納米等離子體噴涂中納米顆粒多相流的數(shù)值研究項目摘要

納米等離子體噴涂技術(shù)中，納米顆粒的多相流基礎(chǔ)研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于應(yīng)用，特別是納米顆粒的聚并、飛行等的機(jī)理尚不清楚。本研究通過對納米等離子體噴涂中的納米顆粒多相流過程進(jìn)行理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究，達(dá)到以下目標(biāo)：給出流體介質(zhì)非連續(xù)性條件下納米顆粒所受的拖曳力、范德華力、屏蔽靜電力、布朗脈動力的表達(dá)式，用量綱分析找出不同雷諾數(shù)下的主導(dǎo)力；用拉格朗日方法直接數(shù)值模擬多個納米粒子的聚并過程，給出聚并直徑與初始狀態(tài)的關(guān)系；制備納米顆粒懸浮液并測量聚并直徑，實驗結(jié)果用于驗證數(shù)值模型；建立等離子體射流中納米粒子飛行、熔化和碰撞過程的多相流模型；實現(xiàn)納米等離子體噴涂多相動力學(xué)全過程的建模，模擬不同參數(shù)下納米粒子的聚并、霧化、飛行、碰撞、熔化、蒸發(fā)和氧化過程；研究納米粒子初始直徑、懸浮液物性、霧化氣液比、射流溫度和速度、飛行距離等參數(shù)對噴涂效果的影響，為工程應(yīng)用提供理論依據(jù)。

納米等離子體噴涂是一項新興的材料技術(shù)，能在比較便宜的基體材料上沉積一定厚度的特殊物性的納米涂層，有著廣闊的市場前景。本項目在已取得的工作基礎(chǔ)上，對納米等離子體噴涂中的納米顆粒多相流過程進(jìn)行理論分析、數(shù)值計算和系統(tǒng)研究，圍繞粒子的霧化、破碎、聚并、受力、加速、熔化、蒸發(fā)等過程中所涉及的多相流問題進(jìn)行了深入的研究。建立了包括顆粒霧化、破碎、碰撞、凝并等完整飛行過程的的粒子多相流模型；模型給出了納米顆粒所受拖曳力、薩夫曼力、布朗脈動力等的表達(dá)式，確定了不同流場和不同顆粒條件下的主導(dǎo)力；考慮了多相流過程中二次霧化、碰撞、蒸發(fā)等對納米顆粒直徑變化的影響，計算了納米顆粒速度、溫度、熔化度等狀態(tài)參數(shù)，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好；同時，用該模型探討了高溫等離子體射流的工況，納米顆粒的材料、尺寸等對粒子飛行過程及其噴涂效果的影響，為工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

混合納米顆粒，特別是作為催化劑已應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但由于顆粒間力存在，極易團(tuán)聚，其優(yōu)良特性未得到有效利用。如何減少甚至消除其團(tuán)聚，是目前急需解決的難題。振動流化床已經(jīng)廣泛應(yīng)用在化工、生物制藥、能源、微電子等工業(yè)上，具有優(yōu)良的傳質(zhì)和傳熱特性，能破碎聚團(tuán)，無疑是一個很好的選擇，但振動對流化床中納米聚團(tuán)的破碎作用機(jī)理還不十分清楚，嚴(yán)重影響其工業(yè)應(yīng)用。本申請項目將以氣-固流化床中混合納米顆粒聚團(tuán)為研究對象，探討振動對混合納米聚團(tuán)的破碎作用機(jī)理。主要內(nèi)容為：1）研究振動大小和頻率對多種納米顆?；旌衔锪骰阅艿挠绊?；2）研究振動對混合納米顆粒聚團(tuán)的破碎規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型。3）納米顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)不同于微米顆粒聚團(tuán)的緊密結(jié)構(gòu)，因此，微米級顆粒的粘性能的表達(dá)式已不適用，需尋找一種新的表征方法；4）確定混合納米顆粒聚團(tuán)之間的碰撞能。最后，進(jìn)行計算與優(yōu)化，為混合納米顆粒的工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。 本項目通過對三種二元納米顆?；旌衔颯iO2/TiO2, SiO2/ZnO和TiO2/ZnO在振動流化床中聚團(tuán)流化行為和聚團(tuán)大小隨操作條件變化的規(guī)律的研究，得出振動能的引入可以有效的消除節(jié)涌、抑制溝流、降低最小流化速度、減小聚團(tuán)尺寸，顯著地改善了混合納米顆粒的流化質(zhì)量。一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SiO2和TiO2納米混合物在振幅為3.0 mm、頻率為40 Hz時，能夠正常流態(tài)化。頻率小于15 Hz的低頻振動對混合體系流態(tài)化的改善不大。納米顆粒在流化床中流化一段時間后聚團(tuán)才形成比較穩(wěn)定的硬聚團(tuán)。 針對混合納米顆粒振動流化床提出了修正的能量平衡模型，所預(yù)測的混合納米顆粒聚團(tuán)大小與實驗測量的混合納米顆粒聚團(tuán)大小一致。還通過Richardson-Zaki方程結(jié)合Stokes定律預(yù)測了混合納米顆粒聚團(tuán)大小，其預(yù)測值也與實驗結(jié)果一致。

