尺寸效应对聚风型风筒流场特性的 影响研究
- 格式:pdf
- 大小:2.08 MB
- 文档页数:7
尺寸效应对纳米材料性能影响分析纳米材料是指具有一定尺寸范围内的纳米级微观结构的材料,其尺寸效应对其性能具有显著影响,并表现出与传统材料不同的物理、化学和力学性质。
本文将详细分析尺寸效应对纳米材料性能的影响,并探讨其潜在应用前景。
首先,尺寸效应对纳米材料的能带结构和电学性质产生重大影响。
在纳米尺寸下,电子波长与纳米粒子尺寸相当,导致电子的量子限制效应显著增强。
量子尺寸效应使得纳米材料的能带结构变得离散化,能级间隔增大,而带隙缩小,从而改变了电子的传输行为。
这种尺寸效应通常导致纳米材料的导电性能增强,电子迁移率提高,从而使纳米材料在电子器件中具有更高的导电性能和更低的功耗。
其次,尺寸效应对纳米材料的热学性质产生显著影响。
纳米材料因其较大的表面积与体积比,导致更多的表面原子参与热传导过程,从而使得纳米材料的热导率降低。
此外,尺寸效应还使得纳米材料的晶格畸变增加,使得纳米材料的热膨胀系数增大。
这些因素导致纳米材料的热稳定性下降,热膨胀性增强,并在一定程度上限制了纳米材料在高温环境中的应用。
再次,尺寸效应对纳米材料的力学性能也有重要影响。
纳米材料的尺寸效应导致其晶粒尺寸减小,晶界面相对增多。
这些晶界界面作为位错和缺陷的集聚区域,对纳米材料的强度和塑性起到了显著影响。
晶界强化效应使得纳米材料的硬度显著增加,同时使其具有更高的韧性。
此外,纳米材料的位错密度由于尺寸效应而减小,导致其塑性变形能力下降。
这种尺寸效应通常限制了纳米材料在高温和高应力环境中的应用。
最后,尺寸效应对纳米材料的光学性质也产生显著影响。
在纳米尺寸下,纳米材料表面电子与光相互作用增强,使得纳米材料表面等离子共振频率发生改变。
这种尺寸效应导致纳米材料在可见光范围内具有较高的吸收和散射率,从而拥有更强的光学响应。
这种尺寸效应被广泛应用于纳米颗粒的制备、纳米传感器的设计以及生物医学领域的应用。
总之,尺寸效应对纳米材料的性能具有重要影响。
通过调控纳米材料的尺寸,可以实现纳米材料性能的可控调节,为纳米材料的应用提供了潜在可能。
尺寸效应对介电材料电性能的影响研究介电材料是一种广泛应用于电子、光电器件等领域的电学材料,具有优良的绝缘、介质、非线性等特性。
在基础研究和实际应用中,研究介电材料的电性能对尺寸效应的影响已成为热门的研究领域。
首先,尺寸效应对介电常数的影响是研究介电材料电性能的重要方向。
介电常数是描述介电材料极化反应的物理量,与电场的强度和介电材料的结构有关。
研究发现,当介电材料的尺寸减小到纳米量级时,介电常数随着尺寸的减小呈现出明显的增加趋势,即介电常数随着颗粒尺寸的减小而增大。
这是由于纳米材料表面对电场的响应增加,导致极化效应更加显著。
其次,尺寸效应对介电弛豫的影响是研究介电材料电性能的另一个重要方向。
介电材料在电场作用下的分子取向、跳跃、旋转等运动形式,称为介电弛豫。
随着尺寸的缩小,介电材料的表面积与体积比例增大,界面作用增强,分子间距离减小,导致介电弛豫时间变短,介电弛豫强度增强。
这些因素的复合作用导致纳米尺寸的介电材料具有更加复杂的介电响应行为及更高的介电弛豫强度。
此外,尺寸效应对介电损耗的影响也广受关注。
介电材料在高频电场下的电损耗是研究介电材料电性能的一个重要指标。
当介电材料的尺寸缩小到纳米量级时,储存能量的体积比例减小,导致电场引起的能量损耗增加,介电损耗也随之增加。
同时,在纳米颗粒的表面处,有许多缺陷和杂质,此类缺陷和杂质对于介电损耗也有显著的影响。
综上所述,尺寸效应对介电材料电性能的影响是多方面的,涉及介电常数、介电弛豫和介电损耗等方面。
由于不同方面的影响因素不同,这些方面也不能简单概括为"好"或"坏"。
因此,未来需要更深入的研究,为介电材料的设计和制备提供更可靠的科学基础。
烟囱效应下室内流场分布特性一、烟囱效应概述烟囱效应,又称为烟囱抽力效应或热压效应,是指在建筑物内部由于温度差异引起的空气流动现象。
当建筑物内部的某一部分温度较高时,热空气上升,形成低压区,而外部的冷空气则被吸入填补这一低压区,从而产生一种垂直的空气流动。
这种现象在建筑设计和火灾安全中具有重要的意义。
1.1 烟囱效应的基本原理烟囱效应的基本原理是热力学中的浮力原理。
当空气受热时,其密度降低,从而产生向上的浮力。
这种浮力推动热空气上升,形成上升气流。
同时,由于空气的连续性原理,上升气流会带动周围空气的流动,形成烟囱效应。
1.2 烟囱效应的影响因素烟囱效应的强度和特性受到多种因素的影响,包括:- 建筑物的高度:建筑物越高,烟囱效应越明显。
- 热源的位置:热源位置的高低和分布会影响气流的分布。
- 建筑物的通风条件:通风口的设置和大小会影响空气流动的路径和速度。
