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兩相作用中的流動分離與顆粒分離/博士后文庫 版權信息
- ISBN：9787030680129
- 條形碼：9787030680129 ; 978-7-03-068012-9
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
兩相作用中的流動分離與顆粒分離/博士后文庫 內容簡介
本書對兩相作用中的流動分離與顆粒分離進行了重點論述，內容包括卡門渦街的形狀穩定性的分析，實際渦的特征和尾跡演化過程的定量描述；微通道內紅細胞慣性聚集位置的確定；兩相流特定粘性模型和運動方程的改進；熱泳相關力的表達和特殊傳熱過程探討；光泳升力的提出和驗證；球形納米顆粒的光學吸收性能模擬。本書適用于流體力學、應用光學和工程熱物理等相關專業研究生和高年級本科生閱讀，也可供部分從事醫療檢測的科技人員與工程技術人員進行參考。
兩相作用中的流動分離與顆粒分離/博士后文庫 目錄
目錄
《博士后文庫》序言
序
前言
第 1章緒論 1
1.1 研究概述 1
1.2 流固相互作用 2
1.2.1 外流的圓柱繞流過程 2
1.2.2 內流的慣性聚集效應 4
1.3 熱泳和光泳對顆粒的分離作用 8
1.3.1 熱泳驅動顆粒 8
1.3.2 光泳操控顆粒 9
1.3.3 顆粒的光熱轉化 10
參考文獻 12
第 2章圓柱繞流分離和尾跡渦街的分析 19
2.1 卡門渦街的形狀穩定性 19
2.1.1 基于勢流解的理論分析 20
2.1.2 渦街穩定性無量綱參數的估計 24
2.1.3 實驗和數值驗證 25
2.2 渦街中渦的特征分析 26
2.2.1 渦量等值線的幾個主要特征 27
2.2.2 渦街中單個渦的三參數描述 31
2.2.3 描述渦的三參數的相關物理量 36
2.3 尾跡流態和演化過程 38
2.3.1 尾跡中的壓力分布和速度變化 38
2.3.2 染色線的形態和渦識別方法 41
2.3.3 近尾跡渦的演化過程 44
2.4 本章小結 49
參考文獻 50
第 3章微通道分離紅細胞的慣性聚集位置 53
3.1 慣性聚集的主要影響因素及應用 54
3.1.1 管道的影響 54
3.1.2 顆粒自身特性的影響 56
3.1.3 在分離紅細胞中的應用 59
3.2 紅細胞形狀描述 60
3.2.1 紅細胞概述 60
3.2.2 圓弧連接 61
3.2.3 卡西尼卵形線 62
3.3 紅細胞的慣性聚集位置 63
3.3.1 等效半徑的確定 63
3.3.2 聚集位置的確定 64
3.3.3 對比前人實驗驗證 64
3.4 紅細胞的慣性聚集實驗 65
3.4.1 實驗準備 65
3.4.2 實驗結果 66
3.5 本章小結 68
參考文獻 68
第 4章兩相流黏性模型和運動方程的改進 70
4.1 碳納米管納米流體的流變特性 70
4.1.1 兩相流黏性模型 70
4.1.2 碳納米管納米流體的相對黏性 71
4.1.3 模型對比驗證 73
4.2 改進的一種不可壓縮流體運動模型方程 75
4.2.1 流體運動方程 75
4.2.2 速度相關的附加作用力 75
4.2.3 各附加力的分析對比 77
4.3 本章小結 79
參考文獻 79
第 5章熱泳分離的相關力及傳熱的特別過程 82
5.1 作用在粒子上的熱泳沖力 82
5.1.1 熱泳運動的影響因素 82
5.1.2 熱泳沖力的表達和分析 83
5.1.3 熱泳沖力的理解 85
