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基于SPH方法水滴撞击恒温壁面流动与换热的研究严圣林;陈榴;戴韧【摘要】基于连续表面张力模型,提出了一种液滴和壁面表面张力的处理方法,结合光滑粒子流体动力学方法,建立了模拟大密度差表面张力问题的SPH算法.通过模拟水滴撞击壁面后的运动过程,与实验结果进行对比,验证了算法的有效性.应用该方法,先后模拟了单个低温大水滴,以不同直径和不同速度,撞击不同表面接触特性恒温壁面的运动过程.结果表明:当壁面的接触角在一定范围内,水滴的吸热率随接触角的增大而减小;而水滴的吸热率随着撞击速度和初始直径的增大均增大.【期刊名称】《能源工程》【年(卷),期】2018(000)001【总页数】8页(P1-8)【关键词】水滴;SPH;表面张力;CSF方法;撞击特性【作者】严圣林;陈榴;戴韧【作者单位】上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】O3590 引言湿蒸汽在叶片流通道中的流动和传热十分复杂，目前对液滴与壁面碰撞后的流动和传热特性尚缺乏深入认识，不同运动参数的液滴，在不同表面特性的固壁表面的过程传热强化机制,仍有待研究。
液滴撞击固壁流动是一个瞬态的、多相的复杂流动现象。
环境流体与液滴的密度相差三个数量级以上，环境气相的流动速度与液滴速度相差一个数量级以上。
在撞击过程中，首先液滴会发生塑性变形，液滴与环境气相的界面是不稳定的、可变的。
其次，液滴运动中的受力也是复杂的，除了常规流体微团之间的粘性剪切力，还有液滴与壁面和环境气相微团之间的表面张力作用。
实验展现了液滴撞击加热固壁时的表观运动规律。
施明恒[1]实验研究液滴撞击加热壁面，发现液滴在铺展阶段的表面热流与液滴最大铺展系数和铺展时间是相关的。
CHANDARA等[2]实验研究丙烷液滴撞击不同温度的加热壁面，发现液滴撞击低温壁面后铺展但不会反弹，而撞击高温壁面铺展后会反弹。
液体表面张力对微流体性能的影响引言微流体是指具有微米尺度通道结构的流体系统，主要用于进行微小尺度的流体传输和控制。
微流体技术在生物医学、化学分析、微加工等领域具有广泛的应用前景。
在微流体中，液体表面张力是一个重要的物理性质，它对微流体的性能和流动行为有着重要的影响。
本文将探讨液体表面张力对微流体性能的影响，并分析其机理和应用。
液体表面张力的基本概念液体表面张力是指液体表面上单位长度的力，是一种分子间作用力的体现。
液体分子分布在表面上时，由于表面层的分子没有与上方的分子作用力，因此会受到相邻分子的引力束缚，从而表现出对内收缩的趋势，这种趋势就是表面张力。
液体表面张力可以通过以下公式表示:表面张力公式其中，σ表示液体表面张力，F表示液体表面上的力，A表示液体表面的面积。
液体表面张力对微流体性能的影响液体表面张力对微流体性能的影响主要体现在以下几个方面：1. 流体传输液体表面张力对微流体的流动行为和传输性能有着重要的影响。
首先，在微流体通道中，由于液体表面的张力作用，液体会在通道内形成一定的膜厚，导致流体传输的阻力增加。
此外，表面张力还会导致微流体在通道内出现湿润不均匀的现象，影响流体的均匀性和稳定性。
因此，研究液体表面张力对微流体传输行为的影响，可以为微流体传输性能的优化提供理论依据。
2. 混合和分离液体表面张力的存在会影响微流体中不同液体的混合和分离行为。
当不同液体的表面张力不同时，液滴在微流体通道中会表现出不同的行为。
具有较大表面张力的液滴会形成球形，并且难以与其他液体相互混合；而具有较小表面张力的液滴则会分散开来，更容易与其他液体发生混合。
因此，通过调节液体表面张力的大小，可以实现微流体中液体的混合和分离过程的控制。
3. 表面现象液体表面张力的存在会导致一系列特殊的表面现象在微流体系统中发生。
其中最典型的表面现象是液体在微通道中发生的界面层流动和湿润现象。
液体在微通道中流动时，由于液体表面和固体通道表面之间的相互作用力，液体会形成一层很薄的界面层，并且在微通道的壁面上发生滑移现象。
流体动力学中的微尺度流动问题研究引言流体动力学是研究流体力学规律的科学，其应用范围广泛，包括大尺度和微尺度的流动问题。
本文将重点研究流体动力学中的微尺度流动问题，探讨其研究现状、挑战与前景。
1. 微尺度流动问题的研究背景微尺度流动指的是流体在微米尺度下的运动行为，主要包括纳米尺度的流动和微米尺度的流动。
随着纳米技术的发展和应用，微尺度流动问题受到了越来越多的关注。
微尺度流动具有许多特殊的物理现象和力学行为，与传统的宏观流体动力学存在很大差异，因此需要深入研究微尺度流动问题。
