关键词： 全钒氧化还原液流电池   电解液   表面张力   热力学模型   功率密度  

摘要： 全钒氧化还原液流电池（VRFB）具有能量效率高、循环寿命长、安全性高及环境友好等特点,可与太阳能、风能等新能源并网从而实现电网调峰及稳定连续发电的功能,被认为是最具有应用前景的储能技术之一。不同于其他二次电池,其电化学活性物质溶解于电解液中,这使得电解液成为VRFB能量储存及转化的核心具有重要的研究意义。 在实际应用中,VRFB的电池性能在极大程度上受电解液的体积性质、粘度及表面张力等热力学性质的影响。然而,由于高浓度钒离子之间复杂的离子相互作用致使无法准确获得随电解液各组分浓度变化的热力学数据,从而阻碍了VRFB电解液的进一步优化。在众多热力学性质中,表面张力是优化电解液的重要性质之一,可以反映电解质与电池其他组分之间的润湿性。目前,与VRFB电解液的表面张力相关的研究较少,本文对传统硫酸电解液体系中不同浓度配比下电解液的表面张力进行系统的测试从而得到表面张力随电解液浓度变化的规律为电池性能优化提供基础;并进一步根据摩尔表面吉布斯自由能（gs）的新定义式,得到了预测高浓度下三元电解质溶液的表面张力的半经验方程用以辅助电解液配方的初级筛选;除此之外,通过改进的E（?）tv（?）s方程得到了该电解液体系的E（?）tv（?）s经验参数以及吉布斯表面摩尔熵和吉布斯表面摩尔焓等热力学参数。 VRFB装机成本高一直是制约其商业化应用的重要因素,提高其工作电流密度可使电堆体积减小从而降低电堆的制造成本,此方法是降低VRFB成本的有效途径。目前,对于电解液成分的优化只基于低电流密度下进行,为此本文主要针对高电流密度下电解液成分进行设计。对传统硫酸支持电解液体系进行高电流密度下的配方优化,结果表明1 M V3.5+和3 M H2SO4的电解液配方具有较高的容量保持率,电池长循环性能更好,因此综合性能及成本优势,1 M钒的电解液是最佳选择;在1M钒浓度的电解液基础上,对硫酸-盐酸的混酸电解液体系进行配方优化,结果表明1 M V3.5+加3 M H2SO4和2 M HCl的电解液配方可在高电流密度下具有较高的效率,且混酸电解液将VRFB的使用温度上限提升至65℃,这将降低热管理系统的使用频率从而进一步降低VRFB的成本。 水系锌离子电池兼具液流电池的凭借安全性与锂离子电池的高能量密度成为极具潜力的可持续储能技术之一,本文将已开发的粘度和体积性质的热力学模型拓展应用于水系锌离子电池电解液中有助于其电解液的开发及优化。

关键词： 旋风分离器   结焦   沉积   黏附   表面张力  

摘要： 在催化裂化装置中,位于沉降器顶部的旋风分离器的升气管外壁结焦对工业生产危害极大,厘清升气管外壁结焦过程中的科学问题,合理预测并控制结焦物的增长对保障催化裂化装置的长周期安全平稳运行意义重大。 本文以炼厂常用的PV型旋风分离器为研究对象,通过增加升气管壁厚的方法来模拟结焦厚度的增长,采用实验和模拟相结合的方法,研究了结焦厚度的增加对旋风分离器的内部流场、分离性能和后续结焦情况的影响。实验结果表明,随着结焦厚度的增加,旋风分离器的压降小幅度降低,分离效率明显降低。模拟结果表明,随着结焦厚度的增加,旋风分离器环形空间的切向速度逐渐减小,轴向速度逐渐增大;筒体段与锥体段的切向速度和轴向速度变化不明显。随着结焦厚度的增加,升气管入口处的“短路流”逐渐增加,轴向速度“滞留”逐渐减小。此外,升气管外壁结焦厚度的增加一方面会减小环形空间流体微元的向心加速度,从而减小颗粒向壁面黏附的几率;另一方面会增强气流对已黏附颗粒的清除作用,抑制结焦厚度的进一步增长。升气管结构的变化会影响环形空间的流场,因此本文探究了斜板式的升气管对旋风分离器的环形空间流场、分离性能和结焦情况的影响,结果表明,在高入口气速的条件下,相比于PV型旋风分离器,斜板式旋风分离器有着略低的分离效率和更低的压降,且其升气管壁面处的切向速度梯度和轴向速度梯度更大,切向气流和轴向气流对已黏附颗粒的清除作用更强。 以180°弯管为研究对象,采用实验和模拟相结合的方法,探究了强旋流场下粒子向壁面的沉积特性及影响机制。气相模拟结果表明,弯管内部存在明显的“二次流”且上下两部分对称分布。实验结果表明,弯管内壁的颗粒沉积呈“喇叭”型,壁面粗糙度、入口气速、颗粒浓度越大,颗粒的沉积质量越大,且颗粒在“黏性”壁面上沉积时具有时间效应。气固两相模拟表明,颗粒与壁面的碰撞效率随入口气速的增大而减小,随颗粒粒径的增大而增大;颗粒在“黏性”壁面上的沉积效率随颗粒粒径的增大和温度的升高而减小;“黏性”壁面的液膜种类会影响颗粒的沉积效率;当“黏性”壁面的液膜具有反应固化的特性时,随着固化时间的增加和颗粒沉积质量的增加,液膜表面张力系数逐渐减小,颗粒的沉积与剥落逐渐达到动态平衡,此后颗粒沉积质量将维持在一个稳定的值。