- 外部环境:如风速、温度等外部环境因素也会影响烟囱效应。
1.3 烟囱效应的应用场景烟囱效应在多个领域都有应用,如:- 建筑设计:合理利用烟囱效应可以提高建筑物的自然通风效率。
- 火灾安全:了解烟囱效应有助于评估火灾时的烟气扩散路径和速度。
- 能源利用:烟囱效应可以用于提高太阳能烟囱的效率。
二、室内流场分布特性分析室内流场分布特性是指在烟囱效应作用下,室内空气流动的模式和特性。
这些特性对于评估室内空气质量和安全至关重要。
2.1 室内流场的基本模式室内流场的基本模式包括:- 单一上升流:热空气从热源处直接上升,形成单一的上升气流。
- 多层上升流:在多层建筑中,每一层都可能形成上升气流,相互叠加。
- 螺旋上升流:在特定条件下,热空气可能形成螺旋状上升的流场。
2.2 室内流场的影响因素室内流场的分布特性同样受到多种因素的影响,包括:- 热源的类型和强度:不同类型的热源(如燃烧、电器等)和其强度会影响流场的形态。
- 室内空间布局:房间的大小、形状和内部布局会影响空气流动的路径。
量子点材料的尺寸效应与光学性能量子点材料是一种具有特殊结构和性质的纳米材料,其尺寸通常在几纳米到几十纳米之间。
量子点材料的尺寸效应是指其性质和行为受到尺寸的影响,而这种影响在光学性能中尤为显著。
首先,量子点材料的尺寸对其能带结构和能级分布产生了明显的影响。
当量子点的尺寸减小到与其束缚波长相当时,会发生量子限制效应,即能级的离散化。
这种离散化的能级分布使得量子点材料的光学性能发生了显著变化。
例如,量子点材料的带隙能随着尺寸的减小而增大,导致其发光波长向短波段移动。
这种尺寸调控的能带结构使得量子点材料在光电子器件中具有重要的应用潜力。
其次,量子点材料的尺寸对其光学性质产生了显著影响。
量子点材料的尺寸效应使得其光学性能在吸收、发射和散射等方面表现出独特的特点。
一方面,量子点材料的吸收谱在可见光范围内呈现出尺寸相关的蓝移现象。
这是由于量子点的尺寸减小导致其能带结构发生变化,使得量子点材料对较短波长的光具有更强的吸收能力。
另一方面,量子点材料的发射谱在可见光范围内呈现出尺寸相关的红移现象。
这是由于量子点的尺寸减小导致其能带结构发生变化,使得量子点材料对较长波长的光具有更强的发射能力。
此外,量子点材料还具有较高的荧光量子效率和较窄的发射谱带宽,这使得其在荧光标记和生物成像等领域具有广泛的应用前景。
另外,量子点材料的尺寸效应还与其表面态密度和表面修饰有关。
量子点的表面态密度随着尺寸的减小而增加,这使得量子点材料的表面能级对光学性能的影响变得更加显著。
通过对量子点材料进行表面修饰,可以调控其表面态密度和能级分布,从而实现对光学性能的精确控制。
例如,通过表面修饰可以增强量子点材料的荧光强度、延长其荧光寿命,并实现对其发光波长和发光强度的调控。
这种表面修饰的策略为量子点材料在生物医学和光电子学等领域的应用提供了新的可能性。
总之,量子点材料的尺寸效应对其光学性能产生了重要影响。
通过调控量子点材料的尺寸、表面态密度和表面修饰,可以实现对其光学性能的精确控制。
小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长,传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,它的周期性边界被破坏,从而使其声、光、电、磁,热力学等性能呈现出“新奇”的现象。
例如,铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电;绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。
再譬如,高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。
利用这些特性,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能,此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。
1. 特殊的光学性质:当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。
事实上,所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。
尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。
利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料,以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。
