因此在用流体网格法求解流体动力学方程时，必须考虑对激波的处理，即解决间断的问题。本节在介绍流体网格法以及说明流体网格法差分过程中均提到了差分中的人工粘性系数q，这种加入人工粘性系数的方法目前在跨音速流动的数值计算中是非常有效的。......
2023-07-02
流体发电及其应用
【摘要】：流体发电已经被报道用于能量转换以及流体流速和溶液浓度的检测。通常，有两种类型的流体通道能够用于流体发电。图4.57MFG中微流控芯片的制造和表征［7］采用软光刻技术制造微流控芯片；具有设计结构的Si模具照片；图案化PDMS复制品的图像；PDMS复制品上的微柱阵列的SEM图像，插图为高放大倍数下，视角为30°时PDMS结构的图像；透明微流控芯片的图像Peng等制备出一种纤维状流体纳米发电机。图4.59纳米管中的流动发电过程
由于能源危机日益严重，从环境中捕获能量成为目前研究者们研究的热点。流动的水是最容易获得的自然界能源之一，溪流、河流、湖泊和海洋，甚至体内的血液中都包含丰富的水资源。流动过程与其他过程不同，可以稳定持续地进行能源转化，如风能。只是风能的利用受天气和太阳能的影响，只有白天可以利用。在过去的一个世纪里，人们已经建造了水轮和大型水坝来收获流动过程产生的巨大机械能，然而，这个收获能量的过程需要繁重而复杂的设施，很难满足一些便携式设备的要求，因此，一直以来，流体发电的研究及应用一直是科学家们的研究热点。在生物医学应用领域，微/纳米流体系统已被广泛应用于生物传感器、生物医学诊断和DNA分析。
Wang等制备出一种基于流体发电的微流体发生器（Microfluidic Generator，MFG），即一种采用准多孔图案材料填充的新的通道用于更大的电势输出器件。用于将流动的水产生的能量转化为连续的电能输出。流体发电已经被报道用于能量转换以及流体流速和溶液浓度的检测。通常，有两种类型的流体通道能够用于流体发电。一种是没有内部结构的微/纳米通道，而另一种则是具有多孔结构的宏观通道。与多孔通道相比，由于液体和固体之间的接触面积较小，因此无微/纳米通道的器件具有比较小的功率输出。与传统的多孔材料不同，无微/纳米通道器件可以精确地设计和制造图案材料的形状和尺寸，有利于MFG的定量调节。MFG中微流控芯片的制造和表征如图4.57所示。值得注意的是MFG具有恒定电流输出，与其外部负载无关。当浓度为1 μmol/L的KCl溶液以0.4 L/min的流速流过该装置时，它可以产生约1.75 nA的连续输出电流。
图4.57 MFG中微流控芯片的制造和表征［7］
（a）采用软光刻技术制造微流控芯片；（b）具有设计结构的Si模具照片；（c）图案化PDMS复制品的图像；（d）PDMS复制品上的微柱阵列的SEM图像，插图为高放大倍数下，视角为30°时PDMS结构的图像；（e）透明微流控芯片的图像
Peng等制备出一种纤维状流体纳米发电机（Fiber-shaped fluidic nanogenerator，FFNG）。它采用一种有序排列的多壁碳纳米管（Multi-walled Carbon Nanotube，MWCNT），并将其设计为活性物质和电极，因此制得的发电机具有重量轻、灵活、可伸缩的优点。通过从静电纺丝得到的MWCNT材料中取出有序排列的MWCNT并包裹在聚合物纤维上制备得到了该样品。还通过将MWCNT材料加捻成MWCNT纤维来制备FFNG。有序的MWCNT片和纤维显示出102～103S/cm的高电导率和102～103MPa的拉伸强度。FFNG结构的表征和测量如图4.58所示。从图4.58（c）可以看出MWCNT具有高度对齐的结构，并且紧密地覆着在聚合物基底上。
图4.58 FFNG的结构表征和测量
（a）基于MWCNT材料制备的FFNG图像，直径为0.8 mm；（b），（c）分别在低和高放大倍数下的FFNG的SEM图像；（d）测量流水中电力输出的实验装置
另外，他们还将得到的MWCNT/聚合物纤维用于纳米流体发电中，如图4.58（d）所示。将FFNG固定在一根管子的中心，两端用铜线连接。当注入NaCl溶液时，溶液从管的一端流过FFNG表面，速度为1.2 cm/s。当溶液接触FFNG时，迅速产生电压。随着流动距离的增加（即FFNG在NaCl中浸入的长度），输出电压逐渐增大并达到一个峰值，然后以相同的速度回流时又回到了初始的电压值。