2. 微尺度流动问题的研究现状目前，微尺度流动问题的研究主要集中在以下几个方面：2.1 界面效应在纳米尺度下，由于表面张力和壁面效应的存在，流体的流动行为受到界面效应的显著影响。
研究人员通过理论模拟和实验测试，探究了界面效应对微尺度流动行为的影响，并提出了相应的理论模型和数值计算方法。
2.2 湍流效应与宏观流体动力学不同，纳米尺度下的流体流动通常是属于稳态流动，很少出现湍流现象。
然而，在特定条件下，纳米尺度流动中的湍流效应仍然存在，并且具有一些特殊的现象和行为。
研究人员通过实验观测和数值模拟，探索了纳米尺度流动中湍流效应的机制和规律。
2.3 分子扩散效应由于纳米尺度流动中分子的热运动，分子扩散效应在微尺度流动问题中起着重要作用。
研究人员通过理论推导和数值计算，研究了纳米尺度下的分子扩散行为，并提出了相应的模型和方法。
2.4 液体晶体流动液体晶体是一种介于晶体和液体之间的形态，具有特殊的流动行为和力学性质。
研究人员通过实验和理论模拟，研究了液体晶体在微尺度下的流动行为，并提出了相应的理论描述和数值计算方法。
2.5 生物流体力学微尺度流动问题在生物学和医学领域中具有重要的应用价值。
研究人员通过实验和理论研究，探究了微尺度流动在生物体内的行为和作用机制，以及其在疾病诊断和治疗中的应用前景。
3. 微尺度流动问题研究的挑战尽管微尺度流动问题受到了广泛的关注，但在研究过程中仍然存在许多挑战：3.1 实验条件的限制由于微尺度流动问题是在纳米或微米尺度下进行研究，需要使用高精度的实验设备和技术。
《毛细管法测液体表面张力系数》实验
徐英勋
【期刊名称】《安庆师范学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】1999(005)004
【摘要】《毛细管法测液体表面张力系数》是普通物理热学实验，待测物是水，本文通过对该实验内容的延伸，使实验不仅能测量接触空气时水的表面张力系数，并能测量与水接触时水银的表面张力系数。
【总页数】3页(P41-42,49)
【作者】徐英勋
【作者单位】安庆师范学院物理系
【正文语种】中文
【中图分类】O657.91
【相关文献】
1.毛细管法测液体的粘滞系数 [J], 刘继英
2.拉脱法测液体表面张力系数实验探讨 [J], 张春玲;刘冠男;钱钧;孙骞;唐蕾
3.毛细管法测量液体表面张力系数实验的改进 [J], 王晓艳;杨跃平
4.毛细管法测液体粘滞系数 [J], 张申余
5.用毛细管法测定液体的表面张力系数 [J], 马树昌
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微纳米流体力学的研究方法及应用随着现代科技的飞速发展，微纳米领域的研究也成为了科技界的热门话题。
微纳米流体力学的研究方法及其应用就是其中一个重要方向。
这项研究主要关注微型或纳米级别的流体行为，涉及到传统流体力学、物理学、化学和生物学等学科。
它对于实现微型流控、获得精准的药剂输送以及研发新型微型材料等领域有着广泛的应用前景。
1.微纳米流体力学研究的背景传统的流体力学研究普遍采用“宏观-微观”两个层级，而微纳米级别的流体行为非常复杂，具有多种难以解释的特性，如毛细现象、颗粒运动等。
微纳米流体力学则是针对这些困难，提供了一种更精准的研究方法。
它在注重微观特性的同时，也考量了微型器件的制造和控制技术，实现了对微型流体系统中流动、传热、质量传输等行为的深入理解。
2.微纳米流体力学的研究方法微纳米流体力学的研究方法可以分为实验和理论两种。
实验研究主要基于微制造技术，结合高精度的光学、电子显微镜和微型传感器等设备，可以实现对微型流体系统的测量和分析。
理论研究则采用分子动力学、蒙特卡罗模拟和有限体积法等方法，通过计算机模拟得到微型流体系统中流动的物理规律和相应变化，从而推断流体力学行为的本质和机理。
3.微纳米流体力学的应用微纳米流体力学的研究也有广泛的应用。
例如，在医学领域中，微流控芯片可以通过微系列板、微阀门、微泵等器件对微型流体进行准确地控制，实现药物精准输送和医学诊断等功能。
在材料领域中，微纳米流体力学可以用于研发新型的微型材料和纳米材料，从而具有更高的性能和应用前景。
另外，在环境和能源领域中，微纳米流体力学的研究也可以用于生态环境保护、污染物治理等方面。
4.微纳米流体力学研究的挑战当然，微纳米流体力学研究也面临着一些挑战。
例如，微型流体系统中的流体粘性变化无法用传统的雷诺数等参数来描述，需要重新定义一些新的参数，重新建立流体运动模型。
同时，在实验研究中，微型流体系统的制备和测量也存在一定的技术难度。
这些挑战也要求研究者需要从多个角度进行深入的研究，不断提高研究方法和技术。