5.2 傳熱新方式的探討 85
5.2.1 經典傳熱方式 86
5.2.2 熱激發 87
5.2.3 熱聚集 89
5.3 聲子渦流 89
5.3.1 熱量傳遞與流體運動 89
5.3.2 聲子流體力學方程 91
5.3.3 聲子渦流現象 93
5.4 本章小結 95
參考文獻 95
第 6章顆粒分離受到的光泳升力 100
6.1 光泳力的理論和實驗分析 100
6.2 顆粒的光泳特性 103
6.2.1 顆粒類型的影響 104
6.2.2 光照強度的影響 105
6.2.3 環境壓力的影響 106
6.3 第Ⅰ類光泳升力 108
6.3.1 概念的提出 108
6.3.2 定性分析 109
6.3.3 定量表達 110
6.3.4 對比驗證 112
6.4 第Ⅱ類光泳升力 113
6.4.1 概念的提出 113
6.4.2 定性分析 114
6.4.3 定量表達 116
6.4.4 定性驗證 117
6.5 本章小結 119
參考文獻 119
第 7章球形納米顆粒的光學吸收性能 122
7.1 仿真系統及計算理論 122
7.1.1 FDTD Solutions軟件簡介 122
7.1.2 仿真系統 123
7.1.3 光學性能計算 123
7.2 典型黑色顆粒的吸收性能分析 125
7.2.1 材料的折射率參數 125
7.2.2 吸收和散射光譜分析 126
7.2.3 光吸收和光散射功率分析 131
7.3 氧化鋁和硅類納米顆粒光學性能分析 134
7.3.1 材料的折射率參數 134
7.3.2 碳化硅和氮化硅光吸收性能分析 135
7.3.3 氧化鋁和二氧化硅光學性能分析 137
7.3.4 吸收比和體平均吸收功率分析 139
7.4 本章小結 140
參考文獻 141
編后記 143
《博士后文庫》序言
序
前言
第 1章緒論 1
1.1 研究概述 1
1.2 流固相互作用 2
1.2.1 外流的圓柱繞流過程 2
1.2.2 內流的慣性聚集效應 4
1.3 熱泳和光泳對顆粒的分離作用 8
1.3.1 熱泳驅動顆粒 8
1.3.2 光泳操控顆粒 9
1.3.3 顆粒的光熱轉化 10
參考文獻 12
第 2章圓柱繞流分離和尾跡渦街的分析 19
2.1 卡門渦街的形狀穩定性 19
2.1.1 基于勢流解的理論分析 20
2.1.2 渦街穩定性無量綱參數的估計 24
2.1.3 實驗和數值驗證 25
2.2 渦街中渦的特征分析 26
2.2.1 渦量等值線的幾個主要特征 27
2.2.2 渦街中單個渦的三參數描述 31
2.2.3 描述渦的三參數的相關物理量 36
2.3 尾跡流態和演化過程 38
2.3.1 尾跡中的壓力分布和速度變化 38
2.3.2 染色線的形態和渦識別方法 41
2.3.3 近尾跡渦的演化過程 44
2.4 本章小結 49
參考文獻 50
第 3章微通道分離紅細胞的慣性聚集位置 53
3.1 慣性聚集的主要影響因素及應用 54
3.1.1 管道的影響 54
3.1.2 顆粒自身特性的影響 56
3.1.3 在分離紅細胞中的應用 59
3.2 紅細胞形狀描述 60
3.2.1 紅細胞概述 60
3.2.2 圓弧連接 61
3.2.3 卡西尼卵形線 62
3.3 紅細胞的慣性聚集位置 63
3.3.1 等效半徑的確定 63
3.3.2 聚集位置的確定 64
3.3.3 對比前人實驗驗證 64
3.4 紅細胞的慣性聚集實驗 65
3.4.1 實驗準備 65
3.4.2 實驗結果 66
3.5 本章小結 68
參考文獻 68