关键词： 银纳米流体   表面张力   光热调控   光学测量  

摘要： 将不同材料且不同形状的纳米结构颗粒分别或同时均匀地分散在不同类型基液中所形成具有性质稳定的新型介质,这种新型介质称为纳米流体。与传统流体相比,纳米流体具有高导电性、光学性质的改变、摩擦阻力减小、高导热效率以及改变基础流体的沸点和粘度等特点。银纳米流体作为一种具有优异光热物理特性的纳米流体,其热物理参数对浓度、形貌特征、粒径等因素敏感,其中表面张力是关键的热物理参数。调节银纳米流体浓度、形貌特征、粒径等因素可以调控其表面张力,并且实时测量银纳米流体表面张力可以反馈这些因素对其表面张力的影响。因此,银纳米流体表面张力的调控和测量研究对纳米流体导热和光热应用具有重要意义。本研究探究了银纳米流体毛细上升高度的光热调控机理,并建立了倾斜板上液滴光散射法来测量银纳米流体表面张力,研究内容如下:理论上,针对银纳米流体光热调控机理的研究。基于吉布斯自由能、杨氏方程和Young-Laplace公式,推导出了毛细等效上升高度的理论公式。同时,建立了毛细上升理论和光热调控理论相结合的模型,以研究银纳米流体的浓度和温度分布。最后,结合范德瓦尔·古根海姆方程和Szyszkowski方程以预测光热调控下的银纳米流体毛细上升高度。针对银纳米流体液滴的表面张力的测量,提出了一种非接触式激光散射方法。首先基于润滑方程建立了倾斜板上液滴三维模型。其次,根据光的衍射理论推导出激光照射倾斜板上液滴产生的背向光散射条纹峰间距与液滴表面张力的关系,并对光散射模型进行理论仿真,发现结果符合实际,最后建立相对测量法测量其他液体表面张力。实验中,加热激光入射毛细管中的银纳米流体,并测量了毛细上升高度。结果发现,加热激光入射位置与弯曲液面最低点之间的距离越近,毛细上升高度降低程度越大。在光热调控下,银纳米颗粒和热量聚集在弯曲液面及三相线处,因此,温度和浓度共同调控了银纳米流体的表面张力,从而影响毛细上升高度。实验进一步连续调节加热光与弯曲液面的距离,发现毛细上升高度出现连续变化的现象,说明加热激光可以连续调节管中银纳米流体的毛细上升高度。同时,在停止加热后,毛细上升高度恢复到原高度。对于银纳米流体表面张力,运用光散射法测量了不同浓度银纳米流体液滴表面张力,并对不同浓度银纳米流体液滴的光散射条纹数据进行采集及分析。结果表明,随着银纳米流体的浓度的增加,散射条纹峰间距增加。当银纳米流体的浓度小于3.16 wt%时,其表面张力随颗粒浓度的增加而降低。颗粒聚集在银纳米流体液滴的气液表面,降低了表面能,从而导致了表面张力的降低。本研究提出了一种新的研究纳米流体光热诱导毛细效应的方法,并为太阳能和电子冷却等领域的应用提供新的思路和解决方案。通过该方法可以实现对毛细上升高度的精确控制和调节,从而提高能源利用效率和降低系统成本。此外,基于光散射场分布与液滴表面张力之间的关系,本研究还建立了一种新的测量表面张力的光学方法。该方法在纳米流体润湿领域有广泛的应用价值,可以实现对固液界面性质的准确检测和表征,为液体输送、涂覆、润滑等工业应用提供创新性的解决方案。总体来说,本研究提出的新方法和新技术为纳米流体导热研究和光热应用领域的开发提供了新思路和新方向。