微纳米流体力学的研究与应用随着纳米科技的快速发展，微纳米流体力学作为一个新兴领域引起了广泛的关注和研究。
微纳米流体力学研究了在微观和纳米级别上液体行为的特性和运动规律。
本文将介绍微纳米流体力学的基础理论和当前的研究进展，并探讨其在生物医学、能源和环境等领域中的广泛应用。
一、微纳米流体力学的基础理论微纳米流体力学的基础理论主要涉及纳米尺度下液体流动的描述与解析、表面张力和毛细现象等。
斯托克斯方程和纳维-斯托克斯方程是微纳米流体力学中常用的描述流动的方程。
此外，分子动力学模拟和格子气模型等数值方法也被广泛应用在微纳米流体力学的研究中。
二、微纳米流体力学的研究进展近年来，微纳米流体力学领域取得了许多重要的研究成果。
一方面，研究者们对于微纳米流体的混合、分离、传输等行为进行了广泛的实验和理论研究。
另一方面，利用微纳米流体力学的原理和方法，开发了一系列新的微流体芯片和纳米器件，用于生物分析、药物传输和化学合成等领域。
三、微纳米流体力学在生物医学领域的应用微纳米流体力学在生物医学领域有着广泛的应用前景。
例如，微流控技术可以实现高通量的细胞分析和筛选，对于疾病的早期诊断和治疗具有重要意义。
此外，微纳米流体力学还可用于药物传输系统的设计和优化，提高药物的疗效和生物利用度。
四、微纳米流体力学在能源领域的应用能源领域是另一个微纳米流体力学应用的重要领域。
通过研究微纳米尺度下的流体传输和界面现象，可以提高能源转换效率和储存技术的可行性。
例如，利用微纳米流体力学的原理设计新型的纳米材料和纳米结构，提高太阳能电池和燃料电池的能量转换效率。
五、微纳米流体力学在环境领域的应用微纳米流体力学还在环境领域中发挥着重要作用。
通过研究微纳米尺度下的流体与固体界面的相互作用，可以开发出高效的污染物检测和净化技术。
此外，微纳米流体力学原理也可被用于设计新型的过滤材料和水处理技术，降低水资源的浪费和环境污染。
六、结论微纳米流体力学作为一个新兴领域，已经在生物医学、能源和环境等多个领域展现出巨大的应用潜力。
流体动力学中的微流体现象引言流体动力学是研究流体的力学性质，研究对象包括气体和液体。
在流体动力学中，微流体现象是一种研究微观尺度下的流体流动行为的领域。
微流体现象在生物医学、化学工程、能源和材料科学等领域中具有广泛的应用和研究价值。
本文将介绍流体动力学中的微流体现象及其基本原理。
微流体概述微流体是指在微米尺度下流动的流体系统。
与传统的宏观流体相比，微流体系统具有以下特点：•尺度小：微流体系统的尺度通常在微米到纳米的范围内，其特征尺度与微观颗粒的尺寸相当。
•流动特性稳定：由于微流体的流动区域较小，其流体流动速度相对较低，因此流动特性更加稳定，不易受扰动。
•积分效应显著：由于微流体系统的尺度小，表面效应对流体流动的影响更为明显，因此微流体系统中的流动更加复杂，涉及到界面和表面的相互作用。
微流体系统可以用于制备微结构材料、实现精确控制的化学合成和生物反应、制备微米颗粒等。
微流体系统在生物医学领域中也具有广泛的应用，比如微流控芯片在细胞分析和药物筛选中的应用。
微流体现象的基本原理微流体现象的研究包括很多基本原理，下面介绍其中的几个重要原理。
比较流体力学在微流体中，流动的行为取决于流体的性质和微观结构。
相比传统的宏观流体，微流体系统的流动相对复杂，存在多种物理和化学现象的耦合。
比如，微观尺度下的流体流动可能存在电场效应、热效应、化学反应等。
为了研究微流体现象，研究人员常常采用比较流体力学的方法。
比较流体力学是一种将微观流体流动与宏观流体流动进行比较的方法，通过建立数学模型来描述微观流动的特性。
比较流体力学的研究结果可以用来解释一些微观流体现象，如微观尺度下的流体流动规律、温度场和浓度场分布等。
比较接触角接触角是一个描述液体在固体表面上与固液界面的接触情况的参数。
由于微观表面的特殊性，接触角的测量和理解在微流体中具有重要的意义。
比较接触角是一种比较不同液体在同一表面上的接触角的方法。
通过比较接触角的研究，可以得到液滴在不同表面上的渗透性能和液滴形变的机理。
《微管道中纳米流体流动及传热研究》篇一一、引言随着纳米科技的快速发展，纳米流体作为一种新型的传热介质，因其高导热性、良好的稳定性和较大的比表面积等特性，在微管道流动与传热领域得到了广泛的研究和应用。
微管道中纳米流体的流动及传热研究，不仅有助于理解纳米流体在微观尺度下的流动规律和传热机制，还能为纳米流体的实际应用提供理论依据和技术支持。
二、微管道中纳米流体的流动特性1. 流动模型微管道中纳米流体的流动受多种因素影响，包括流体本身的物理性质、管道尺寸、形状以及流动条件等。