由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于1%,大约几微米的厚度就能完全消光。
例如,纳米铁粉,因具有了吸光性,而变成了黑色;它甚至于一改“不怕火烧”的“英雄本性”,而变成一旦遇到空气,就能马上燃烧起来,生成氧化铁。
利用光学特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。
也有可能应用于红外敏感原件、红外隐身技术(纳米复合材料对光的反射度极低,但对电磁波的吸收性能极强,是隐形技术的突破)等。
利用红外隐身技术的案例:案例:纳米ZnO对雷达电磁波具有很强的吸收能力,所以可以做隐形飞机的重要涂料。
1991年春的海湾战争,美国执行空袭任务的F-117A型隐身战斗机,其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中亦包含有多种超微颗粒,它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力,可以逃避雷达的监视,而伊拉克的军事目标没有这种设施,损失惨重。
红外光吸收:纳米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及其复合材料对人体红外有强烈吸收,可以起到保暖作用,减轻衣服重量,对登山运动员、军人战士防寒。
尺寸效应和沉积效应
尺寸效应和沉积效应是材料科学领域中常用的两个概念,它们分别指代了材料在纳米尺度下的特殊性质和沉积过程中的影响。
一、尺寸效应(Size Effect):
尺寸效应是指当材料的尺寸缩小到纳米尺度时,其性质和行为会发生显著的变化。
在纳米尺度下,量子力学效应开始显现,原子和分子之间的相互作用对材料的性能产生重要影响。
一些尺寸效应的表现包括:
1.光学性质:在纳米尺度下,材料的光学性质会发生变化,如吸收谱、荧光谱和拉曼谱等。
2.电学性质:纳米材料的电学性质受到量子尺寸限制的影响,导致其电导率、介电常数等性质发生变化。
3.磁学性质:纳米尺度下的磁性材料会显示出与体相材料不同的磁性行为,如超顺磁性、巨磁电阻效应等。
4.机械性质:纳米尺度下的材料强度、硬度、塑性等机械性质可能与宏观尺度下的材料不同,出现尺寸效应。
二、沉积效应(Deposition Effect):
沉积效应是指当材料通过沉积工艺(如薄膜沉积、涂覆等)形成薄膜或涂层时,沉积过程中的各种因素对薄膜结构和性质的影响。
沉积效应的主要因素包括沉积速率、沉积温度、沉积气氛、沉积方法等。
沉积效应可以影响薄膜的结晶度、晶粒尺寸、表面粗糙度、组分均匀性等特性。
综上所述,尺寸效应主要指材料在纳米尺度下的特殊性质,而沉积效应则主要指材料通过沉积过程形成薄膜或涂层时的影响因素。
这两个效应在材料科学和工程中具有重要的理论和应用价值。
湍流尺度对流体流动的影响分析引言湍流是流体力学中不可避免的现象,广泛存在于自然界和工程实践中。
湍流尺度是指湍流中涡旋的大小和时间尺度,对流体流动具有重要影响。
本文将对湍流尺度对流体流动的影响进行分析,探讨湍流尺度对流体流动的作用机理、影响因素以及其在实际应用中的意义。
湍流尺度对流体流动的作用机理湍流尺度对流体流动的作用机理主要包括以下几个方面:1.增加流动阻力:大尺度的湍流涡旋会增加流动的阻力,使流体流动更为剧烈而不稳定。
2.提高混合效率:湍流尺度较小的涡旋会促进流体的混合,使不同性质的流体快速混合,提高传质、传热效率。
3.产生剪切和摩擦力:湍流中湍动涡旋的强烈相互作用会产生较大的剪切力和摩擦力,对流体产生剧烈的扰动和变形。
4.影响流体输运:湍流尺度对流体输运具有重要影响,尺度较大的湍流涡旋会快速输送和扩散流体,尺度较小的湍流涡旋则会延长流体的滞留时间。
湍流尺度的影响因素湍流尺度受多种因素的影响,主要包括以下几个方面:1.流体粘性:流体粘性是决定湍流尺度的重要因素。
粘性较小的流体,湍流尺度较大;粘性较大的流体,湍流尺度较小。
例如,在水中,湍流尺度较大,可见的湍流涡旋直径在几毫米到几米之间;而在空气中,湍流尺度较小,可见的湍流涡旋直径只有几毫米到几厘米。
2.流体速度:流体速度也是影响湍流尺度的重要因素。
流体速度越大,湍流尺度会越小。
这是因为在较高速度下,流体更容易产生剧烈的湍动。
3.涡旋强度:涡旋强度是湍流尺度的重要参量。
涡旋强度越大,湍流尺度越小。
涡旋强度描述了湍流涡旋的能量级别,影响湍流的剧烈程度和流体的混合程度。
4.流动条件:流动条件也会对湍流尺度产生影响。
例如,在较粗糙的管道中,流体流动更加剧烈,湍流尺度较小;而在光滑的管道中,流体流动相对较为稳定,湍流尺度较大。