第 4章兩相流黏性模型和運動方程的改進 70
4.1 碳納米管納米流體的流變特性 70
4.1.1 兩相流黏性模型 70
4.1.2 碳納米管納米流體的相對黏性 71
4.1.3 模型對比驗證 73
4.2 改進的一種不可壓縮流體運動模型方程 75
4.2.1 流體運動方程 75
4.2.2 速度相關的附加作用力 75
4.2.3 各附加力的分析對比 77
4.3 本章小結 79
參考文獻 79
第 5章熱泳分離的相關力及傳熱的特別過程 82
5.1 作用在粒子上的熱泳沖力 82
5.1.1 熱泳運動的影響因素 82
5.1.2 熱泳沖力的表達和分析 83
5.1.3 熱泳沖力的理解 85
5.2 傳熱新方式的探討 85
5.2.1 經典傳熱方式 86
5.2.2 熱激發 87
5.2.3 熱聚集 89
5.3 聲子渦流 89
5.3.1 熱量傳遞與流體運動 89
5.3.2 聲子流體力學方程 91
5.3.3 聲子渦流現象 93
5.4 本章小結 95
參考文獻 95
第 6章顆粒分離受到的光泳升力 100
6.1 光泳力的理論和實驗分析 100
6.2 顆粒的光泳特性 103
6.2.1 顆粒類型的影響 104
6.2.2 光照強度的影響 105
6.2.3 環境壓力的影響 106
6.3 第Ⅰ類光泳升力 108
6.3.1 概念的提出 108
6.3.2 定性分析 109
6.3.3 定量表達 110
6.3.4 對比驗證 112
6.4 第Ⅱ類光泳升力 113
6.4.1 概念的提出 113
6.4.2 定性分析 114
6.4.3 定量表達 116
6.4.4 定性驗證 117
6.5 本章小結 119
參考文獻 119
第 7章球形納米顆粒的光學吸收性能 122
7.1 仿真系統及計算理論 122
7.1.1 FDTD Solutions軟件簡介 122
7.1.2 仿真系統 123
7.1.3 光學性能計算 123
7.2 典型黑色顆粒的吸收性能分析 125
7.2.1 材料的折射率參數 125
7.2.2 吸收和散射光譜分析 126
7.2.3 光吸收和光散射功率分析 131
7.3 氧化鋁和硅類納米顆粒光學性能分析 134
7.3.1 材料的折射率參數 134
7.3.2 碳化硅和氮化硅光吸收性能分析 135
7.3.3 氧化鋁和二氧化硅光學性能分析 137
7.3.4 吸收比和體平均吸收功率分析 139
7.4 本章小結 140
參考文獻 141
編后記 143
展開全部
兩相作用中的流動分離與顆粒分離/博士后文庫 節選
第1章緒論 1.1 研究概述 流體與固體，包括顆粒、細胞之間的作用，是經典的學術問題。這些過程除了有理論研究意義，還有重要的工程實用價值。黏性與慣性的相對影響，在其中起著重要的作用。比如，黏性流體存在逆壓梯度時，會造成流動分離；低雷諾數（Re）流動中的細胞篩選，卻是運用了出現的慣性聚集效應；熱泳和光泳驅動顆粒分離也是黏性影響的過程。 關于流體對圓柱體的作用，研究者注意到尾流狀態隨雷諾數變化，發現了從對稱渦到周期性的渦脫落，上下兩側邊界層的轉捩等一系列轉變過程。通過實驗分析了來流湍流度、長細比等幾種重要因素的影響。理論探討了尾流中渦街的形成機理和穩定性問題，通過渦識別方法分析了它們的演化特征。運用模擬幫助理解剪切層和近尾跡轉捩的內在機理，也便于精細地定量化分析，找出關鍵因素。 當流體作用對象為小球體或其他顆粒，并且流體速度較低時，比如有界的圓管內流入口，顆粒為自由分散狀態。