为了准确描述纳米流体在微管道中的流动特性，研究者们建立了多种流动模型。
这些模型主要基于纳米流体的导热系数、粘度等物理性质，以及微管道的几何尺寸和形状进行描述。
2. 流动特性分析在微管道中，纳米流体的流动特性主要表现为层流和湍流两种形式。
在层流状态下，纳米颗粒在流体中呈现有序排列，有利于提高传热效率。
而在湍流状态下，纳米颗粒的随机运动增强了流体与管道壁面的热量交换。
此外，纳米流体的粘度、表面张力等物理性质也会对流动特性产生影响。
三、微管道中纳米流体的传热特性1. 传热机制微管道中纳米流体的传热机制主要包括对流换热和导热。
对流换热主要发生在流体与管道壁面之间，而导热则主要发生在纳米颗粒之间以及纳米颗粒与流体之间的热量传递。
此外，纳米流体的高导热性和较大的比表面积也有助于提高传热效率。
2. 传热特性分析纳米流体的传热特性受多种因素影响，包括纳米颗粒的种类、浓度、大小以及形状，流体的物理性质（如导热系数、粘度等），以及微管道的几何尺寸和形状等。
通过实验和数值模拟等方法，研究者们发现纳米流体的传热性能在一定范围内随着纳米颗粒浓度的增加而提高，但当浓度过高时，纳米颗粒之间的团聚现象会降低传热效率。
四、研究方法及进展1. 实验研究实验研究是微管道中纳米流体流动及传热研究的重要手段。
通过搭建实验平台，研究者们可以观察纳米流体在微管道中的流动状态，测量传热性能等相关参数。
微管道流体力学及工艺应用随着科技的不断发展，微观领域的研究也越来越受到人们的关注。
微小管道作为一种微观流控技术，其在化学、生物、医学等领域发挥着越来越重要的作用。
本文将介绍微管道流体力学和工艺应用，并对其发展趋势进行展望。
一、微管道流体力学微管道是指其内径在数微米到数百微米之间的管道，与毫米或更大的传统管道相比，微管道中的流体运动受到的约束更加严格，流体行为更加复杂。
微管道流体力学研究的是在微管道中流体的行为和物理特性，其发现和应用不仅利用了微观和纳米尺度下各种特殊现象，也涉及到微流体、表面张力、等离子体、声波和电场等多个学科领域。
流体的作用力和微观特性是微管道流体力学研究的重点。
由于微管道中的流体粘性和惯性力相对较小，带电粒子和分子间的弱相互作用力却相对比较重要。
因此微管道流体力学通常涉及到的问题包括粘度、表面张力、电荷和电场效应、静电吸附、微流、分离和混合等。
这些问题的研究，不仅进一步深入了对分子和微观领域物理化学特性的理解，而且在各种生物、化学和医学应用中也发挥了重要的作用。
二、微管道在工艺应用中的发展微管道的特殊性质使得它在多个领域的应用中都具有巨大的潜力。
1. 化学合成微管道流体技术可用于化学反应过程中，加速化学反应的速率。
通过调节微管道内的化学物质的浓度，温度和反应时间，可以实现对组分的精确控制。
此外，微管道内液滴的形成、分离和混合等特殊现象也为实现多相反应提供了新的途径。
2. 生物检测微管道技术在生物医学研究中的应用也非常广泛。
例如，在生物检测和细胞分类方面，微管道技术能够有效地分离和检测微小细胞和分子。
此外，在药物筛选和药物输送中，微管道技术也发挥了重要作用。
通过利用微观和纳米技术，药物输送可以更快速，更准确地到达特定的细胞或器官。
3. 纳米加工微管道技术可以利用集成电路芯片的方法，制造微体系，以及制造和管理微流体结构，从而为纳米技术提供新的平台。
纳米加工和纳米传输也因此得到了更为有效和可控的实现，使得生产出了更加高性能的微小芯片。
微通道内纳米流体传热流动特性目录一、内容描述 (2)1. 研究背景和意义 (3)2. 国内外研究现状 (4)3. 研究内容与方法 (5)二、微通道内纳米流体传热理论基础 (6)1. 纳米流体概述 (8)1.1 定义与特性 (8)1.2 纳米流体的制备与性质 (9)2. 微通道传热理论基础 (11)2.1 微通道概念及优势 (12)2.2 传热基本理论 (13)三、微通道内纳米流体流动特性研究 (15)1. 纳米流体流动性质 (16)1.1 粘度特性 (16)1.2 流动性及流动阻力 (17)2. 微通道内纳米流体流动行为分析 (18)2.1 流动模式 (19)2.2 流动特性影响因素研究 (20)四、微通道内纳米流体传热特性研究 (22)1. 纳米流体传热性质 (23)1.1 导热系数 (24)1.2 热扩散系数 (24)2. 微通道内纳米流体传热行为分析 (25)2.1 传热模型建立 (26)2.2 传热性能影响因素研究 (27)五、微通道内纳米流体传热流动特性实验研究 (28)1. 实验系统搭建 (30)1.1 实验装置介绍 (31)1.2 实验操作流程 (32)2. 实验结果分析 (33)2.1 实验数据记录与处理 (34)2.2 实验结果讨论 (35)六、微通道内纳米流体传热流动特性数值模拟研究 (35)一、内容描述本篇论文深入探讨了微通道内纳米流体的传热流动特性，旨在揭示纳米尺度下流体与壁面之间的相互作用机制及其对传热效率的影响。
