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我们对人类的贡献59公路化学液泄露快速收集方法: fmjzzh 2017-9-3 00:28; 我们对人类的贡献59 公路化学液泄露快速收集方法 1、水泥沙混合阻断技术； 2、插接管道引流技术； 3、玻璃砂浆喷射覆盖技术； 4、金属加工废弃物填埋处理技术； 5、污染气流悬浮收集技术； 6、悬浮罩集气净化处理技术。天津滨海纵横管网工程技术鉴定研究院天津博聚缘轻工日化鉴定科学研究院上海神宠节能工程设计事务所天津施为安全防护技术研究院一就专利设计服务股份有限公司天津艾尔羚密封工程设计院天津根源机电技术研究院天津建能电力设计院微信18616523185 qq342730465; 个人分类: 灵感语录|190 次阅读|0 个评论

三个关于气泡、液珠、射流的有趣的实验: 热度 6 zhongwei2284 2016-9-14 15:00; 1. 气泡的破裂当水面上漂着一个半径为 R ，厚度为 h 的气泡，一切都是那么安静。突然，一个想法冒出，如果用针在这个小气泡上面扎一个小孔，接着会发生什么呢？又会有什么规律可以被发现呢？ Henri Lhuissier 和 Emmanuel Villermaux 就做了这样一次有趣的尝试。实验发现，针扎出的小孔以一个稳定的速度值 V （）向外扩张，由此来平衡表面张力的作用，并在小孔的边缘收集着扩张过程中，所经之处的气泡膜上的水分。大小为的向心力作用在与气泡膜相正交的方向上，其中包含了波长尺度为的瑞利 - 泰勒不稳定性产生的贡献。而用以描述气泡的行为则取此波长尺度的几何均值，即 Fig.1-1 图 a 展示的是气泡在破裂的某个过程中的图像，其中可以清晰的看到气泡边缘产生的带状现象。 b 则是一个完整的破裂过程，此时的气泡半径为 10mm ，时间间隔为 2ms 。图 c 和图 d 展示的是不同的气泡半径和时间间隔产生的不同的特征波长，其中图 c 的气泡半径为 14mm ，时间间隔为 5ms ，此时特征波长约为 2mm 即；而图 d 中气泡的半径为 11.5mm ，时间间隔为 1.33ms ，此时的特征波长为 0.8mm 。带状的现象产生于气泡边缘的不稳定的凸起的冠处，并且受到了向心力的拉伸。最终，由于毛细不稳定性，带状分裂成许多小水珠，形成喷雾，具体可见图 e 。此时，细小水珠的分布半径是固定的，因而将产生的此种细小的水珠称为“ flim drops ”。自然界中被浪花携带进去的水珠中会产生此种类似的现象。注：本文基于文献 Henri Lhuissier and Emmanuel Villermaux, Physics of Fluids 21,091111 (2009); doi: 10.1063/1.3200933 2. 粘性气泡中的射流 Fig.2-1 射流在两个相互作用的气泡中的产生和随着时间的演化。所用的时间间隔为 1/500s ，空气流率为 1L/min ，所用针头的半径为 1.8mm ，粘性系数为 100mPa · s ，流体高度 h=100px 。 T. Seon 和 A. Antkowiak 利用实验，研究了在一个气泡状的结构中，大的气泡的产生和其动力学。利用一个完全淹没在粘性液体中的针头，以一个稳定的空气流率将空气注入这种粘性液体中。当注入空气时，空气流率很小的时候，泡装装置下方的粘性液体中可以产生一个独立的大的气泡，并且呈半球状。但是，当注入的空气流率足够大的时候，将产生两个相互作用的气泡。上方的气泡将吸允下方的气泡，并产生尾流。下方的气泡由于非线性不稳定性的作用，产生了一个射流。当流率继续加大，产生的射流一直往上，最终，射流冲破了气泡的包围。 Fig2-2 注入的空气流率为 3.5L/min 时产生的一个 375px 高的射流。注 1 ：此文视频连接为： http://dx.doi.org/10.1063/1.3640015 注 2 ：本文基于文献 T.Séon and A. Antkowiak, Physics of Fluids 23, 091103 (2011); doi:10.1063/1.3640015. 3. 液珠中的气穴现象 Fig3-1 液珠顶部产生的空化气泡的膨胀和塌缩形成液体射流的过程。液珠底端水平宽度为 6mm ， (b)-(d) 展示的是空化气泡产生后 40,120 以及 200us 后的现象。蒸汽气泡或者称为空化气泡的快速动力学过程往往会产生难以置信的丰富的动力学。当一个气空化气泡向外膨胀，最终塌缩进一个液珠中，会产生两个向上的射流（图 3-1(a) ）。第一个射流产生于气泡一开始膨胀和塌缩的时候，而二次射流则产生于气泡塌缩进液珠之后。图 3-1(a) 的图片拍摄于气穴产生之后 400us 的时间，我们可以看到中心的射流被环状的射流所包围，而两个射流的顶部都由于不稳定性而破碎成液珠。而在液珠内部的空化气泡会产生一个向下的流动，最终会破碎成一个圆环状，从图 3-1(a) 中我们仍然可以看见这个圆环状的存在。图 3-1(b) 展示的是在液珠顶端气穴气泡形成 40us 之后的现象，气泡大约在 120us 的时候开始塌缩进液珠里（图 3-1(c) ），此时开始产生向上的射流以及在液珠中心产生一个射流带动气泡向下运动最终形成一个圆环状。由于内部的气泡的再次膨胀，一个柱状的向上的射流产生了（图 3-1(d) ）。注：本文基于文献 LammertHeijnen, Pedro Antonio Quinto-Su, Xue Zhao, and Claus Dieter Ohl, Physics ofFluids 21, 091102 (2009); doi: 10.1063/1.3200931.; 个人分类: 生活与自然|11092 次阅读|6 个评论