隨著流動向下游發展，可以觀察到圓管中的顆粒聚集到一個圓環面上，這種有趣的現象吸引了許多學者對其展開實驗研究和理論探索。由于之前工業關注的管道內流多為湍流，該現象早期并未被實際應用所重視。近些年，由于微流控技術以及生物流體的不斷發展，即涉及的整體尺寸較小時，它的應用開發價值逐漸顯現出來，并發揮著越來越重要的作用，比如對循環腫瘤細胞進行高通量篩選等。為了利用該現象進行顆粒或細胞的分離，開發者探究了管道結構、顆粒形狀等重要因素的影響，采用了效果更好的流道，比如用螺旋狀的管來分離紅細胞等。紅細胞的濃度和速度剪切率會影響血液的流變特性。類似地，在基礎流體中添加納米顆粒，比如纖維柱狀碳納米管之后的納米流體也會表現出類似的流變特征。隨著剪切率的不斷增加，團聚的碳納米管會逐漸分離，分散的單個碳納米管容易沿著流動方向運動，這使得納米流體的有效黏性降低。分析這些特征的另一種重要方式，就是優化整體流動模型并進行模擬對照分析。 事實上，可以有多種方式對微納顆粒和生物細胞進行聚集、捕捉和分離。實際操控的動力機制各不相同，除了有完全依賴于流體運動的慣性聚集效應，還有的是基于熱泳或光泳等原理。運用溫度梯度操控顆粒的熱泳過程，在微流動分離技術和膠態晶體生長等領域有許多重要的應用。液體熱泳較氣體熱泳的作用更復雜，主要是由于液體、顆粒分子之間的耦合作用，雙電層的形成、相互影響以及周圍的溫度梯度轉化為熱泳力的機理尚待進一步明確。另一方面，實際流場中的溫度梯度一般具有空間非均勻和時間非定常的特征；诠庥驹戆l展起來的微操控技術 —光鑷技術，在物理、醫學以及相關空間科學領域有著重要的應用價值。光鑷技術可以方便而又精確地實現對顆粒運動的調控，比如可以將微納米級顆粒沿軸向驅動幾十厘米以上。影響顆粒光泳運動的一系列的可能因素，應包括光強的變化和顆粒自身的相對運動。另外，納米顆粒本身可以將光能轉化為熱能，轉換過程中顆粒的材料和尺寸影響很大，相應的一系列研究可用于提高太陽能集熱器的性能和優化光伏光熱綜合系統。 總體上，從發展過程來看，*初看似無用的一些基礎研究，后期大都有相關的應用前景。 1.2 流固相互作用 1.2.1 外流的圓柱繞流過程 繞圓柱的運動作為流體與固體相互作用的經典問題之一，繞圓柱等鈍體的流動過程中也存在復雜的流動現象和機理，目前仍是一些研究者的關注對象。 1912年，馮 卡門系統地研究了渦街的形成和穩定性問題，并確定了整體旋渦動量和尾跡阻力之間的關系，是圓柱繞流問題研究的開創性成果。經過一百多年的發展，研究者給出了各種實驗、理論和計算的結果 [1-5]，以及關于更廣泛的鈍體尾跡的研究成果[6-8]。 研究圓柱繞流問題，一方面要弄清楚流動中旋渦生成、演化、旋渦之間作用的規律，以及旋渦和其他因素之間相互影響的復雜非線性機理；另一方面要想辦法對旋渦主導的流動加以調控 [9]，以滿足特定的工程應用需求。一般地，前者對后者具有啟發和指導意義。 繞流的尾跡一般為非定常過程，其典型特征就是流動狀態與雷諾數密切相關。總體上講，隨著雷諾數的增加，流體呈現不同的尾跡狀態，回流區不穩定振蕩[10]，尾跡轉捩 [11]、剪切層轉捩 [12]和邊界層轉捩相繼發生 [13]。除雷諾數外，其他因素，如表面粗糙度、來流湍流度、阻塞比、端部效應、長細比等，都會對圓柱繞流狀態產生重要影響，因此不同實驗的實驗數據具有一定的離散性。 關于尾跡中渦街形成機理的研究，它本身也經歷了一個發展變化的過程。 Gerrard[14]認為是圓柱后面一側的剪切層失去穩定后卷成旋渦，它不斷地從與之相連接的剪切層獲取渦量并逐漸增大。當其強度足夠大時，就會把另一側的剪切層也吸引過來，由于符號相反的渦量，切斷了增長中的旋渦，使該側旋渦脫落并向下游移動。 