通过采用先进的实验技术和数值模拟方法，本研究对不同纳米颗粒尺寸、形状以及添加剂的纳米流体在微通道中的对流换热和热传导过程进行了系统的研究。
论文首先介绍了纳米流体的基本概念和特性，以及微通道在热传递领域的应用背景。
通过实验观察和数值模拟，详细分析了纳米颗粒尺寸和形状对流体对流换热系数的影响，揭示了纳米颗粒表面效应和颗粒间的相互作用对传热过程的作用机理。
论文还探讨了添加剂对纳米流体传热性能的改善作用，特别是表面活性剂和金属纳米颗粒对对流换热和热传导的显著增强效果。
第29卷第4期V ol .29N o .42008青岛理工大学学报Journal of Qingdao Technological University微流体的表面张力驱动刘长松(青岛理工大学机械工程学院,青岛266033)摘 要:随着微机电系统向超微细结构的发展,基于微尺度下流体特性而设计的表面张力驱动液滴移动技术越来越引人注目.笔者综述了两大类表面张力驱动技术:一是构建化学组成梯度;二是构建表面微观粗糙度梯度.在光诱导下,ZnO 微纳米结构表面的润湿性发生从超疏水到超亲水的改变,其本质是在粗糙表面上发生了化学组成变化,这使Z nO 成为可以产生表面张力驱动的重要界面材料之一.关键词:微流体;表面张力;微机电系统;ZnO ;润湿性中图分类号:O 35;T H703 文献标志码:A 文章编号:1673—4602(2008)04—0009—04收稿日期:2008—03—06基金项目:国家自然科学基金项目(50702029);山东省教育厅重大科技项目(J05D08)编辑部约稿作者简介:刘长松(1973- ),男,山东青岛人.副教授,主要从事微纳米制造、纳米材料与技术研究.E -mail :csl @qtech .edu .cn .Driving Microfluids by Surface TensionLIU Chang -song(Scho ol o f M echanical Eng inee ring ,Q ingdao Technological U nive rsity ,Q ingdao 266033,China )Abstract :With the development o f micro -electro -mechanical system s ,the technolo gies of driving and controlling microfluids ,e specially based on the specialities of flowing in struc -tures on micro or even nano scales ,are receiving mo re and m ore attentio ns .In this paper ,tw o technologies of driving microfluids due to surface tensio n gradient are review ed .Gener -ally speaking ,both chemical co mposition g radient and surface ro ug hness g radient can result in surface tension g radient .ZnO film s w ith micro /nano hierachical structures have the prop -e rties of lig ht -induced w ettability transition from superhy dro phobicity to superhy dro philici -ty .The transitio n essentially re sults from a co nversion o f chemical com positio n on a rough surface .Thus ZnO is one of the im po rtant surface mate rials w hich can induce surface tensio n driving .Key words :microfluid ;surface tensio n ;micro -electro -mechanical system s (MEM S );ZnO ;w ettability微流体的驱动与控制是微机电系统(M EM S )发展需要解决的关键技术之一,它在集成电路的冷却、流体的微量配给、药物的微量注射、微型传感器、微推进器的燃料输送等涉及微流体输运的各种场合中具有广泛应用前景[1-2].