湍流尺度对流体流动的实际意义湍流尺度对流体流动具有重要的实际意义,主要体现在以下几个方面:1.工程设计优化:了解湍流尺度对流体流动的影响,可以在工程设计中优化流体流动条件,减少流动阻力,提高混合效率,提高工艺效益。
尺寸效应名词解释尺寸效应是指在不同的尺寸下,物体或者现象所呈现的特性或者性质发生变化的现象。
它是一个独特的、重要的物理现象,被广泛应用于各种不同的领域,如材料科学、纳米技术、生物医药、计算机科学等等。
本文将按照类别进行详细的解释和分析。
材料科学在材料科学领域,尺寸效应被广泛应用于纳米材料的研究。
这是因为在纳米级别下,材料的物理、化学、光学性质不同于宏观尺寸下的材料。
对于晶体尺寸小于5nm的纳米颗粒来说,表面积占整个颗粒体积的比例会越来越大,从而导致表面的能量变大,典型的表现就是热稳定性下降。
纳米颗粒也具有很高的比表面积,这使得纳米材料具备了很多新的特性,例如磁性、光学、生化和导电等特性。
而尺寸效应在纳米颗粒的生长和合成过程中也发挥了重要的作用,对于纳米材料的制备和性质研究有着重要的意义。
纳米技术在纳米技术领域,尺寸效应也发挥了很大的作用。
萨克曼效应是一个非常典型的尺寸效应现象,当纳米颗粒被过量光照或者是受到热作用时,会发现颗粒中存在大小为1nm左右的几个孔洞,这种现象就是萨克曼效应。
这种现象在纳米材料的光、电学特性研究中具有重要意义。
此外,纳米尺寸的电子失控现象、金属熔点和熔化热的变化、纳米材料的氧化和半导体的带隙等等参数也会受到尺寸效应的影响。
生物医药在生物医药领域,尺寸效应被应用于分子分析、药物递送以及细胞成像等领域。
例如,纳米颗粒可以在体内特异性的选择性富集在炎症区域,进而释放出药物治疗炎症,从而减少药物的副作用。
此外,纳米颗粒还可以用于药物递送和细胞成像等领域。
纳米颗粒的尺寸和组成决定了它的生物可行性、柔软性和靶向性等性质。
计算机科学在计算机科学领域,尺寸效应也有着重要的应用。
例如,随着基于纳米管芯片的计算机技术的发展,会出现一个问题:随着纳米管尺寸的减小,由于器件和线路耦合效应的影响,纳米管上的信号传输难度会越来越大。
因此,需要对纳米管的尺寸和性能进行精密的控制来满足计算机芯片的许多特定要求。
孔尺寸效应孔尺寸效应在微纳米领域中一直备受关注,因为微纳米尺度下的孔道对流体的传输和相互作用具有重要影响。
孔尺寸效应指的是孔道尺寸对流体流动特性的影响,包括孔道尺寸对流体速度、扩散、输运、吸附等性质的影响。
随着微纳米技术的发展,越来越多的研究发现孔尺寸效应对微流控系统、分析化学和生物医学领域具有重要意义。
首先,孔尺寸效应对微流控系统的性能有着直接影响。
在微纳米流体中,由于孔尺寸的微小,流体流动过程受到了限制和约束,导致了流体速度的增加和扩散效应的显著增强。
这种孔尺寸效应使得微流控系统具有更高的分辨率和更快的反应速度,可广泛应用于微液滴生成、微混合、微分离等领域。
因此,研究孔尺寸效应对微流控系统的设计和性能优化具有重要意义。
其次,孔尺寸效应在分析化学领域中也起着重要作用。
以纳米孔电化学为例,孔尺寸对电化学传质和反应动力学过程有着显著影响。
通过调控孔尺寸,可以实现对分析过程的精确控制和增强灵敏度。
同时,在纳米孔膜分离和过滤中,孔尺寸效应也被广泛运用,可实现对溶质分离和富集的有效控制,为分析化学研究提供了新的思路和方法。
另外,孔尺寸效应对生物医学领域的应用也具有重要意义。
以纳米孔阵列为例,孔尺寸对生物分子的通过率和选择性有着显著影响。
利用孔尺寸效应,可以实现对生物分子的灵敏检测和高效分离,广泛应用于基因测序、蛋白质分离等领域。
此外,在纳米载药系统中,通过调控孔尺寸可以实现对药物的控释和靶向输送,提高药物的治疗效果和减少副作用。
总的来说,孔尺寸效应在微纳米领域中具有广泛的应用前景和重要意义。
未来的研究需要进一步深入探讨孔尺寸对流体传输、分子传递和生物相互作用的影响机制,发展新的调控方法和应用技术,推动微纳米技术在微流控、分析化学和生物医学领域的应用。
通过不断深化对孔尺寸效应的研究,我们将更好地理解微纳米尺度下的流体行为和生物学过程,为微纳米技术的发展和应用做出更大的贡献。
纳米材料对流体流动特性的影响研究1. 引言近年来,纳米材料的研究发展迅速,其具有的独特性质使其在各个领域都得到了广泛的应用。
其中,纳米材料对流体流动特性的影响引起了研究者们的广泛关注。
本文将综述纳米材料对流体流动特性的影响研究,探讨其在流体力学、流体传热等领域的应用前景。
2. 纳米材料对流体流动的影响2.1 纳米材料的表面效应纳米材料具有大比表面积和高比表面能,这使得纳米材料在表面上具有更强的吸附能力和反应活性。
当纳米材料与流体接触时,其表面效应会引起流体的吸附和反应,从而改变流体的流动性质。
以纳米材料掺杂的流体为例,纳米颗粒的吸附能力可以增加流体的黏度,改变流体的流动速度和流动方式。