Perry等[15]拍攝了由靜止起動的圓柱繞流，發現回流區內*初為對稱旋渦，當渦開始脫落時，會出現一個瞬時的通道橫穿回流區，流體經過通道進入圓柱底部另一側的尾跡中，使另一側的旋渦發生脫落，上下兩側的這一過程交替出現，從而形成渦街。從流線的拓撲結構來看，鞍點的形成具有重要的意義，它切斷了原有渦的渦量來源，而且標志著新的回流區的形成。 Coutancean等[16]對圓柱繞流的旋渦形成過程進行了細致的實驗研究。其主要觀點是，由分離誘導出的二次渦將主渦分成大小兩部分，二次渦具有振蕩的特性，它周期性地與主渦相互作用，形成渦脫落。對尾流中二次渦的進一步研究表明，它主要有兩種類型，分別發生在較低和較高的雷諾數下。利用等離子物理研究中絕對不穩定性等概念，可認為旋渦脫落和渦街的形成是流場對時間的總體不穩定性的響應[17]，而不是尾跡上游空間持續擾動作用的結果。當圓柱近尾跡流動出現整體不穩定性后，尾跡的動力學特性可以用描述弱非線性的 Stuart-Landau方程表述。 Roushan等[18]將渦街分解為一系列渦對，它決定了尾跡邊界的外部框架，并研究了這些渦對的擴散速度。他們認為渦對運動能量由源于自由流的橫向射流的沖擊提供，射流的強度決定了尾跡的漸進寬度和擴散速度，以此建立模型，得到渦系中所含動能的多少，解釋了二維圓柱層流尾跡的普遍形態。實際上，研究者各自的解釋，都從不同側面合理地分析了渦街的形成過程。 很多流動過程包括湍流中的物理過程都可以用旋渦動力學的概念來解釋。比如，剪切湍流被發現是由相干結構主導的，而旋渦動力學則控制相干結構的演化及相互作用。要識別出流動中較大尺度的旋渦結構，首先就要確定旋渦的定義。旋渦通常被視為由渦線組成的渦管，但事實上渦管與旋渦并不完全一致，比如管道層流中也存在渦管。旋渦也被視為繞公共中心旋轉的物質微粒集合。 關于較傳統的渦識別方式由 Jeong和 Hussain[19]以及 Chakraborty等[20]做了總結，Haller[21]和 Zhang等[22]分析了之后的一些識別方法，比如典型的渦識別準則包括局部*小壓力、封閉或螺旋的跡線或流線、渦量值較大區域等；谒俣忍荻鹊臏蕜t，比如用一點的速度梯度張量有復特征值來判定；要求該張量的第二不變量為正，且壓力較周圍低；旋轉、應變張量的平方和具有兩個以上負特征值等。 除了大量的實驗研究，關于圓柱繞流的模擬分析也相當豐富 [23-25]。數值計算中，控制方程通常采用速度和壓力的原始變量形式，也有采用渦量和流函數形式的。離散的方法包括有限元法（ FEM）[26]、有限體積法 [27]等。這些數值模擬 [28]除了能很好地估計一些隨時間變化的流動變量外（如平均和交變的作用力以及尾跡中的速度場），還有助于對流動機理的理解。事實上，由于雷諾數大于某一臨界值后，實驗中的流動會變成三維不穩定的，所以數值模擬還能比較二維和三維流動在較高雷諾數時的不同 [1]，使得區分影響尾跡向三維轉捩的內在和外在因素成為可能。 有限元法*初應用在彈性力學和結構分析中，由于其廣泛的適用性和便于采用計算機編程計算，很快在許多工程領域中得到了廣泛的應用。有限元法在流體力學中的應用較晚，首先用來解決位勢流問題 [29]，后來又發展了流線迎風有限元法[30]和 Taylor Galerkin有限元法 [31]等。 20世紀 90年代，有限元領域著名學者 Zienkiewicz等[32]在前人研究的基礎上發展了一種新的用于計算流動問題的有限元法—特征線分裂有限元算法（ CBS算法）。