随着微细机械器械的尺寸越来越小,乃至出现了纳米量级的微细机械系统,传统的外力驱动方式(如现代机械运动中常见的电力、风力、水力、人力等)受到了巨大的挑战.微流体系统中的驱动方式可以分为青岛理工大学学报第29卷两大类[3],一类是从宏观流体驱动移植过来的驱动方式,如机械压差驱动、离心力驱动、电水力驱动等;二是根据微尺度下流体特性设计的驱动方式,如表面张力驱动、热气泡驱动、电渗式驱动和磁流体驱动等.由于表面效应在微流动中具有举足轻重的作用,因此表面张力驱动技术具有诱人的应用潜力[4].1 微流体的流体力学问题着眼于微观与宏观的不同,微流体主要具有以下两个效应[3].(1)尺度效应.随着流动的特征尺度减小到微米乃至纳米量级,微流体的流动会发生一些不同于宏观流动的现象,主要表现在两个方面:一方面,微流动中会出现一些经典连续介质模型,而在目前无法解释的现象,例如微流动表观黏度与体积黏度不一致;另一方面,支配流动的各种作用力的地位发生了变化,原来在宏观流动中居次要地位而通常被忽略的作用力,可能会在微流体流动中起支配作用,这意味着传统的宏观流体驱动技术在微流体中可能并不适用.(2)表面效应.尺度减小时,微流体器件的表面积与体积比大大增加,微流体器件的表面积与体积比约为常规机械的上百万倍,这大大影响了质量、动量和能量在微流体器件表面的传输,表面效应将会在微小器件中起主要作用.例如,由于表面积与体积比大,微管道流体的辐射和对流传热速率大大提高,液体相对固体表面的润湿性会严重影响微流体的流动,这使得表面张力成为驱动微流体流动的一种机制;分子间作用力(如范德华力)的作用,使得微构件中摩擦力与流体的质量无关,而正比于器件的表面积;流动边壁附近电偶层与壁面吸附层的作用,随着器件尺度的减小而对微流体流动的影响越来越大.总的来说,微流体中的流体力学问题是很复杂的,涉及到的方面很多[5].如表面效应的研究,是一个涉及到流体力学、界面化学、界面物理、材料学等多学科交叉的研究领域,对于解释微流体流动现象,对于微流体驱动和控制技术的研究与发展,都是迫切需要的.图1 表面张力驱动微液滴的原理示意图2 表面张力驱动表面张力的变化可以驱动流体流动这一现象虽然很早就被人所认识,但利用它主动进行微流体控制与驱动研究是从20世纪90年代开始的.从原理上讲,如果能够在固-液表面产生某种特定的表面张力梯度,就可驱使液体在特定的方向上流动.图1是表面张力驱动液滴原理示意图.通过化学或物理的方法改变固体支持面的润湿性,使液滴两侧的基底形成亲水区(高表面能)和疏水区(低表面能),由于液滴边沿两侧的表面张力不平衡(接触角不同),两边压力差即可驱动液滴从疏水区向亲水区移动.液滴产生表面张力驱动的宏观表现为固-液之间的界面润湿性梯度.一般说来,影响固体表面润湿性的因素主要有2个:一是表面的化学组成,二是表面粗糙度.因此,按照引起表面张力梯度变化的本质,可以将润湿性梯度分为化学组成梯度和微观粗糙度梯度两种.化学组成梯度表面是实现表面张力梯度最早的技术方法.1992年,W hitesides 研究小组在《Science 》上首次报道了利用扩散控制气相沉积的方法[6],他们用硅烷化试剂(Cl 3Si (CH 2)9CH 3)在平滑Si 基底上修饰密度呈现梯度变化的疏水烷基单层膜,使该表面呈现出润湿性梯度变化(在1cm 长度上,接触角从97°变化到25°).并把Si 片倾斜15°,使疏水端在下方(亲水端在上方),则放置在下端的水滴(1～2μL )会以1～2m m /s 的速度进行“爬山”运动.Ichim ura 等[7]利用一种含有偶氮基团的光敏化合物(CRA —CM )的光控润湿性行为,将CRA —CM 作为微流体流动的支持面,实现了利用表面张力来驱动微液滴移动.由于暴露在紫外光(波长=365nm )中的CRA —CM 单层的末端为极性顺式异构的偶氮苯基团,使得表面能增加;蓝光(436nm )照射又会使这种顺式异构转变为反式异构,使表面能减小.因此,利用这种致异构特性可以驱动液体在表面非机械移动.图2表示了橄榄油滴在这种响应性表面的运动情况.利用强度不均匀的蓝光垂直于CRA —CM 表面照射,会使液滴向高表面能方向(即蓝光强度弱的方向)运动(见图2(b )),利用均匀的蓝光照射可以使液滴停止运动(见图2(c )).另外,改变光照方向可以控制液滴的运动方向,液滴运动速度依赖于光的强度及10第4期 刘长松:微流体的表面张力驱动图2 橄榄油在光响应CRA —CM 表面上运动梯度.