2.2 纳米材料的空间限制效应纳米材料的尺寸通常在纳米级别,其空间结构与传统材料相比具有明显的差异。
这种尺寸效应使得纳米材料能够对流体流动产生空间限制效应。
当流体通过纳米材料通道时,其流动路径受到纳米材料的限制,流动速度和流场分布会发生变化。
研究表明,纳米通道中的流体流动速度远远高于传统通道,这种空间限制效应可用于提高微流体器件的性能。
2.3 纳米材料的热传导效应纳米材料的尺寸小于传统材料,其晶体结构具有更高的表面能,导致纳米材料的热传导效应具有突出的优势。
当纳米材料与流体接触时,其表面的高热传导性能会导致流体的温度分布发生变化,从而影响流体的热传导性能。
研究表明,在纳米材料表面产生的局部温度梯度可以引起流体的对流运动,从而增强热传导效果。
3. 纳米材料对流体流动特性的应用3.1 纳米材料在流体力学中的应用纳米材料对流体流动特性的影响在流体力学领域具有重要的应用价值。
例如,纳米颗粒的加入可以改变流体的黏度,从而提高润滑效果和阻力特性;纳米润滑剂在传统润滑剂中的加入可以减少摩擦和磨损,提高机械设备的效率;纳米纤维材料的制备可以改善纺织品的透气性和吸湿性,提高穿着舒适度。
3.2 纳米材料在流体传热中的应用纳米材料在流体传热领域也有着广泛的应用前景。
第31卷第1期2 0 1 3年1月水 电 能 源 科 学Water Resources and PowerVol.31No.1Jan.2 0 1 3文章编号:1000-7709(2013)01-0050-04单轴压缩下煤岩尺寸效应的试验及理论研究王剑波1,2,朱珍德1,2,刘金辉3(1.河海大学岩土工程科学研究所,江苏南京210098;2.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室,江苏南京210098;3.枣庄矿业集团付村煤业有限公司,山东枣庄277600)摘要:为研究尺寸效应对煤岩力学性质的影响,以枣庄矿业集团付村煤矿的煤岩为例,利用RMT-150B岩石力学试验系统对9组不同高宽比的立方体煤岩岩样做了单轴压缩试验。
通过对试验数据的拟合分析,得出煤岩岩样尺寸与抗压强度、弹性模量的定量关系式。
同时基于应变等效假设,假定煤岩强度服从Weibull分布规律,提出煤岩考虑尺寸效应的损伤统计本构模型,与试验结果对比,发现该模型能较好地反映煤岩峰值强度前的应力应变关系,具有一定的合理性。
关键词:单轴压缩;尺寸效应;煤岩;本构模型中图分类号:TU452;TU458+.3文献标志码:A收稿日期:2012-09-07,修回日期:2012-10-22基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)基金资助项目(2011CB013504);深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金资助项目(SKLGDUEK0902);江苏省2011年度研究生培养科技创新计划基金资助项目(CXZZ11-0428)作者简介:王剑波(1987-),男,硕士研究生,研究方向为岩石力学特性,E-mail:wjbst1427@sina.com 岩石具有尺寸效应,即不同尺寸的岩石物理力学性质存在差别。
自20世纪30年代通过试验模拟等方法对岩石尺寸效应进行相关研究,获得了岩石尺寸增大强度的平均值减小、离散程度降低及岩石强度随试样尺寸呈指数型衰减规律的公式等[1~3]。
最优尺寸参数对涡流管能量分离效应影响的研究
文力;李浩;岳慧峰;金旭;张宇
【期刊名称】《低温工程》
【年(卷),期】2024()2
【摘要】为确定出涡流管各因素的主次顺序,找出最优的参数组合,提出正交试验设计和极差分析法,找到涡流管能量分离效应的最优化尺寸参数。
实验设定涡流管进气温度为26℃,环境温度为27.1℃,结果表明,4个尺寸参数对涡流管能量分离影响排序为:长径比>喷嘴数目>冷端直径>进气压力,每个参数的最优值各为长径比为25.0、喷嘴个数为6、冷端直径为5 mm、进气压力为0.8 MPa,并通过对试验结果的验证,发现涡流管的冷热端出口温差为95.2℃。
根据正交试验设计方案找出了涡流管各部件的最优尺寸参数。
【总页数】7页(P22-27)
【作者】文力;李浩;岳慧峰;金旭;张宇
【作者单位】西安工程大学;中联西北工程设计研究院有限公司;东北电力大学【正文语种】中文
【中图分类】TB619.1
【相关文献】
1.尺寸效应对节段模型涡激振动参数的影响
2.影响从涡激振动中获取能量的参数研究
3.基于涡流管能量分离效应的温度分布实验研究
4.喷嘴对涡流管能量分离效应影响
5.入口压力对小尺寸涡流管能量分离特性的影响
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