关键词： 干湿循环   接触角   表面张力   颗粒运动轨迹  

摘要： 暴雨、台风、干旱等极端天气增多,加剧了地表干湿循环,降雨和高温使土体内含水量发生变化,影响土体内的特性,危机建筑物安全。因此,研究不同干湿循环次数下试样材料力学特性的变化规律,并对其内在机理进行揭示具有重要的理论意义。研究干湿循环对玻璃珠、标准砂和Q3黄土基质吸力和抗剪强度的影响,从理论角度入手探讨了干湿循环影响的内在机理。得到的主要研究结论如下:（1）研发了试验装置和数据分析方法,实现并利用该装置进行低吸力、高精度下的基质吸力试验,研究不同干湿循环次数下土-水特征曲线的影响规律。比较玻璃珠和标准砂不同粗颗粒材料的土-水特征曲线,对比分析颗粒大小和形状对土-水特征曲线出现异同的原因。（2）进行了不同干湿循环次数的固结排水剪切试验。分析应力-应变曲线、围压和循环次数之间的变化趋势以及毛细粘聚力c、内摩擦角φ与干湿循环次数的关系,以及试样变形与循环次数和围压之间的关系。（3）从理论入手构建最简单立方体模型,探讨各个参数对理论基质吸力的影响。结合玻璃珠的试验和理论土-水特征曲线进行对比,具有良好的一致性,验证了解析模型的准确性,分析了接触角、表面张力系数与基质吸力的关系。（4）对玻璃珠在定水头、定水速状态进行平面下的增减湿试验,通过摄像机全程对颗粒位移情况进行捕捉。用接触角测量仪研究增减湿过程载玻片、玻璃珠、标准砂和液体之间形成的固-液接触角,分析抽湿和蒸发作用下接触角变化的差异。用表面张力测量仪,测试不同温度条件下的表面张力系数,发现表面张力系数随温度变化曲线与SWCC形状类似。

关键词： 稳定性   BBD模型   导热系数   粘度   表面张力  

摘要： 纳米流体作为一种有效提高传热效率的换热工质,可以有效解决资源高效利用的问题,为资源最大化利用以及双碳计划的推行提供了莫大助力。丙二醇作为一种绿色且实际应用范围广泛的换热工质,近年来开始受到关注,但偏低的导热系数制约着其发展,在其中添加纳米颗粒来解决此问题是一种可行的思路。为此本文主要重点围绕丙二醇基MWCNT纳米流体的稳定性影响因素及热物性来展开研究。本研究采用重力沉降法和紫外分光光度计法评估了六种不同分散剂对丙二醇基MWCNT纳米流体稳定性的影响,结果表明PVP对纳米流体稳定性的增强效果更好。利用BBD(Box-BehnkenDesign)模型响应面优化法得到了各因素对吸光度的影响情况,SN 比和MWCNT的浓度对吸光度有较大影响,而实验范围内的超声处理时间(2-3h)对吸光度无明显影响;得到了丙二醇基MWCNT纳米流体制备的最佳条件,通过方差分析(ANOVA)以及实验验证表明,BBD模型可以很好的预测丙二醇基MWCNT纳米流体的稳定性,为后续丙二醇基MWCNT纳米流体的热物性研究提供参考和依据。通过毛细管粘度计对纳米流体的粘度进行研究,结果表明PVP对纳米流体粘度的影响比CTAB大;丙二醇基MWCNT纳米流体的粘度随着温度的上升而降低;随着SN 比的增加而变大。通过表面张力仪对丙二醇基MWCNT纳米流体的表面张力进行研究,研究发现,丙二醇基MWCNT纳米流体的表面张力随着温度的增加而降低,纳米颗粒的添加会降低表面张力并且随着纳米颗粒浓度的增加而降低,表面张力随SN比的增加而减小。探究了丙二醇基MWCNT纳米流体热导率变化情况,结果表明温度变化对丙二醇基MWCNT纳米流体的导热系数的影响较小。表面活性剂的添加可以提高纳米流体的导热性,与球形纳米颗粒相比,在丙二醇基液中添加MWCNT纳米颗粒对改善丙二醇的导热系数更有效。此外,丙二醇基MWCNT纳米流体在低温下有较高的导热系数。