Liquid jets 之从液滴到射流的转变: 热度 3 zhongwei2284 2016-5-4 09:50; 第一节：水龙头上的射流我们的生活周围经常可以看见各种射流。射流即流体喷射到周围介质中形成的流体运动。当我们拧开水龙头的时候，水流倾泻而下，这是我们生活中最常见的射流了。看上去一个很简单的现象，但其中，依然有许多有趣的故事。 Fig.1 水龙头上的射流 .a,是周期性的液滴（Dripping）阶段；b为准周期或者混沌态的液滴滴落阶段；c,d都是形成了喷射流（Jetting）的阶段，c射流破坏的早一些。日常生活的经验告诉我们，打开水龙头，有时候是一滴一滴水往下掉，有时候是连续的射流，从一滴一滴水到射流的整个过程，到底发生了什么呢？第二节： The transition from dripping to jetting ----Clanet Lasheras 的工作 2.1 。从液滴到射流的三个阶段 C. Clanet和J. C. Lasheras 1999年的文章专门介绍了水龙头上的水从一滴一滴往下落，到转变为连续的射流的故事。从液滴到射流，大体可以分为三个阶段，主要依据韦伯数的大小来进行分类。其中，V 0 为流体到达管口的速度，D为管的内直径，D 0 为管的外直径，σ为表面张力，ρ为液体密度，液体的运动学粘性系数为ν。整个过程的示意图如下 Fig. 2 D = 2:159 mm and Do = 2:769 mm:(a) We = 0:063, (b) We = 1:73, (c) We = 2:3. 第一阶段：即液滴一滴一滴的形成，然后往下滴落（Fig.1a），该阶段称为Periodic Dripping，此时，液滴的形成是周期性的。1864年，Tate研究了管道口液滴的形成过程，并提出了著名的Tate定律，即所产生的液珠的质量与由毛细作用能够承受的水的质量成正比，其总结的公式表述为：（1）其中，M为产生的液滴的质量，R 0 =D 0 /2。1899年，Rayleigh通过量纲分析得到了如下表达式（2）其中，a为毛细长度，对水而言，a约为3.8mm。函数f的具体表达形式由实验来决定。 Fig.3 展示了相关的实验结果。 Fig.3 Harkins Brown 因子，利用得到的公式（2）以及实验结果Fig.3，这是一种著名的实验上进行测量液体的表面张力的办法，称为“Drop-Weight Method”。只要多次测量特定条件下滴落下来的液珠的质量，以及相应的参数，与实验结果进行比较，便可以得到液体的表面张力了。从实验结果Fig.3可以看出，当R 0 /a1的时候，液滴几乎呈完美的球形，此时，整个结果便和Tate的结果一致了。当R 0 /a的值增加，液滴的形状开始改变不再是球形。第二阶段：当韦伯数慢慢增大，会达到第一个阈值，此时虽然还是液滴滴落过程，但是，液珠的分离已经开始变成了准周期的了，甚至是混沌的，称之为Dripping Faucet阶段。这个过程只在非常短的参数区间内出现，有许多研究者将其作为一个很好的非线性系统来研究混沌动力学，包括混沌吸引子等，如Martien et al . 1985，D’Innocenzo Renna 1996. 第三阶段：随着韦伯数的继续增大，产生了连续的射流（射流长度大于10D 0 ），此时在达到第二个阈值的时候，发生了从液滴到射流的转变过程。由于Plateau-Rayleigh 不稳定性的存在，在足够远的地方，射流任然会被破坏变成一滴一滴液滴落下。 2.2. Clanet和Lasheras的研究中的参数区域与实验结果在 Clanet和Lasheras的研究中，要求管内直径足够小，从而可以忽略Rayleigh-Taylor不稳定性的影响，使流体表面能够稳定。由于研究过程中认为，惯性、重力及表面张力起主要作用，因而也不考虑粘性的影响。另外，管的厚度即D 0 -D足够小使得流体流到管口后可以完全浸润整个横截面。具体的参数范围如图 Fig.4 Fig.4 研究的参数范围，其中 Bo 为 Bond 数， Bo=D/a ，通过实验，首先得到了不同的管外直径条件下，临界速度的取值（ Fig.5 ），在参数图中，该结果把三个不同的阶段完全分开了 Fig.5 不同区域的边界再回到图 Fig.2 中，我们可以看到产生液滴的时候，从出口到最远端的距离为 Z tip ，实验得到了其随着时间的演化图 Fig.6 Fig.6 Z tip 随时间的演化。左图 We=0.0045 ，右图 We=1.6 从 Fig.6 中可以看到，一开始的周期性的产生液滴（ Periodic Dripping ）到一个双周期的过程（ Dripping Faucet ）。这让我们直观的看到了两者的区别。关于有意思的类似于磁滞现象的效应这里则不多介绍。 2.3. 从液滴到射流的转变模型 Fig.7 悬挂的液滴的动力学模型速度 v=dz/dt, 利用 Taylor （ 1959 ）的结果，考虑各种力的作用，可将模型写为（ 3 ）其中 S= πD 2 /4为射流的横截面积，为射流速度的绝对值。由质量守恒可得（ 4 ）所以（ 5 ）该方程有精确解（ 6 ）其中 Fig.8 解的抛物线性质最终，得到了临界的韦伯数的表达式（ 7 ）达到临界韦伯数时，流体运动从复杂的液滴滴落变成了连续的射流。