微观粗糙度梯度通常在表面加工过程中加入可控参数,如加热过程中的温度、电沉积过程中的电位等.Zhang 等[8]在130℃下对紧密排列的聚苯乙烯(PS )微球表面的一端加热48h ,在加热端PS 微球会熔融而连接在一起,形成相对比较光滑的表面;在远离热源的一端则由于未被加热而不会发生任何变化,从而形成相对比较粗糙的表面(见图3).由此,利用PS 微球在温度梯度场中的熔融,就可制备出表面微结构呈梯度变化的PS 薄膜,该薄膜表面的润湿性也随之呈现梯度变化,接触角从148.1°变化到88.7°.图3 P S 微球在温度梯度场中熔融形成表面微结构呈梯度变化的薄膜上述几例都是由于化学组成梯度或者表面粗糙度梯度单方面原因引起的表面张力驱动.用来表达粗糙表面接触角与光滑表面接触角之间关系的Wenzel 方程(cos θr =r co s θ,r ≥1)表明,当光滑表面接触角θ<90°时,粗糙表面的接触角(θr )随着表面粗糙度的增加而降低,表面变得更亲液;当θ>90°时,θr 随着表面粗糙度的增加而变大,表面变得更疏液.因此,结合粗糙的基底表面和特殊的化学组成变化,利用表面粗糙度对润湿性(包括亲水性或疏水性)的加强作用,可以实现表面从超疏水到超亲水的变化.例如,清华大学利用电沉积方法制备的粗糙金基底直立放置于试管中,缓缓向其中滴加十二烷基硫醇溶液,随着试管中溶液液面的不断上升,基底的不同部位将会对应于不同的浸润时间,最后再经过羟基十一醇溶液修饰后,基底的不同位置表现出不同的润湿性,接触角从大于150°的超疏水性连续变化到小于10°的超亲水性[9].3 ZnO 微纳米结构的光响应润湿性变化ZnO 微纳米结构表面的光响应润湿性变化,本质是在光诱导下使粗糙的ZnO 表面发生化学组成变化所致.首先,ZnO 薄膜表面具有“粗糙的”微米或纳米阶层结构(hie ra rchical structure ).如利用低温液相技术制备的ZnO 微纳米球薄膜表面(见图4)[10],是由微米球(直径约30μm )和上面分布的具有更微细的、无规则的“花瓣状”亚结构构成,这些“花瓣”的边缘非常薄,仅有100～200nm ,这种阶层结构表面使ZnO 薄膜表面具有超疏水特征.其次,在ZnO 微纳米阶层结构表面经过真空紫外光(V UV )照射后,其表面化学组成将发生变化,表面润湿性也相应发生变化.这是因为ZnO (是一种半导体材料)表面在V UV 光照射下会产生电子-空穴对,而一些空穴与晶格中的氧发生反应后在其表面产生了氧空位.尽管水与氧都会吸附这些氧空位,但从动力学上讲,这些氧空位更容易被水中的-O H 吸附[11],使ZnO 表面基本被-OH 键覆盖.ZnO 微纳米结构表面的超疏水和超亲水之间的转变是可逆的.如果将上述V UV 光照后的超亲水ZnO 薄膜放置在暗室中6d 后,该薄膜表面则恢复到超疏水特征.这是由于-O H 与ZnO 表面氧空位之间的吸附在能量上是不稳定的,从热力学上讲这些氧空位更易与氧结合[11].因此这些被V UV 照射过的薄膜放置在暗室中一段时间后,被表面氧空位吸附的-OH 会逐步被氧代替,ZnO 表面逐渐恢复到被紫外光照之前的润湿性特征,即超疏水性.11青岛理工大学学报第29卷图4 低温液相技术制备的ZnO微纳米球薄膜图5 紫外光照前(a )后(b )Z nO 薄膜表面上水滴的光学照片图5显示了经历上述可逆转变过程中,VUV 光照前后以及放在暗室前后的超疏水和超亲水情况时薄膜表面上沉积的水滴形状,其中图5(a )的水接触角为151°,图5(b )水接触角接近0°.ZnO 微纳米结构表面具有的超疏水-超亲水之间润湿性可变特性,为实现ZnO 基质润湿性梯度表面提供了物质可能.为了实现这个目标,下一步研究小组将通过改变实验装置,将光照时间或强度梯度转换为基底表面上的空间梯度,使样品表面的不同区域暴露在光照区域的强度不同,使平行于样品表面方向上获得光照强度梯度,从而使样品表面获得润湿性梯度,进而驱动与控制微流体运动.4 结束语由于在微流体系统中受控流体的典型尺寸在几微米到几百微米之间,流体表面张力相对其它作用力起着主导性作用,因此,利用表面张力的变化来驱动和控制微流体流动具有诱人的应用潜力.由于微米或纳米阶层结构的ZnO 薄膜表面在光作用下具有亲水或疏水的可变特性,这说明该ZnO 薄膜的表面张力可以在光作用下发生连续性梯度改变,因此利用表面张力驱动将会是ZnO 基微流器件首选的微流体驱动技术.由此产生的固体支持面的表面修饰、微流动的流体力学、微流道的微纳米制造技术、表面张力梯度表面的实现等,将在日后的研究中逐步展开.参考文献:[1] 沙菁契,侯丽雅,章维一,等.