关键词： 降膜流动   传热   表面张力   计算流体力学   换热器  

摘要： 固体表面上的液膜流动是生活中的常见现象,如玻璃窗上的雨水流动和外掠圆管的降膜流动等,它们受到重力、表面张力和电磁力等的驱动。该问题涉及流体动力学、界面科学、传热和传质等多个领域。本文研究了由重力驱动的液膜(降膜)流动及传热问题。数值模拟是研究降膜流动传热问题的重要方法,在揭示物理机制方面发挥着重要作用。表面张力模型对降膜流动传热的数值模拟结果影响显著。目前,文献中数值研究普遍采用连续表面力模型(Continuum surface force model,CSF)来计算表面张力,尚未对其他表面张力模型的适用性进行研究,并缺乏机理性解释。因此,探究表面张力模型对降膜流动数值计算结果的影响,对今后该领域的研究具有指导意义。本文研究了光滑竖直平板、水平圆管、水平椭圆管以及水平圆管脉动降膜流动在不同表面张力模型下的降膜流动和传热特性。主要研究结论如下:(1)在光滑竖直平板上,重力驱动的薄液膜流受到表面张力的影响,如果忽略表面张力,液膜容易发生飞溅而非连续稳定地流动;在入口段,两种模型均可获得自由铺展的完整液膜,但CSF模型下的液膜流动速度稍快,液膜层会出现高频低振幅的规则波动;在发展段,两种模型下的液膜从平滑表面逐渐变为波动表面,并出现孤立波的迹象,但没有形成稳定的孤立波,两种模型下的液膜形态开始有较大差异,液膜层有低频高振幅的不规则波动;在稳定段,两种模型下的液膜都呈现正弦波状,并具有陡峭前端和延长尾部。两种模型下的液膜形态比较相似。液膜层有更低频更高振幅的复杂波动,大波中叠加小波。(2)在水平圆管降膜流动和传热中。表面张力对水平管上的重力驱动的薄液膜流有重要影响,它可以限制液膜的扩散和促进液膜表面的变形,如果忽略表面张力,液膜会飞溅而不是稳定连续地流动;在液膜上、下停滞点附近,CSF和连续表面应力(Continuum surface stress,CSS)模型都能够模拟出相似的液膜轮廓,而没有表面张力会使得液膜严重失真;CSF和CSS模型都能够反映出水平管降膜的流动特征,包括悬滴、柱颈缩或颈缩断裂、膜厚度、涡流、液膜分离以及速度分量等;CSF和CSS模型下的水平管上的时间平均膜厚度没有显著差异;在传热特性方面,发现随着液膜流量的增加,局部传热系数也随之增加,且对管道上半部分的影响更显著;此外,忽略表面张力的计算会高估传热系数,特别是在液膜流量最小时;CSF和CSS两种模型均能较好的计算降膜流动传热,特别是在液膜流量大的情况下(Г=0.284 kg·m·s)。(3)在水平椭圆管降膜流动和传热中。液膜厚度从进口处开始逐渐变薄,没有表面张力会使得液膜厚度变大;CSF和CSS模型计算的液膜厚度有一定差异,但都能反映表面张力对降膜流动过程的影响;当椭圆管长短轴比增大时,液膜在上下滞止区停留的时间缩短,导致液膜积聚时间缩短,液膜厚度减小,从而使得局部传热系数增大,特别是在θ=20-180°附近;CSF模型和CSS模型都能体现椭圆管的壁面换热情况,但有一定差异。(4)在水平圆管脉动降膜流动和传热中。忽略表面张力会导致整个圆周上液膜厚度的减少,特别是上滞止区附近;在液膜流量较小时,CSF和CSS模型均能反映出管外脉动降膜流动下的液膜流动特性。随着液膜流量的增加,CSF模型下脉动降膜流动和稳定降膜流动计算的液膜厚度值比较吻合,而CSS模型情况下,稳定降膜流动下的液膜厚度值偏高;在降膜传热特性方面,低液膜流量时,CSF模型的计算结果比CSS模型好,但在液膜流量较大时,两者没有差别。