除了上述的结果之外，还有一些很有意思的动力学行为，如 Clasen 等人的工作，向我们展示了非常有趣的液滴到射流的转变过程。他们称之为 Gobbling 的现象是在末端的形成了非常大的液滴，而该液滴以及各种力的相互作用导致了非常丰富的动力学行为的产生。可见参考文献 2 或者相关视频 . Fig.9 Gobbling 现象：巨大的末端液珠产生的复杂的动力学行为第三节： Plateau-Rayleigh instability 射流在重力的作用下往下落，长度不断在增加，当达到临界值的时候，无论之前产生的射流看上去多么完美，在表面张力的作用下，射流不再继续保持柱体形状，变成了许多小液珠落下，因为有 Plateau-Rayleigh 不稳定性的存在。 1873 年， Joseph Plateau 最早利用实验描述了这种不稳定性，之后， Rayleigh 勋爵利用理论分析得到了相应的结果。这种不稳定性来自于外部的小的物理扰动。对于真实的物理系统而言，微小的扰动往往是不可避免的。对于这种不稳定性，具有广泛的运用，相应的理论分析可以用在纤维或者圆筒竿上的液膜的行为，这种液体膜此时也是不稳定的，当微扰增大的时候， Plateau-Rayleigh 不稳定性也在增加。此时，粘性效应以及液膜的亲水性变得非常重要，但是，就这种不稳定性导致的一般行为而言，柱状的流体变成了许多的小液珠这点此时也会产生。此外，液珠击打到静态的液体表面时，水花的飞溅也与 Plateau-Rayleigh 不稳定性具有极大的关联，溅射的边缘可以用一个不稳定的柱状体来模拟（ Deegan, 2008 ）。除此之外，时空稳定性问题中，也有用到了 Plateau-Rayleigh 不稳定性的（ Cardoso, 2006 ）。流体的不稳定性在生产实践中也有许多的应用。对于 Plateau-Rayleigh 不稳定性，这里只是简单提及，不稳定性是流体力学中的一个重要的话题，因而需要更多的学习和研究。 Fig.10 蜘蛛网上的小液珠部分参考文献： 1. C. Clanet J. C. Lasheras, 1999 Transition from dripping to jetting. Journal of Fluid Mechanics 383, 307 – 326. 2. C. Clasen, J. Bico, V. M. Entov and G. H. McKinley (2009). ‘ Gobbling drops ’ : the jetting – dripping transition in flows of polymer solutions. Journal of Fluid Mechanics, 636, pp 5-40 3. O. Breslouer, 2010 Rayleigh-Plateau Instability: Falling Jet. Final Project Report 4. https://en.wikipedia.org/wiki/Plateau%E2%80%93Rayleigh_instability; 个人分类: 生活与自然|13300 次阅读|3 个评论

Liquid jets之waterbells: 热度 6 zhongwei2284 2016-4-30 23:20; 第一节：一枚硬币与 waterells 很多时候，一些很小的举动可能带来一些意想不到的东西。当打开水龙头，水往下流出，这个时候如果遇到一个障碍物会怎么样呢？哦！肯定是飞溅出去了对不对？这个答案似乎是对的，但是又没有那么简单，当我们用一枚硬币如下图所示放置便产生了美妙的 waterbells 。 Fig.1 Waterbells Waterbells 是一个很经典的问题， 1833 年的时候 Félix Savar t 的一系列文章中对 waterbells 的条件以及相关的影响因素进行了系统的分析。之后又有 Boussinesq （ 1869 ）在理论上对 waterbells 的形成的研究，之后还有许多人都对这个经典的问题非常感兴趣并做了许多细致的分析，包括它的形成、形状、内部的气体运动等等。之所以大家对之一直饶有兴趣，因为它实在是太美丽了，大自然能够给我们带来的惊喜确实是非常棒的一件事情，只是，现在对于我们而言，知道的依然不够。第二节：是 waterbell ，而不是一个气泡 Fig.2 一个用来描述气泡 (a) 以及 waterbell(b) 的草图 Fig.1 中的右图看上去是个较大的气泡，然而，它真的是气泡吗？如果不是，那么 waterbell 与气泡又有什么区别呢？ Fig.2 中的 a 图是一个气泡的图略，对于一个气泡而言，选定的微元的表面积 S ，法向向量以及微元的质量 M 由气泡内外压强差导致的压力以及气泡表面的毛细力，其中 R 1 和 R 2 分别为在平面上的曲率， 1 和 2 表示取定的微元的内外两个面。故而，气泡的内外力的平衡可以表示为对于肥皂泡而言， R 1 =R 2 =R ，最终可以得到。而对于 b 图中的 waterbell 而言，此时，忽略重力的作用，内外的压强差不存在，微元的质量为，由向心力与毛细力的平衡可以得到对于之前的气泡而言， R 1 和 R 2 可以任意对调而不会对结果有任何影响，然而此时，对于 waterbell ， R 1 和 R 2 的对调将不能够进行，因为和表面张力相反的力仅仅依赖于曲率 1/R 1 。