混合納米顆粒，特別是作為催化劑已應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但由于顆粒間力存在，極易團(tuán)聚，其優(yōu)良特性未得到有效利用。如何減少甚至消除其團(tuán)聚，是目前急需解決的難題。振動流化床已經(jīng)廣泛應(yīng)用在化工、生物制藥、能源、微電子等工業(yè)上，具有優(yōu)良的傳質(zhì)和傳熱特性，能破碎聚團(tuán)，無疑是一個很好的選擇，但振動對流化床中納米聚團(tuán)的破碎作用機(jī)理還不十分清楚，嚴(yán)重影響其工業(yè)應(yīng)用。本申請項目將以氣-固流化床中混合納米顆粒聚團(tuán)為研究對象，探討振動對混合納米聚團(tuán)的破碎作用機(jī)理。主要內(nèi)容為：1）研究振動大小和頻率對多種納米顆粒混合物流化性能的影響；2）研究振動對混合納米顆粒聚團(tuán)的破碎規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型。3）納米顆粒聚團(tuán)結(jié)構(gòu)不同于微米顆粒聚團(tuán)的緊密結(jié)構(gòu)，因此，微米級顆粒的粘性能的表達(dá)式已不適用，需尋找一種新的表征方法；4）確定混合納米顆粒聚團(tuán)之間的碰撞能。最后，進(jìn)行計算與優(yōu)化，為混合納米顆粒的工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

<1>磁控濺射法形成Co/Zno多層交叉納米顆粒膜，經(jīng)過幾種不同溫度的退火處理，首次發(fā)現(xiàn)具有超順磁特性，實驗數(shù)據(jù)用Langevin函數(shù)進(jìn)擬合理論與實驗結(jié)果擬合較好，發(fā)現(xiàn)隨退火溫度的變化顆粒直徑漸變化，Co氧化物的出現(xiàn)對磁性產(chǎn)生影響<2>直流磁控濺射法形成Co/ITO多層交叉納米顆粒膜發(fā)現(xiàn)室溫下正磁電阻效應(yīng)<3>直流磁控濺射法形成Co/Ta多層交叉納米顆粒膜首次發(fā)現(xiàn)磁滯回線產(chǎn)生對稱臺階結(jié)構(gòu)<4>磁控濺射制出氧化亞銅顆粒膜，用于Cu/AIN堅合效果較好，對Cu/AIN直接堅合理論上有新解釋<5>化學(xué)沉淀法形成內(nèi)箝稀土納米顆粒氫氧化鎳膜，發(fā)現(xiàn)新的光電特性<6>氫催化單晶硅納米顆粒氧沉淀減少缺陷，應(yīng)用價值重大<7>硅鍺合金氧化有望納米顆粒Ge從硅鍺中析出產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)，形成新的發(fā)光材料。