到2.55,无量纲液柱长度从6.49幂指数减小到2.51,液滴生成频率从每秒170个幂指数减小到65个;当连续相速度为0.01 m/s,分散相速度为0.005 m/s,黏度比从0.025增大到0.5时,无量纲液滴长度从1.72函数式增大到2.1,无量纲液柱长度从3.11函数式增大到3.9,液滴生成频率从每秒31个函数式减小到24个;壁面润湿性会影响液滴的形态,但并无明显的函数关系;流体物性和流动条件对液滴的生成具有显著影响。

液体弹珠碰撞固着液滴的影响因素及动力学分析

液体弹珠具有不润湿/不黏附,以及与外界进行选择性物质交换等特性,可以作为微量液滴承载体,广泛运用于微流控、化学/生物微反应器等新兴领域.碰撞可作为弹珠进行物质传递的一种操控方法,区别于液滴-液滴或弹珠-弹珠的碰撞,弹珠与液滴的碰撞行为更为丰富与复杂,对其的研究可为以弹珠为媒介的物质的有效传递奠定理论基础.本文利用高速摄像机拍摄技术,捕捉了液体弹珠与固着液滴碰撞过程,探究了不同奥内佐格数(Oh)以及壁面亲/疏水性(接触角:q为35.4°-124.5°)下弹珠与液滴之间的碰撞过程.结果表明:在亲水壁面时,以翻越的形式与液滴结束碰撞;当改用疏水壁面后,以回弹行为取代翻越;当壁面疏水性提高接触角达到q=124.5°时,有效碰撞面积增大,碰撞后在界面产生的波动使弹珠表面的颗粒迁移,出现裸露区域,形成液桥后快速完成聚结-合并(聚并).弹珠与固着液滴碰撞后,会出现三种运动行为即翻越、回弹以及聚并.

磁液液滴颈部自相似破裂行为

对液滴生成过程的控制可用于提高混合、萃取以及乳化等化学过程的效率。研究了液-液系统中毛细管处磁液液滴的磁操控生成,以不同黏度的二甲基硅油作为连续相,体积分数为3.6%的铁磁流体作为分散相,针对磁液液滴颈部的形成和破裂行为进行了深入探讨。划分了液滴生成的不同阶段并分析了受力过程:θ>90°,初始阶段,界面张力占主导;θ<90°,缩颈阶段,磁力和黏性阻力占主导。以界面张力对磁力、黏性阻力以及惯性力进行无量纲化,系统研究了磁液液滴极限长度、最小颈部直径减薄速率及其相对颈部位置在不同磁Bond数、Weber数和Ohnesorge数下的变化。结果表明,液滴极限长度与磁力成反比,与黏性阻力成正比,不受惯性力(0.19≤We≤1.34)的影响。最小颈部直径减薄的速率随黏性阻力增大而降低,但不会受磁力和惯性力的影响,在不同磁Bond数和Weber数下呈现出自相似破裂行为。

塔式太阳能集热器HTF温度均化特性研究及评价

以太阳能发电站中集热器中的传热介质(HTF)为研究对象,并对其进行量化评价。采用数值模拟的方法研究3种介质在集热器内的流动和传热特性,流体介质假定为各向同性的均匀介质,液相处于局部热平衡状态,对集热管的轴向切平面和周向截面的温度分布进行分析和定量评价。结果表明,液态钠作为塔式太阳能集热管的传热介质时管壁及管内的温度分布更均匀,在流动和传热方面有比S-S或HITEC更适合作为传热介质的潜力。

低浓度表面活性剂对蒸发固着液滴颗粒沉积形态影响的实验研究

调节液滴蒸发后的沉积形态存在许多应用与潜在价值。以聚苯乙烯颗粒配置悬浮液,加入表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS),进行液滴蒸发的观察与分析,探究浓度为0wt%~1wt%的SDS对聚苯乙烯颗粒悬浮液液滴蒸发的过程及蒸发后沉积形态的影响。结果表明,实验的浓度范围内,随SDS浓度增加,液滴接触角非线性减小;加入SDS后,受表面张力梯度的驱动,液滴会自发向外铺展,最大铺展系数与SDS浓度呈正相关。液滴铺展过程较短,大约只占液滴整个蒸发过程的1/5~1/3。采用灰度共生矩阵分析加入SDS后对咖啡环内部的沉积形态的影响可知,SDS不仅能调节液滴沉积的环宽,还会减少沉积中间部分颗粒的聚集,沉积纹理更均匀(SDS浓度为0wt%与0.1wt%时两种沉积形态对比最明显);SDS浓度的增加会使液滴内Marangoni流动更加剧烈,沉积的环宽随SDS浓度增加而变宽,当SDS的浓度高于0.75wt%后,环状沉积不再明显,颗粒大部分均匀分布在整个沉积区域,形成盘状沉积,说明SDS对环形沉积的环宽调节存在上限;比较直径为5.7和10μm颗粒沉积的环宽随SDS浓度变化以及与咖啡环沉积面积占比的最大值(直径为5.7μm时约为58.6%,直径为10μm时约为44.6%)可知,SDS对不同直径的颗粒的沉积形态的影响存在差异。