此时， Waterbell 是否闭合取决于微元外部的曲率。第三节： Waterbells 的形状经过许多伟大的物理学家的研究 (Boussinesq (1869),Taylor(1959)，Clanet (2001)) ， Waterbells 的形状由水流的惯性力、表面张力以及重力的平衡决定。 Fig.3 waterbell 形状的推导用的图示通过 Fig.3 的图示来推导关于 waterbell 的形状。其中，平面上的曲率表示为。由质量守恒原理可得，其中，是 r 处的平均速度。此时的流体认为是内部无旋转的，即流体不会从 A-B-C-D-A ，也就意味着 waterbell 中由内部到外部的速度的变化规律为稳态的无旋流动的欧拉方程为可得，其中。其法向分量沿着 A-B 积分可得其中为内外压强差， C A ， C B 为在 A,B 处的总曲率，方程的左边可以利用展开式示为，总曲率 C A ， C B 可以分别表示为 C A +C B 可以表示为，所以之前得到的描述 waterbell 形状的方程可以改写为其中速度和长度分别用 U 0 和进行无量纲化，，度量重力的影响的项，度量压强差的影响项为 . t 方向的分量可得，其可积分得到当取的极限，即韦伯数很大的时候，系统变成了 1959 年 Taylor 考虑的情况即为了对相应的结果进行验证，一个研究流体力学道路上的年轻小伙子 S.Wildeman 对其做了一个有趣的验证，他在自己宿舍用简单的工具得到了一个漂亮的 waterbell ，然后结合他推导得到的相应条件下的 waterbell 的形状方程，理论的结果和他做出来的 waterbell 完美的吻合，简直是一种难以置信的美。 Fig.4 S.Wildeman 做出来的 waterbell 与理论计算结果的比较,蓝色的线为理论计算的结果第四节：其他对于 waterbells 的研究，它的稳定性问题一直得到了很多关注。另外，有许多研究者专门研究了旋转的 waterbell 以及多边形的 waterbell ，甚至是当一个固体或者小液珠击打到液体表面时，产生的反向的 waterbell 。这些研究丰富了我们对于 waterbells 的认识，更让我们感受到了大自然的更多美丽的东西。 Fig.5 左图为多边形的 waterbells ，右图为旋转的 waterbells 最近几年， H.Lhuissier E.Villermaux （ 2012 ）还研究了当流体的流量减小后， waterbells 的表面褶皱的的许多细节问题。 Fig.6 流量急剧减小产生的表面褶皱的 waterbells 关于 waterbells 的更多的知识，可以参考 Clanet(2001 ， 2007) 的文章，里面包括了更多的计算细节以及相关话题的讨论。此外，关于 waterbells 的还未被人们了解的问题在 Clanet 的文章中也有仔细的介绍。作为研究道路上以及热爱生活的美好的每个我们，未来还有许多挑战等待我们去克服。现在，安静下来，好好看看书，思考问题，然后，拿起笔和纸，让更多深刻的，美丽的奥妙在公式与文字中飞舞吧！参考文献： 1. G. Taylor, The dynamics ofthin sheets of fluid - I. Water bells, Proc. R. Soc. A 253, pp. 289-295(1959). 2. C. Clanet, Dynamics andstability of water bells, J. Fluid Mech.430, pp. 111-147 (2001). 3. C. Clanet, Waterbells andLiquid Sheets, Annu. Rev. Fluid Mech. 2007. 39:469–96. 4. http://www.phikwadraat.nl/water_bells/. 5. H. Lhuissier, E. Villermaux, Crumpledwater bells, J. Fluid Mech.693 pp.508-540 (2012). 6. E. Dressaire, L. Courbin, A.Delancy, M. Roper, H. A. Stone, Study of polygonal water bells:inertia dominated thin film fows over microtextured surfaces, J. Fluid Mech.(2013),721 ,pp.46-57. 7. F. H. Bark, H.P. Wallin, M. G.Gallstedt, L. P. Kristiansson, Swirling water bells, J. Fluid Mech.(1979),90 ,pp.625-639.; 个人分类: 生活与自然|6072 次阅读|11 个评论