气体尺寸效应《气体尺度效应》摘要本文研究了气体尺度效应,即当物质的尺度变小时,气体的物理性质也会发生变化。
我们通过对气体的一些基本理论进行分析,讨论了气体尺度效应的影响,以及它如何影响人们的日常生活。
本文指出,气体尺度效应是由于量子力学中的四种效应所引起的,这些效应包括表面势、离子势、晶格势和重力势。
本文还讨论了不同粒径气体的热力学和动力学性质的差异,以及气体尺度效应的研究将如何有助于我们更好地了解和控制这些尺度依赖性的气体物理性质。
关键词:气体尺度效应;表面势;离子势;晶格势;重力势;热力学;动力学1.介绍气体尺度效应指的是当物质尺度变小后,气体的物理性质也会发生变化。
这种效应在物理学领域内受到多方关注,因为它可以用来解释微小尺度物质的物理行为。
例如,气体尺度效应可以用来解释为什么微小尺度的粒子表现出不同的温度变化率、热导率和体积变化率。
在本文中,我们将首先讨论气体尺度效应的基本原理,然后分析其影响以及如何影响人们的日常生活,最后讨论气体尺度效应的研究如何有助于我们更好地了解和控制这些尺度依赖性的气体物理性质。
2.气体尺度效应的基本原理气体尺度效应可以归结为四个基本效应:表面势、离子势、晶格势和重力势。
表面势是指气体粒子之间的表面能,当尺度减小时,表面势越来越重要。
表面势可以使气体粒子之间形成弱的相互作用,从而改变气体的物理性质。
离子势是指尺度变小后,气体中的离子表现出的势能。
离子势可以使气体粒子之间形成强的相互作用,从而改变气体的物理性质。
晶格势是指当气体尺度减小到晶格尺度时,表面势和离子势所形成的晶格能。
晶格势可以使气体粒子之间形成强的相互作用,从而改变气体的物理性质。
重力势是指重力在气体尺度减小时所产生的势能。
重力势可以使气体粒子之间形成强的相互作用,从而改变气体的物理性质。
3.气体尺度效应的影响气体尺度效应的影响可以分为热力学和动力学两个方面。
热力学方面,气体尺度效应可以影响气体的温度变化率、热导率和体积变化率。
复合材料中的尺寸效应复合材料本身就是一种广义的结构,这种结构的破坏问题与结构的尺寸效应有着必然的联系,复合材料中很多都属于准脆性材料,因此尺寸效应显得尤其重要,从尺度律和尺寸效应角度研究强度问题是个重要的观点,比如一个长细杠件它的稳定性能一定较差,这也是一种较常见的尺寸效应问题。
强度随机性引起的尺寸效应,能量释放的尺寸效应和微裂纹和断裂的分形特性产生的尺寸效应都对复合材料结构的强度的影响有着重要意义。
目前,固体力学中有三种有关尺寸效应的基本理论 :(1)随机强度统计理论 ;(2)长裂纹引起的应力重新分布和断裂能量释放理论(3)裂纹分形理论,它可分为两大类 :(a) 裂纹表面的侵入式分形特性理论(即表面粗糙度的分形属性)(b) 间隙分形特性理论(代表着微裂纹的分形分布)这些基本理论概括表现为材料的四种尺寸效应:(l)边界层效应:它是由材料的非均匀性和泊松效应造成的.前者可以混凝土之类的材料为例,由于各种骨料不能穿透表面而使表面层具有不同的成分;而泊松效应指的是,在试样内部可能存在平面应变的状态,它们发生在与试件表面平行的平面上 ,但不是发生在试样的表面,而是发生在试件的中心部位 .(2)表面与裂纹边缘连接处存在三维应力的奇异性: 这也是由于泊松效应引起的.这就造成了断裂扩展区域靠近表面的那一部分的力学行为不同于试样内部的力学行为 .(3)由扩散现象引起的时间相关的尺寸效应, 所谓扩散可以是多孔介质中热的输运或湿气和化学物质的输运,这一点已在收缩和干燥蠕变现象的尺寸效应中显示出来,原因是半干燥期依赖于尺寸,以及这种尺寸效应对收缩致裂的影响。
(4)材料本构关系的时间相关性 ,特别是材料应变软化的粘性特征,这一特征包含了材料时间相关的特征长度。
材料的尺度律问题是损伤力学的一部分,对这一问题的认真研究起始于1960年前后.虽然已经知道了很多 ,但是仍是损伤力学也是难以对付的问题,需要更多研究才能完全加以解决.。
International Journal of Fluid Dynamics 流体动力学, 2019, 7(1), 31-37Published Online March 2019 in Hans. /journal/ijfdhttps:///10.12677/ijfd.2019.71004Effects of the Size on the FlowBehaviors and Characteristicsof the Converging DuctYanglin Cheng1, Jianjun Ye1,2*, Xiaohong Huang3, Yuan Zhang1, Shehab Salem1,Yiwen Wang1, Zhengyang Li1, Yuji Yang11School of Power