在石墨纳米结构中，水或极性液体的快速流动（机械能）是否可以转换成电能是学术上和实际应用中非常受关注的主题。2001年，Kral和Shapiro从理论上首次预测了浸入流动液体中的石墨材料中可以产生电流和电压。从那时起，许多实验报告了流体发电这一现象，其中，各实验的详细结果在以下几个方面有区别：石墨表面几何上有所不同（在CNT内部和外部流动，在石墨烯表面流动），使用的流动液体（主要是水）是否存在离子，使用的设备装置不同。
Kral和Shapiro最初提出了两种机制来解释电压产生的基本原理。第一种机制是从流动的液体分子到纳米管中的声学声子的动量转移拖曳自由电荷载流子，这种效应类似于热电中电子和声子耦合作用给予了热和电的效果，如图4.59所示。第二种机制是通过液体中流动的分子和离子的波动的库仑场直接散射自由载流子，然而，后者的直接散射机制会产生比前者非平衡声子拖曳小5个数量级的电流。
（纳米管中的流动发电过程如图4.59所示。其中Vm为溶剂分子的流速，J为电流密度，e为电子。）
随着流体发电研究的不断深入，科学家们发现一种基于水蒸发产电的现象，即纳米材料的水蒸发产电，其机理与流体发电机理类似。这种简单的电能收集方式激起了研究者们的兴趣，引发了研究人员对其研究成果的进一步探究。
图4.59 纳米管中的流动发电过程
有关一维纳米结构材料制备及其多样化应用的文章
- 详细阅读
-
雷诺数Re及其在流体运动中的应用详细阅读
根据量纲理论，上述诸参数可以组成一个量纲一的量：式中，ν为流体的运动粘滞系数，此量纲为1的量称为雷诺数。对应以上两个临界流速的雷诺数分别如下：下临界雷诺数上临界雷诺数实际上水流总是受到各种因素的扰动，过渡状态的层流极不稳定，一受扰动，很容易变成紊流；而扰动又是经常发生的，因而下临界雷诺数具有判别流态的实用价值。......
2023-08-20
-
流体的特性及其适用情况详细阅读
2．不适用情况将流体作为连续介质来处理流体静止或流动时的性质变化，对于大部分工程技术问题都是准确的。在研究黏性流体力学时，流体的黏性通常用动力黏度，又简称为黏度来表示，并将黏性流体视为牛顿流体。......
2023-06-29
-
湍流模型及其应用于流体数值模拟的研究详细阅读
湍流的重要特点是物理量的脉动，目前描述湍流流动的数值模拟方法主要包括直接数值模拟、大涡模拟和分离涡模拟等。分离涡模拟方法是将大涡模拟和雷诺平均方法结合，在壁面处采用分离涡模拟方法，在湍流的核心区域采用大涡模拟方法。模型考虑了网格的各向异性，且调整亚网格长度尺度来实现RANS向LES的过渡。除此之外，为解决近壁雷诺应力估计不足的问题，IDDES模型中增加新项fe。......
2023-06-23
-
流体静压的计算原理与应用详细阅读
图2-1 流体静压定义与其作用方向的示意图2.2.2 静压的计算实验表明在静止流场中，液体和气体承受的相对压力，仅与液体或气体的密度和高度有关，而与其他因素无关，这个结论即称为静压理论。根据静压理论计算公式与前面推得 PB=PC的结果，可进一步推得关系式 PB=PA+ρ1ghAB=PC=P0+ρ2ghCD。......
2023-06-29
-
发电机调压及其在电力系统中的应用详细阅读
在发电机不经升压直接用发电机电压向用户供电的简单系统中，如供电线路不很长、线路上电压损耗不很大，一般就借调节发电机励磁、改变其母线电压，使之实现逆调压以满足负荷对电压质量的要求。图5-14发电机母线逆调压的效果简单系统接线图；电压分布情况对于有若干发电厂并列运行的电力系统，利用发电机调压会出现新的问题。......
2023-06-15
-
光伏发电系统及其发展历程详细阅读
早期的光伏电池，其光电能量转换效率很低，生产成本高昂。1954年，美国贝尔实验室第一次做出了光—电转换效率为6%的实用型单晶硅光伏电池。如果再对多晶硅的基材进行掺杂处理就可制成非晶硅光伏电池。1976年，非晶硅光伏电池首次被研制成功。目前，全世界非晶硅光伏电池的年生产能力已远超50MW，其生产成本也大幅降低。迄今，应用较广泛的光伏电池主要有两类：多晶硅光伏电池和非晶硅光伏薄膜电池。......
2023-06-23
-
流体力学应用领域探析详细阅读
如前所述，流体力学研究流体流动时，内部的性质变化、运动的基本规律以及流体和作用物体的相互影响，所以流体力学几乎应用于所有工程。人工心脏、心肺机、自助呼吸器等的设计都要依据流体力学的基本原理。因此流体力学在工程与科学的应用上可以说是非常普遍的，其应用大概包括了水力与土木工程、交通运输工程、能源工程、环境工程、气象工程、生物医学工程、冶金工业与体机械工程等领域，如图1-2所示。图1-2 流体力学的应用范畴示意图......
2023-06-29
相关推荐