重大突破：射流空化反应泡合成氨作为副产品的液压发动机！: 热度 5 kiwaho 2015-7-17 21:29; 懂化学的读者都知道合成氨的反应式虽然简单，但是由于双原子氮气分子强壮的 3键紧箍咒，使得工业合成异常艰难。虽已有成熟的Haber法可用，但由于其高能耗低产率的生产过程，化工界心里总有点不舒服，毕竟能源非小事啊。当今世界天然气产量的10%都拿去合成氨了，能不吃着碗里想着锅里啥时候断顿？腾锅换灶研新方一直萦绕在心头。与此相关的发明，两次诺贝尔奖都颁下去了，仍不见传统合成法啥时退出历史舞台，仅有的改良无外乎催化剂的换来换去。我今天要怀着激动的心情向世界宣告：合成氨的新方子我抓到啦， vene，vidi，vici！该方法寄生于一种新型的射流器发动机，在输出轴功的同时，顺带合成氨，一箭双雕，两全其美，不亦乐乎？来、来、来，还是来玩味一下这两个化学反应式： O 2 + 2H 2 = 2H 2 O ( ΔH = - 483.6kj) N 2 + 3H 2 ⇌ 2NH 3 ( ΔH = −92.4 kJ) 上述两式本质上并无不同：都是放热反应，只不过前多后寡，前易后难。前者大家耳闻目祥，初中生都知道的氢氧燃烧一溜烟水；后者待遇一落千丈，除了大胆特立独行的我外，没有人敢称之为燃烧！氧气双键的离解能为 498kj/mol ，不大也不小。之所以氧气与燃料混合后，需要点火才能启动燃烧，是因为需要外部触发能量，拆出第一批游离单原子氧参与反应。一旦点火完成，点火器即刻就可以收起它的神通了，因为后续反应需要的原子氧，由上一时刻反应释放的高能光子，充当可持续的“虚拟点火器”绰绰有余。因而燃烧本质上是一个有能量盈余的链式反应。对比：氮气三键的离解能高达 949kj/mol ，这就比氧气几乎翻一倍了。触发能量固然可以整出几个活化的氮原子，与氢反应后，也确实能搞出几个氨分子，还能释放46kj/mol的能量。可是这点能量不够自给自足解决后续氮分子的离解，没法像氢氧那样绰绰有余的潇洒。显然外部点火器就不能收起它的神通了，必须一直出力干活。应对这种困境的获得了炸药奖的 Haber法，采取了高温高压的合成条件：450℃ , 300大气压，加铁基催化剂。没治了，这样的物理条件，能耗是降不下来的，尽管总反应是放热的，那又怎样，不过是给工厂所在社区增加热岛效应而已，为全球暖化添乱。我的射流器合成氨巧妙解决了这一难题。比例合适的氢气、氮气加适度氧气混合后，先经紫外线或高压电弧预处理，后被射流负压吸入射流器歧管，被水流空化裹挟后，空化泡的局部压力温度急著上升至引信氧燃烧，级联触发氢氮合成氨，生成的氨瞬间溶于水，回收了凝结潜热。与此同时，超声震波效应赋予流体更多动能，冲击水轮机发电或直接轴功输出。 Haber法非常讳忌氧气的混入，因为那会导致强釜飞灰烟灭，造成恶性重大爆炸事故。我的新法尽管剔出氧也凑合，但反而利用适量氧作为引信，助推反应速率，同时增大了发动机输出功率。毕竟该反应是双向动态平衡反应，因而射流冲击水轮机后，尚未反应用掉的、且不溶于水的氮气、氢气、氧气，又被引回射流器循环使用，而氨极度溶于水，就让它待在水里，等浓度高到一定程度之后，移出产品并补水。合成氨虽是放热反应，但放热量仅有氢氧反应的五分之一，故而基于此反应的发动机功率输出的能量密度只有氢氧同类机的 20%。即便这样，仍然值得开香槟庆祝，因为合成氨的商品附加值远高于宿主的能源生产，更何况传统哈伯法的只进不出的能源消耗呢！呜呼，这个关系地球全体球民的粮食安全的迄今难题，人类终于为其找到解决之道！但愿这项技术突破不要用来增加军火的供给，而是为饱受饥荒、战乱的地区带去光明和希望！鉴于该技术刚申请专利（US14/788884），为不至于破坏将来的新颖性审查，恕我不便透露过多信息。; 4482 次阅读|12 个评论

独创的射流水中沉浸式燃烧发动机--水与火的贴面热舞！: 热度 5 kiwaho 2015-7-16 22:24; 提到燃烧，人们自然会想到燃料与空气中的氧气，发生激烈反应形成火焰，并释放大量热能。那么，以水或其它液体作为惰性背景，还能发生燃烧吗？水火不相容是众所周知的，但人们往往知其然，而不知其所以然。水之所以能灭火，一方面因为它能阻隔氧气的源源不断流入，但更重要的是它抢夺了过多光子能量，削弱了双原子氧气分子离解为单原子氧的能力。氧气双键的离解能为 498kj/mol ，不大也不小。之所以氧气与燃料混合后，需要点火才能启动燃烧，是因为需要外部触发能量，拆出第一批游离单原子氧参与反应。一旦点火完成，点火器即刻就可以收起它的神通了，因为后续反应需要的原子氧，由上一时刻反应释放的高能光子，充当可持续的“虚拟点火器”。因而燃烧本质上是一个链式反应。可喜的是整个燃烧过程，产出的能量大于点火拆解氧气所需的内部能耗，因而仍能向外部供应大量热能。当大量水浇到火焰上，水的高热容可贪婪地吸收所有燃烧释放的光子，使得后续燃烧需要的原子氧断供，因为没有多余高能光子用于离解双原子氧气分子。设想在冰封的气穴内充满燃料和氧气，且按完全燃烧调配混合比。用高压放电点火后，肯定燃烧不会受影响，且反应生成物水气会快速凝结成液态水，如果冰块足够冷的话，生成的液态水也会很快冻结到冰壁上面。显然，如果改用静态水液，形成大的气穴比冰难得多。但如果让水高速流动起来，把按比例混合好的燃气裹挟进来，形成大量微气泡，在流程沿途越裹越紧，直到气泡直径至少压缩 3 倍以上，想想看会发生什么？我们知道柴油机的气缸体积压缩倍率，即行话所说的压缩比，约为 20 倍。压缩冲程完毕时，气缸内温度至少 400 度以上，超过柴油的引燃温度，因而柴油的点火不象汽油那样需要火花塞，而是靠简单的压燃。再回过头看前面提到的气液两相流。直径压缩 3 倍，意味着体积压缩了 3*3*3=27 倍，显然这时气泡内温可以自燃任何常规化石燃料。能点燃是一回事，能否持续燃烧就是另外一回事。如果气泡直径压缩比维持在 3 倍，因周围水对光子的贪婪吸收，蚕食了链式持续离解出氧原子的能量，有可能导致熄火。所幸在射流器非平衡工况下，气泡可以被持续压缩，且比用活塞压缩轻松多了，轻易压缩百倍千倍。流体力学的观测实验早就证实：空化泡溃灭引起的局部极限温度可达 5000 度以上，压力可达 1000 个大气压以上！