CBS算法是一種在經典 Galerkin法的基礎上結合了特征線法和分裂算法的計算流體力學方法。與以往通過引入經驗因子來修正權函數的方式不同，它直接由 Navier-Stokes運動控制方程推導出合理的平衡耗散項，并且在進行 Galerkin法空間離散時，可以對流體速度和壓強采用相同的插值函數。 經過二十幾年的時間，CBS算法不斷發展[33]，并應用于各種流體力學問題的求解[34]，比如非牛頓流、自由表面流、浮力驅動流、亞音速和超音速流動、淺水問題及表面波等，均獲得了比較理想的計算結果 [35]。第 2章選用基于 CBS算法的有限元法計算繞圓柱的流動過程。 1.2.2 內流的慣性聚集效應 同樣是低雷諾數的運動，相對于近似無界的外流，有界的內流，比如管內流體作用于顆粒時也會發生有趣的運動過程。 20世紀 60年代， Segre和 Silberberg[36]發現隨機散布顆粒的流體在以低雷諾數層流流入直管后，經過一段距離，這些顆粒會聚集在距離直管中心 0.6倍圓環半徑的同心圓上，這是*早觀察到的“慣性聚集”現象，如圖 1.1所示。它表明了顆粒受到主流驅動力和橫向升力的共同作用，橫向升力在管道截面呈現不均勻分布，并且存在達到平衡的零點，零點所處的位置就是顆粒聚集的位置，這種現象稱為管內的趨軸效應[37， 38]。 圖 1.1 Segre-Silberberg圓環 [37] 隨著對微流動研究的不斷發展，國內外不少學者開展了對慣性聚集現象的實驗研究，已經得出了圓形截面管道、方形截面管道、矩形截面管道中顆粒的聚集特性。 在圓管中，顆粒聚集的位置與管道雷諾數和顆粒尺寸有關，管道雷諾數越小，顆粒尺寸越大，聚集位置向管道中心線移動 [39]。在方形截面微通道中，當通道雷諾數在 100以內時，選擇合適的通道雷諾數和顆粒相對直徑，顆粒聚集位置會靠近管道壁面的中點位置[40]。在矩形截面微通道中，顆粒聚集特性取決于通道截面寬度 Lc，而不是截面的水力直徑 Dh[41]， Dh的計算公式為 Dh= 2bw /(b +w) ，其中 b和 w分別為通道橫截面的高度和寬度。 由于慣性升力與顆粒自身特性有關[42]，允許流體有較高的流量，慣性聚集適合應用于顆粒和細胞的過濾與分離。在直的微通道中可以利用慣性聚集原理進行動態分離和平衡分離，前者是根據不同尺寸顆粒的移動時間不同來進行分離[43]，后者是根據不同尺寸顆粒的聚集位置不同來進行分離[44]。 Park等[45]設計了一種由 80個對稱縮擴結構構成的微流控芯片，它利用流道結構誘導產生的渦流和橫向升力誘導產生的渦流聚集顆粒，在流量為 80μL/min時，可以把 7μm的聚苯乙烯顆粒聚集在兩個橫向位置。 Mach和 Carlo[46]研究了一種大規模并行化的微流體裝置，用來從稀釋的血液中被動分離致病菌。該裝置由 40個放置成徑向陣列的單直微通道組成，每個通道由三個具有不同橫截面的區段組成，各個區段中顆粒的速度不同，通過慣性升力的不同來進行細胞分離，結果表明，超過 80%的致病菌可以在兩次通過該系統后被去除。 當流體以低雷諾數的層流流入彎管時，由于中心流體與通道的近壁區域之間的下游方向上的速度不匹配，在流體流過彎曲通道時產生二次流。因此，通道中心線附近的流體比通道壁面附近的流體具有更大的慣性，并且傾向于圍繞曲線向外流動，從而在通道的徑向方向上產生一定的壓力梯度。由于通道是封閉的，在這個離心壓力梯度的作用下，靠近壁面的相對停滯的流體
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