and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan Hubei2Key Laborary of Low-Grade Energy Utilization Technologies & Systems, MOE, Chongqing University, Chongqing 3Institude of New Energy, Wuhan HubeiReceived: Jan. 10th, 2019; accepted: Jan. 24th, 2019; published: Feb. 2nd, 2019AbstractThe efficiency of the converging duct is closely related to the size. In the paper, the numerical si-mulation is implemented to study the performance of the converging duct, combining with the experiment test. The flow characteristic, such as the velocity distribution and the pressure distri-bution, are investigated respectively. The results present that there is a critical size for the con-verging duct. When the duct size is lower than the critical size, the size effect is obvious, and the efficiency of the converging effect will decrease as the duct size decreases. When the duct size is higher than the critical size, the change of the converging efficiency slows down.KeywordsLow Speed Wind, Converging Duct, Size Effect, Concentration Characteristic尺寸效应对聚风型风筒流场特性的影响研究程阳林1,叶建军1,2*,黄晓宏3,张缘1,Shehab Salem1,汪依文1,李正扬1,杨宇吉11华中科技大学能源与动力工程学院,湖北武汉2重庆大学低品位能源利用技术及系统教育部重点实验室,重庆3武汉新能源研究院有限公司,湖北武汉收稿日期:2019年1月10日;录用日期:2019年1月24日;发布日期:2019年2月2日*通讯作者。
程阳林等摘要聚风型风筒的聚风效率与装置尺寸密切相关。
本文基于数值仿真方法,结合实验验证,对不同尺寸的聚风装置的速度分布、压力分布等流场特性进行了研究,表明聚风装置的尺寸在低于某临界值时,聚风效率会随着装置尺寸的减小急剧下降;而高于该值时聚风效率变化缓慢。
关键词低风速,聚风筒,尺寸效应,汇聚特性,流场分布Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY)./licenses/by/4.0/1. 引言近年来,随着国民经济的快速发展,整个社会对能源的需求量正在急剧上升,然而对于我国来说,传统化石能源不论是从可持续性以及环境角度,均已经难以满足社会发展的要求,发展新能源已逐步成为能源发展的重要目标。
在风电行业,我国的大型风电场大多位于“三北”地区,这给基础建设、电力输送、监控管理以及运行维护都带来相当的难度,对于中东部以及南部等人口密集地区,经济基础好,能源及电力需求量大,风能密度普遍不高,年平均风速大多数处于低风速环境,如何高效利用低品位风能进行发电,得到人们越来越广泛的重视。
在低品位风能的高效利用方面,张臣等人通过对渐缩型聚风装置的研究,探索了渐缩型风筒对于微风汇聚的积极作用[1];田德等人对渐缩–渐扩型聚风筒进行了相关实验研究,提出一种聚风型风筒的方法,对风能进行浓缩,达到了聚风提速的效果[2][3][4][5];大屋裕二与张兴联合研制了紧凑型聚风发电装置,利用出口处的负压抽吸作用对聚风筒风能进行提速,表明渐扩型聚风筒有着优秀的聚风能力[6][7]。
在对低品位风能聚风型风筒的研究过程中,本研究团队注意到风筒的尺寸对于风机的效率有着较大影响,且不同的模型尺寸对模型聚风能力的影响程度也各不相同。
因此,本文基于CFD数值模拟仿真方法[8],采用参数化设计与实验研究相结合的方式,针对聚风筒尺寸效应对于低品位聚风效果的影响规律以及变化趋势进行了重点研究。