有些科学家甚至基于此特性，研究超声空化声致发光。例如刘岩教授就是这方面的专家。因而，不似通常以水毯覆盖火苗那样的灭火效果，这里描述的射流沉浸式燃烧是可以持续的。尽管微穴被水围得水泄不通，但燃烧过程绝大部分能完全进行。水气生成物就地凝结吸收，二氧化碳基本不溶于水，该咋地就咋地，最后随射流逸出排放。沉浸式燃烧将在射流器的混合区产生强劲的超声激波，喷出后撒野奔向水轮机，将燃烧释放的能量转化为动力扭矩。排气管消音器排出的只有干净的二氧化碳和氮气，其它燃烧产物：水气和二氧化氮被水体吸收。因而系统水箱总量会随射流引擎运行时间而增长，且逐渐趋于酸性：因为 NOx 吸收后生成了硝酸。伴随而来的问题是：这种发动机的水箱、缓冲池、水轮叶片需要考虑耐酸腐蚀。如果用纯氧和纯氢气1：2摩尔数混合当燃气，因仅有唯一的水气产物，直接凝于水体得了，因而不再要排气管，且开放式水轮机可换成体积紧凑的液压马达，酸腐蚀的烦恼也一扫而光。基于这一前沿技术开发的引擎，其另一重要特点就是不挑食：汽油、柴油、液化气等一股脑通吃，仅需要改变空然比和化油器参数（如果液体燃料的话）。这是现有四冲程发动机望尘莫及的。总之，这种焕然一新的燃烧新技术堪称水与火的贴面热舞！申请专利后，目前我正寻求发动机生产厂家的协作，希望将此类发动机尽快用到家用轿车。它的另一个受用户欢迎的特点是汽油柴油通吃，转换时仅需适当调整燃气比等参数。下图为原理示意图：; 4294 次阅读|18 个评论

射流器流化床反应“釜”，将化工合成寄生到能源生产中一举两得: 热度 1 kiwaho 2015-7-14 08:17; 众所周知，水电站完全依赖于天然河流的不起眼的水头和恢宏的大流量。然而水电资源基本上是上帝的恩赐，三门峡如此，举世瞩目的三峡大坝也如此，只不过其人工雕琢的痕迹太过夸张而已。通常来说，水电资源的压头都不惊人，著名的三峡也不过80 米，即8 个大气压而已，而更低的压头，e.g. 1个大气压, 占去绝大部分比例。显然，其能源产量拼的是大流量、高洪峰。因而占地规模、机组体量都是大块头的家伙。要是河流能产生类似常规液压300 多大气压的压力，小巧轻便当然就不成问题，不过梦想而已。古老的射流技术，在小尺度规模上模拟水电资源非常容易。在产生超声震波的条件下，让三通射流管产生类似水电河流压力，区区几个大气压自不在话下。在我发明的、当惊世界殊的基于魏氏热力学循环的射流热机隆重推出后，忽然发觉中小型能源生产，甚至家用型的，都蕴藏巨大的市场潜力。射流器的超声震波特性，为人造“水电站”的应用，实实在在打开了一扇充满希望的窗口！再进而想到很多化学反应都是放热反应，为何不直接利用这白捡的反应热，而要去花大价钱烧锅炉呢？注意：只有放热反应且放热量高到一定程度的反应，才能用于能源生产噢，且放热率高高益善。吸热的就免了吧，本身就不是省油的灯。例如下列反应可用于射流器水电模拟： H 2 O + H 2 O + H 2 O + H 2 O + H 2 O + H 2 O = 6H 2 O ( ΔH = 凝结热，每单分子水约0.5eV电子伏特 ) 上述为气凝结成液体反应。一般来说水气为单分子，液水为多分子氢键聚合物（通常6分子团），理论上是不同物质，但习惯上认为同一物质； 2H 2 + O 2 = 2H 2 O - 483.6kj 上述为沉浸式氢气燃烧，燃烧唯一产物水气立即被凝结，故而发生内爆。水床大湿收起你的神通吧，本应用仅要反应热； 3NO 2 + H 2 O à 2HNO 3 + NO (ΔH = -138kj) 上述为脱硝反应； SO 3 + H 2 O → H 2 SO 4 (ΔH = -228kj) 上述为脱硫反应； Ca(OH) 2 + CO 2 à CaCO 3 + H 2 O (ΔH = -69.8kj or 944kj/kg) 上述为固碳反应； NaCl+NH 3 + H 2 O + CO 2 = NaHCO 3 + NH 4 Cl (ΔH = -115kj) 上述为固碳反应制小苏打，又称Solvay（索尔维）制碱法；这样看来，一套优秀的魏氏射流热机，配上一个内嵌的寄生化工厂完全可行！我已经申请专利的此类应用涉及： 1、传统火电厂废热固碳技改蓝图+ 具有纯碱生产的一揽子方案。 2、传统火电厂废热脱硫脱硝技改蓝图+ 具有硝酸、硫酸小规模生产的一揽子方案。 3、更多的类似项目。。。化工工艺流程很在乎反应产率和反应速率，而各反应物在反应器中可能的流速约 10m/s 左右，流过有限长度的射流管，费时也就若干秒量级。除非反应过程极易进行，通常液压流体冲击水轮机做功后，反应仅完成某个百分比。所幸全部液体、气体、中间产物都可以在射流循环中反复经过。浓度监控传感以及集中控制模块，可参与生产物分离、物料补给等工艺环节。针对特定的化学反应应用，射流器、水轮机叶片、缓冲容器等等流体接触材料，可能有抗酸碱腐蚀的要求。你可知道煤电厂每度电的二氧化碳排放高达1公斤？你可知道酸雨正在威胁生态安全？你可知道雾霾正在毒害公众健康？解决所有这些问题并非易事，我期盼我的系列发明将为人类的绿色生活带来曙光！我坚信，不远的将来，原始水电站在整体能源生产版图中的重要性必将逐渐褪色，与此同时化工厂的能耗将大幅降低，甚至能够从能源生产副业中牟利，或至少解决化工厂自身能源消耗，哪怕略有盈余贡献给社会电网也好。; 3967 次阅读|2 个评论