微流体系统驱动技术的研究进展[J ].微纳电子技术,2006(12):572-576.[2] Daniel S ,Chaudhu ry M K ,Ch en J C .Fast drop movements resu lting from th e phase change on a g radient su rface [J ].Science ,2001,291:633-636.[3] 冯颖,周兆英,叶雄英,等.微流体驱动与控制技术研究进展[J ].力学进展,2002,32(1):1-16.[4] Grun ze M .Driven Liquids [J ].Science ,1999,283:41-42.[5] 杨沛然,郭峰,王静,等.反常弹性流体动力润滑现象的热粘度楔润滑机理研究[J ].青岛理工大学学报,2006,27(6):1-7.[6] C haud hury M K ,Whitesides G M .H ow to M ake W ater Run Uphill [J ].Science ,1992,256:1539-1541.[7] Ichimu ra K ,Oh S K ,Nakagaw a M .Ligh t -Driven M otion of Liquid s on a Photores ponsive S urface [J ].S cience ,2000,288:1624-1626.[8] Zhang J ,Xue L ,H an Y .Fabrication G radient Su rfaces by Ch angin g Polystyrene M icrosphere T op og raphy [J ].Langmuir ,2005,21:5-8.(下转第17页)12第4期 靳 乐,等:H型截面钢柱抗火简化计算研究间截面温度.由表3可见,具有一定的误差.主要原因有:①简化计算时采用的温度是中截面的测试温度,而中截面的测试温度不一定是整个钢柱截面的最高温度,也不一定是钢柱产生最大侧向变形的截面温度;②高温下钢材的弹性模量、屈服强度采用的文献[5],不是试验实测得到的.这些都会使简化计算结果与试验值产生误差.表3 简化计算结果和试验值对比试件编号钢柱的极限温度/℃[2]中截面温度平均温度简化计算临界力/kN试验临界力[2]/kN比较误差/%Z1648590333.43088Z2632550494.85133.55Z5706590275.2308105 结论通过对上述3根钢柱火灾下受力性能进行简化计算,得出以下结论:(1)通过简化计算过程可知,钢柱在火灾作用下,沿弱轴方向的长细比大于沿强轴方向的长细比,沿弱轴方向的失稳临界力小于沿强轴方向的失稳临界力,钢柱沿弱轴方向先行破坏;(2)不限制轴向变形钢柱,简化计算结果和试验值吻合较好,简化计算是可行的.参考文献:[1] GBJ17-88,钢结构设计规范[S].[2] 李晓东.H型截面钢框架抗火性能的试验研究及非线性有限元分析[D].西安:西安建筑科技大学,2007.[3] 陈骥.钢结构稳定理论与设计[M].北京:科学出版社,2003.[4] 李国强,蒋首超,林桂祥.钢结构抗火计算与设计[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.[5] 李国强,贺军利,蒋首超.钢柱的抗火试验与验算[J].建筑结构,2000,30(9):12-15.[6] 谭巍,王肇民.高温(火灾)条件轴心受压变截面钢构件承载力理论研究[J].钢结构,1999,14(1):10-13.[7] 李国强,沈祖炎.高温下轴心受压钢构件的极限承载力[J].建筑结构,1993(9):23-26.(英文校审 高 嵩) (上接第12页)[9] Yu X,Wang Z,Zhang X.S urface Gradien t M aterial:From Superhyd roph obicity to S uperhydrophilicity[J].Langmuir,2006,22:4483-4486.[10] 刘长松,王玲,李志文,等.氢氟酸对微纳米ZnO的形貌及其润湿性的影响[J].中国有色金属学报,2007,17(10):1690-1694.[11] S un R D,Nakajim a A,Fujishima A,et al.Photoinduced surface w ettability con version of ZnO and TiO2thin films[J].J Phy s ChemB,2001,105:1984-1990.(英文校审 刘学云)17。