2. 物理模型本文研究的对象为聚风筒模型,如图1(a)和图1(b)所示,该模型主要由三段构成,前端为收缩管型进口,后端为扩张管型出口,中间为直筒状喉口。
前端收缩管长度为l in,进口张角为θin;后端扩张管长度为l out,出口张角为θout;中间喉口段长度l mid,喉口段直径为d m。
采用控制变量的方法,主要研究尺寸变化对聚风筒聚风效率的影响规律。
文中选择喉口直径为500 mm的模型作为参照模型,并设置喉口直径分别为800 mm,1200 mm,1600 mm模型作为放大实验对照组,设置喉口直径为300 mm,200 mm,100 mm,50 mm的模型作为缩小实验对照组,各组对照模型以其喉口直径大小为依据,等比例进行缩放。
程阳林 等(a) (b)Figure 1. Three-dimensional model and structural parameters. (a) Three-dimensional model; (b) Structural parameters图1. 三维模型及结构参数。
(a) 三维模型;(b) 结构参数3. 聚风筒数值仿真模型及实验验证3.1. 数值仿真模型本文采用全流场数值模拟的方法,对聚风筒的内流场运动规律及外流场运动规律进行研究。
为提高计算精度同时降低网格总数,文中采用远场模型与近场模型相配合形成混合结构的数值计算模型,如图2(a)所示。
远场模型为大长方体流体域,并且宽度和高度在尺寸上均高于风筒最大直径的10倍,而长度方面则高于风筒总长的20倍[7]。
(a)(b)Figure 2. Full flow field model and mesh generation of the air duct. (a) Numerical simulation model; (b) Mesh generation图2. 聚风筒全流场模型及模型网格剖面图。
(a) 数值计算模型;(b) 网格划分在网格划分方法上,近场模型采用非结构化网格的方式进行划分,并在近壁面处生成3层结构化三棱柱网格[7],如图2(b)所示。
模型的远场采用结构化网格进行划分,控制各个位置的网格疏密度,使得程阳林 等内部网格密度较大,越靠近边缘网格密度越小。
采用混合网格的方式将结构化远场模型与非结构化近场模型进行连接,获得整体网格数663万。
3.2. 实验测试系统及数值结果验证将上述对照实验中的参照模型(喉口直径500 mm)按照1:1大小做出实物模型,并依据实验要求放置于实验风场中,具体实物模型与测试方法如下图3所示。
对风洞出口进行风场区域量化,选择该风洞出口处面平均风速最接近3 m/s 的位置,进行实验测试工作,经测算实验风场的平均风速为2.45 m/s 。
Figure 3. Test system of the air duct 图3. 聚风筒实验测试系统按照上述数值模拟方法进行仿真计算,为表征流体沿流线的速度分布规律,数值仿真的采点方法为沿着垂直于轴线方向等间距采点,如图4(a)所示。
针对参照模型(喉口直径500 mm)各测点位置按照来流风速为2.45 m/s 进行测试,分别进行实验测试和数值仿真,得到喉口处的风速值,如图4(b)所示,结果显示,各个测点处数值仿真结果与实验测试结果有较好的吻合度,表明本文构建的聚风筒数值模型的有效性。
另外,对仿真模型喉口处的风速值取加权平均,可知在来流风速为2.45 m/s 时,模型的喉口平均风速达到3.26 m/s ,其喉口处平均风速相对于来流风速值提升了33%,这说明本文提出的聚风筒模型具有明显的低风速风能汇聚效果。
(a) (b)Figure 4. Location of different measuring points and wind speed value curves. (a) Lo-cation of measuring points; (b) Wind speed value curves图4. 不同测点位置及风速分布曲线。
(a) 测点位置;(b) 风速值曲线程阳林等4. 聚风筒尺寸效应计算结果及分析图5和图6分别为不同尺寸下的聚风筒速度云图和压力云图。
分析可得,在模型喉口直径不低于500 mm时缩小或放大参照模型的尺寸,喉口速度均保持在较高水平,而且随着尺寸由大到小,喉口风速也是呈现出正相关线性变化趋势,但是当喉口直径低于500 mm时,喉口风速会急剧下降,喉口风速大小依然呈现与模型尺寸大小成正相关的变化趋势。
分析原因为:空气具有一定的粘性,根据粘性力方程τ = μ∙du/dz,在模型尺寸较小时(即z值较小时),模型内流场的速度梯度du/dz较大,粘性应力以及摩擦损失较高,进而阻止了风筒内气体流速的提高,而当模型尺寸较大时,这种阻碍作用相对减弱。