变声速增压射流热交换及魏氏热机☃☃☃: 热度 7 kiwaho 2015-7-4 07:43; 上一篇博文介绍了无处不在的马克斯韦“水妖”，暗示大自然的很多能源被无形的等温水蒸气带走，人类却不知如何回收这些能源。要是真有马克斯韦妖，倒是不发愁，因为人类最擅长的就是：在高低温热源之间，通过高温高压气体膨胀做功获得动力。虽然面对马克斯韦“水妖”一时无所适从，但幸运的是人类一直在离真理不远的门口徘徊。瞧瞧如今的节能市场卖些啥东东就可窥见一斑：变声速增压热交换器，即两相流喷射式热交换器，广泛适用于汽—水换热的各个领域。正是如今市场炙手可热的废热利用产品。它以蒸汽为动力，通过汽水压缩混合，使水温瞬时升高，利用压力激波技术达到无外力增压的效果，显著的节能和增压特点大大降低了用户使用成本，可取代传统的热交换器。变声速增压热交换器是一种混合型汽—水换热设备，蒸汽经过射流感应的负压引入混合腔，与经过被加热水在蒸汽冲击力作用下均匀混合，形成具有一定计算容积比的汽水压缩混合物，当其瞬间压缩密度达到一定值时便形成了两相流体场现象。在场态的激化下，该混合物的声速值出现突破声障临界的过渡性转变，同时爆发大量压力激波，压力激波单向传导特性，使瞬间达到设计温度的热水在不变截面管道中，出现压力升高却不回流现象。变声速增压热交换技术，是以两相流体场的有序激化，强制完成“瞬时换热+无外力增压”双效应。别被“超声”唬住了，在两相流应用场合，混合相内声速也就区区10m/s左右。至于射流器的几何结构设计，真还找不到成熟的数学模型。一般通过反复试验优化，能得到满足应用需要的结构数据。这类技术改造项目，通常不需要增压水泵，因为这玩意“自带动力”！归根结底，动力来自蒸汽凝结收获的潜热兑换出来的超声激波射流力。这就比普通热机从气体膨胀取功大大前进了一步。从不可压缩流体取得的功，又称液压动力，效率那比气体压缩膨胀高了去了！到处可见的水电站玩的就是液压功。魏氏热机放弃气体膨胀取功，而改道从射流器液压取功，犯不着将高低温差拉高到1000+摄氏度，以迎合卡诺循环的“低级趣味”，这正是千瓦厚的技术独创！由此诞生新的热力学循环，姑且居功自伟为魏氏热力学循环，历史不久将证明，它是传统Rankine循环的革命性升级版！ Rankine循环追求高低温落差，是因为被卡诺循环的效率计算公式卡住了脖子，不得已而为之，随之而来的代价也是惊人的：昂贵苛刻的汽轮机叶片的耐高温材质、锅炉的加速氧化折旧等。魏氏循环不在意蒸汽温度，低于、等于、高于液态水温度，都可以工作。“低于等于”的模式，可以用于环境蒸发热自由能源的回收，“高于”模式则要烧锅炉。不同模式只是功率密度的差异，实测夏天阳光直射环境下，自由能源的轴功输出功率密度每方米约100瓦。斯特林 Stirling 外燃热机早就退出历史舞台，但迟迟没有找到合适的继任者。这下好了，从内燃机到外燃机，魏氏热力学循环将一网打尽！传统热机依靠气体膨胀轮Turbine或者多冲程活塞做功，而已申请美国专利的魏氏热机，其动力输出就是类似这样的水轮子，又称Pelton舀子：射流器的震波出口就对准它。功率 = 射流器压力增加量 X 流量。魏氏热机是流体力学与热力学的无缝衔接，首次实现了内燃机与外燃机的大统一，即一机多用，且只需要简单调整空燃比，即可实现汽油、柴油、液化气、氢气等不同燃料任意切换。水沉浸式、空化泡内爆式燃烧，可立即吸收生成的水气并脱硝脱硫一步到位。故事尚长，且听下回分解。。。。。。; 5861 次阅读|38 个评论

液滴击打水面时产生的像卡门涡街的涡量分布: 热度 9 zhongwei2284 2015-5-11 09:26; 先来欣赏两张卡门涡街的图片。卡门涡街是一种有趣又美妙的自然现象，但是此时和液滴击打水面又有什么关系呢？目前已知而言，液滴击打液面，可能产生出非常丰富的现象，例如 crown splashing （王冠一样的溅射）， Worthington jet （高速往上生长的射流），气泡，以及溅射出许多不规则的小液滴等。它们的产生都有不一样的机制。在实验中被观察到，大液滴在击打水面的过程中，在更加微小的尺度上可以看到会产生不同尺寸的小液滴，在高速击打时，这些小液滴的最有意思的来源是大液滴刚开始击打池子里的液面时，在大液滴与底下液面交界的地方产生一个很纤细的射流导致的小液滴的产生。此时的物理机制是在更高的雷诺数时，大液滴与液面交界的地方变得不稳定，产生了卡门涡街式的涡量分布。具体流程如下：在实验过程中，我们对两个参数感兴趣，一个是雷诺数 Re ，另一个是溅射参数 K ，其中， We 为韦博数，。 ρ 为密度， μ 为粘性系数， σ 为表面张力系数， D 为尺寸， U 为击打速度。我们只对 K 比较大的时候感兴趣，现在来对实验结果进行分类： K 很大时，雷诺数比较小的一个范围（更粘的流体），在液滴和水面之间出现的是平滑的射流（ smooth ejecta sheet ）； K 很大时，最大的雷诺数的范围，产生了许多分离的小液珠，并且产生了不规则的溅射（ irregular splashing ）；雷诺数为中间范围时，小的 K 值区域，此时击打的速度比较小，表面张力阻止了 ejecta sheet 的形成，但在交界面观察到了有凸起；雷诺数为中间范围时，较大的 K 值范围，此时 ejectasheet 得到了充分的发展；雷诺数为中间范围时，最大的 K 值区域，此时产生了有趣的现象，喷射流与液珠以及下面的液面之间具有很强的相互作用。以上结果均在 Fig.1 中所示实验结果表明，雷诺数在令上述现象转变成为不规则溅射的过程中起到了重要的作用，并且，展示了射流与液珠以及下面液面的相互作用的动力学，这些结果表明这种新的相互作用构成了不规则溅射的基础。