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多孔软物质在地面交通工具中的应用
| 论文题名： | 多孔软物质在地面交通工具中的应用 |
| 关键词： | 软多孔材料;交通车辆;地面交通工具;润滑理论;运动模型 |
| 摘要： | 能源与环境问题已经严重地威胁到人类的生活，特别是高速增长的机动车辆，更加速了人类对有限资源的消耗及环境的污染，因此改进目前的机动车辆使其更高效与更环保成为厄待解决的问题。 基于润滑理论的基本原理，受到血红细胞在内表皮糖萼快速滑行及滑雪的物理原理的启示，本文提出了利用软多孔材料来加速车辆运动的创想，其在能量消耗和速度上要优于目前的磁悬浮技术。多孔材料由于具有孔隙率高、比表面积大等结构特点，已被广泛地应用在生物工程、静气压轴承、噪音吸收等工程领域。孔隙率的存在使得多孔材料在流体力学方面展现出独特的性质，空气静压轴承和噪音吸收装置正是利用了流体和声波在多孔材料内部的气压分布及振动特点而设计，并达到了很好的效果。 本文从N-S方程出发，推导并建立了基于多孔介质上物体的运动模型及修正后的雷诺方程，从理论上验证了此猜想的正确性和可实施性。并利用多孔环境下流体的Konzey-Carman方程进而引入了孔隙率、渗透率等参数，得到的模型更精确地描述了车辆在多孔介贡上的运动状态。通过Matlab数值模拟，得到气流受压之后产生的玉强最大值分布曲线，其呈类抛物线状；确定了Darcy渗透率、孔京率及单根纤维半径分别为5.0×10-9m2，0.92，5μm；随着倾斜角度的减小，车辆的速度将逐渐趋向最大值，相同角度时，孔隙率越大速度越大；在软多孔材料(SPM)上行驶时，车辆以很短的时间即可达到最高速度，在消耗相同能源的前提下，车辆行驶的稳定速度远大于普通车辆速度，理论值可达到720km/h；相比普通车辆，在SPM上行驶的车辆能节省大约80％的燃料消耗；其次，本文还利用车辆能量消耗与碳排放的模型得到了在SPM上行驶车辆的碳排放量曲线，结果表明，相对普通车辆，SPM能有效地将车辆的碳排放量降低67％-83％。 在实际的实施中，本文采用静电纺或泡泡纺合成多孔材料。合成了直径在8μm-12μm之间的纤维材料，其不仅具有孔隙率高、比表面积大的特点，而且在受到压缩和冲击时展现出良好的力学恢复性能，在瞬时压缩测试中，多孔材料在压缩率小于0.3时，短时间内材料恢复率大于99％；在长时间压缩测试中，对于压缩时间在2min内的，材料恢复率达94％，压缩时间大于5min的，材料恢复率为80％左右。良好的恢复性确保了材料在受到车辆底部挤压时能展现优良的力学特性。 本文设计的多孔材料厚度为20cm，可将其铺设在高速路面或列车轨道中间，文中亦给出了具体的实施例和说明。由于车辆高速稳定运行时与磁悬浮类似，其车轮与地面不进行接触，为保证车辆的动力供给，可采用喷气式动力引擎；本文亦对车辆高速运行的稳定性进行了讨论。 |
| 作者： | 柳杨帅 |
| 专业： | 固体力学 |
| 导师： | 何吉欢 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东华大学 |
| 学位年度： | 2012 |
| 正文语种： | 中文 |
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