关键词： 温度梯度   液滴   表面张力   热毛细迁移   硅片  

摘要： 以硅片为基底,以不同体积比的乙醇和丙酮混合物为介质,对温度梯度激励下液滴的热毛细迁移特性进行了研究。分析了液滴在迁移过程中的高度、湿接触直径、接触角以及迁移速度的变化特征,并通过改变温度梯度、液滴体积和表面张力等参数探讨了这些因素对液滴迁移速度的影响。结果表明:在一定的温度梯度下,一定体积的液滴会发生由高温区域向低温区域的定向迁移,当温度梯度达到1.23时,乙醇液滴的最大迁移速度达到35 mm/s,且迁移速度随时间呈逐渐减小的趋势。随着温度梯度和液滴体积的增大,液滴的迁移速度逐渐增大,但是当液滴体积超过10μL时,继续增大液滴体积,液滴的迁移速度变化不再明显。此外,随着表面张力增大,液滴的迁移速度减小,表面张力每增大0.1 mN/m,液滴的迁移速度降低约12%。在考虑了液滴迁移过程中体积变化的基础上,采用力学分析方法建立了液滴迁移的理论模型。

关键词： 新课标   液体   表面张力  

摘要： 以新课标和新教材为指导,对物理教材教法进行研究,再以“液体的表面张力”教学为例,探讨如何在新课程和新教材背景下进行高中物理教学,促进学生物理学科核心素养的达成.

关键词： 空气含量   罐装碳酸饮料   储存   顶隙压力   二氧化碳气容量   表面张力   氧化还原电位  

摘要： 对罐装碳酸饮料中空气含量的测定方法进行了研究,找出影响测定结果的各个因素;另外,考察了冷藏与25℃储存过程中罐装碳酸饮料的空气含量、顶隙压力、二氧化碳气容量、表面张力及氧化还原电位的变化情况。结果表明:空气含量测量时使用的碱液浓度、开关阀阀门的放气速度、振摇姿势及打开-关闭开关阀的循环次数等影响测定结果;不同储存温度及储存时间影响碳酸饮料的空气含量、二氧化碳气容量、顶隙压力、表面张力及氧化还原电位,另外,顶隙压力分别与二氧化碳气容量、表面张力存在显著负相关,与空气含量存在显著正相关;空气含量与表面张力存在显著负相关,而二氧化碳气容量与氧化还原电位之间存在显著正相关。

关键词： 新型润湿剂   表面活性剂复配   表面张力   接触角   水分复吸   润湿性  

摘要： 为提高煤层润湿性,降低煤尘对井下作业的危害,以天池煤作为研究对象,选取了海藻酸钠和新型非离子表面活性剂KNOX-6201,KNOX-1335和阴离子表面活性剂KNOX-RF经过正交实验进行复配,研究不同表面活性剂复配形成润湿剂对煤尘润湿性的影响。通过对复配溶液的表面张力、与煤样形成的接触角以及煤样的水分复吸率,得出最佳复配方案及分析原因。结果表明,非离子表面活性剂复配润湿剂的润湿性低于非离子与阴离子表面活性剂复配之后的协同润湿作用。对于同一掺比的混合溶液,煤尘表面的接触角会随着海藻酸钠的掺量增加而逐渐减小。当加入0.5 g海藻酸钠、1 mL阴离子表面活性剂KNOX-6201,1 mL非离子表面活性剂KNOX-1335和1 mL非离子表面活性剂KNOX-RF复配溶液的表面张力为26.587 mN/m,最终接触角为0.76°,煤表面的亲水性更强。此时,水分复吸率最大为23.73%,溶液对煤的润湿性能更好。本工作对研制新型煤层润湿剂,进一步提高表面活性剂的润湿性,降低煤矿开采过程中的煤尘具有重要意义。