为了进一步研究上述实验结果下面进行与数值结果的比较。如 Fig.2 所示的是参数取定某值的时候，随着时间变化实验结果与计算机模拟结果的比较。 Fig.2 进一步用数值模拟进行分析如 Fig.3 所示： Fig.3 ：此图显示的是涡结构。 (a)-(f) 红色区域为大液珠，蓝色的为底下液面，绿色的则为空气。每张图下方对应的则是涡量分布。 (a)-(c) 为固定很大的 K （）曾加雷诺数的结果； Re=1000,3552 以及 14500 ； (d)-(f) 是 K 比较小些的情况； (g) 为对应 (c) 的 earlyshedding 的情况，此时由于几何表面比较尖锐，因此表面张力具有很重要的作用。 (a)-(f) 尺寸为 0.1D ， (g) 的为 0.01D 。上图中出现了卡门涡街式的涡量分布。该数值结果也进一步表明了液珠与 ejecta 之间的相互作用对于不规则溅射的产生有重要影响。中通过实验观察到了相关的卡门涡街的现象并且对各种上面预言到的现象进行了验证。另外可变形的表面散布的涡为理论研究和进一步的分析增加了难度。 Question: 1、对该现象的理论依据是什么？ 2、 Marangoni 效应以及瑞利 - 泰勒不稳定性在这种现象中所起的作用是什么？ 3、此时出现的三维的不稳定性需要进一步的学习并且与其他圆柱绕流以及剪切层的不稳定性进行比较？内容来源文献： 1 、 M.-J. Thoraval et.al. Phys. Rev. Lett. 108 (26), 264506(2012). 2 、 A. A. Castrejón-Pita et.al.Phys. Rev. E 86, 045301(R)(2012) . 3 、 M.-J. Thoraval et.al. J. Fluid Mech.724,234(2012). 4、关于卡门涡街的图片来源于网络.; 个人分类: 生活与自然|14186 次阅读|11 个评论

浅谈全球鹰的热屏蔽: w312678856 2013-1-4 13:22; 个人分类: 风吹多了|216 次阅读|0 个评论

[转载]合成射流: WanghuataoHIT 2012-11-13 13:45; 电路设计用于合成射流喷射器的电子封装 -专利_2007 .pdf 英文版合成射流用于电子封装_uventix, Inc_US8035966B2_2011.pdf 气泡_三星合成射流激励器-2006.pdf 压电式微型合成射流器结构参数优化设计 2011.pdf; 0 个评论

厨房中的超声速现象: 热度 9 upflyzhang 2012-11-10 06:47; 厨房中的超声速现象张宇宁超声速是指物体的运动速度超过了声速（通常为 340 米每秒，即 1224 千米每小时）。目前大型民航飞机的巡航速度基本在 0.8 倍声速左右，战斗机的速度可以达到几倍的声速。当我们在厨房中将一个玻璃球投到一个较深的盛满水的容器中，你可能绝不会想到会产生超声速现象。但事实的确如此。图一描述了将玻璃球等物体投入到水中所发生的物理现象。随着玻璃球的下沉，空气占据了玻璃球下沉过程中经过的路径（图一 a ）。当玻璃球下沉到一定深度以后，由于水的重力和（可能的）表面张力的作用，空气和水交界处开始收缩（图一 b ）。在收缩过程中，由于内部（靠近玻璃球一侧）的空气被压缩，其压力高于外部的空气，这个压力差驱动内部的空气向外溢出。当边界收缩的一定程度的时候，将会形成向上的空气射流（图一 c ）。这里，射流指的是一小段快速运动的物质（通常为空气或者水）。例如喷气式飞机便是依靠其尾部通过涡轮喷气发动机向后喷出的高速空气射流产生的推动力前进的。实验发现，图一 c 中产生的向上的空气射流的瞬时速度竟然超过声速。在图一 c 中，我们也注意到随着水气边界的收缩而形成了很有趣的形状，即先逐渐收缩到最小截面积（称为喉部），然后再逐渐扩张。工程上很有名的“拉瓦尔喷管”就是这个形状。拉瓦尔喷管是瑞典工程师兼发明家拉瓦尔于 1888 年发明的，最初主要用在蒸汽轮机上。拉瓦尔喷管的主要作用是增加流体的流速，现在已被广泛应用于火箭发动机和航空发动机等领域。与常见的拉瓦尔喷管相比，图一 c 中形成的形状的边界并不是固定的，而是快速变化的。随着边界的收缩，“拉瓦尔喷管”的喉部被封闭（图一 d ），接着形成了一个向上的和一个向下的水射流（图一 e ）。你也可以在厨房里面尝试一下上述实验，选择盛水的容器一定要足够深才能够观察到完整的物理过程。图一向水中投掷玻璃球等物体过程中所发生的物理现象。（ c ）中箭头为产生的超声速空气射流的方向。图片版权归 Physics 杂志所有。参考文献 Stephan Gekle, Ivo R. Peters, José Manuel Gordillo, Devaraj van der Meer and Detlef Lohse. Supersonic Air Flow due to Solid-Liquid Impact, Phys. Rev. Lett. 104, 024501 (2010) – Published January 11, 2010 Daniel P. Lathrop, Making a supersonic jet in your kitchen, Physics 3, 4 (2010).; 个人分类: 趣说空泡|6768 次阅读|15 个评论

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