超声速湍流边界层湍流统计与湍流结构分析

可压缩边界层转捩问题与湍流问题一直是制约高超声速飞行器发展的关键基础问题,也是近年来流体力学领域研究的热点问题.采用直接数值模拟方法,获得了空间发展的Ma=2.25超声速湍流边界层流场,通过对湍流边界层的发展状态进行评估,得出有效的Reynolds数Re_θ范围约为2 600~4 600.对壁面摩阻系数开展了分解,获得了各分量的占比,对充分发展的湍流边界层进行1阶和高阶统计分析,包括形状因子、壁面律、平坦因子与偏斜因子、Reynolds应力、脉动涡量等,得到了剪切Reynolds数与动量Reynolds数之间的关系式,分析了湍流边界层壁面律的分层特性,发现湍流的间歇特性主要分布在y+ < 30的区域,并且法向速度脉动的间歇性远高于另外两者,3个方向上的Reynolds应力分布和涡量分布都存在较大差异.通过两点相关性分析和Lagrange涡结构,对近壁区湍流结构进行了分析,包括流向平面和展向平面,发现流向脉动速度的相关区域流向尺度较长,呈现狭长的特性,并且流向平面的相关系数与壁面存在一定的夹角;而在边界层外层,流向速度脉动相关区域的流向尺度变短而展向尺度增加,呈现宽胖型.研究结果进一步加深了对超声速湍流边界层的认识,为下一步湍流边界层的流动控制奠定了基础.      

粗糙壁面湍流边界层流动和拟序结构的大涡模拟研究

采用LES方法和虚拟粗糙元模型,,模拟了Rer=180有粗糙壁面的充分发展槽道湍流流动.从流向平均速度、脉动速度均方根、雷诺剪切应力、脉动速度相关,以及瞬时近壁准流向涡结构等多个方面,对粗糙壁面湍流边界层流动和拟序结构进行了分析.结果表明,粗糙壁面处雷诺剪切应力、脉动速度均方根以及近壁条带平均距离和准流向涡尺度都大于光滑壁面,且随着粗糙元高度的增加这种趋势更加明显.本工作为进一步研究颗粒在近壁区域的弥散规律奠定了基础.     

低速二维后向台阶流动中的壁面压强脉动

为了能排除三维结构对涡脱和剪切层旋涡的影响，使用实验方法研究了一个小展高比（AR=0.125）的后向台阶流动.该实验台类似纯二维的Hele-Shaw Cell.流动被局限在两个平行且距离为5 mm的有机玻璃板之间.台阶高度H为40 mm，扩张比2:3.在台阶下游中央沿流动方向安装16个麦克风组成的传感器阵列采集壁面脉动压强.来流速度U₀在9~26 m/s之间连续可调.通过计算脉动压强分布、频谱，不同位置的相关性和相干性系数，发现并分析流动存在一个临界Reynolds数.流场在临界Reynolds数前后存在明显不同的流动特征.实验结果表明在低Reynolds数下依然存在剪切层的低频摆动；当Reynolds数大于临界Reynolds数时，分离后流动由涡结构传播的特性主导.      

湍流边界层拟序结构的大涡模拟研究

采用动力亚格子模型,利用大涡模拟方法模拟了雷诺数为13000的充分发展槽道湍流流动。从瞬时速度和脉动 速度场、脉动速度相关、均方根脉动涡量分布、以及瞬时涡量场等多个方面,对湍流边界层流动的拟序结构进行了分析, 包括近壁区小尺度湍流结构和瞬态过程,如条纹结构、喷射和扫掠过程、以及近壁旋涡结构等。     

利用微气泡减小平板湍流摩阻实验研究

设计了一套实验装置研究微气泡减阻的效果.采用高速摄像机对二维平板微气泡湍流边界层进行了定量的可视化观察,用天平测量了平板的摩擦阻力,分析了不同通气量、来流速度、浮力对减阻性能的影响.结果表明,微气泡在高Reynolds数（Re=106）的流动中有效地减小了摩擦阻力,最大减阻率达到36%,证实了微气泡能显著降低平板摩擦阻力,实验结果也表明,随气体流量增加,减阻率增加.      

表面张力对固壁旁空泡运动特性影响的理论和实验研究

表面张力是影响空泡脉动及空蚀的一个重要因素.对五种不同表面张力液体中空泡脉动（膨胀和收缩）过程进行了研究,并将实验结果与基于空泡生长和溃灭理论的计算结果进行了对比.实验中,用激光作为测试光源,采用光偏转测试系统研究了不同表面张力液体中空泡泡壁运动规律及泡壁速度的变化.结果表明：表面张力对空泡膨胀过程起抑制作用,故液体表面张力愈大,空泡能达到的最大直径越小;表面张力对空泡的收缩过程则起加速作用,液体表面张力愈大,收缩越迅速,空泡泡壁运动速度越大,其所产生的瞬时溃灭压强越大,空化效果越好. 关键词： 表面张力 空泡 光偏转     

高聚物减阻溶液对壁湍流输运过程的影响

基于相同雷诺数下清水和高分子聚合物溶液壁湍流的高时间分辨率粒子图像测速技术(time-resolved particle image velocimetry, TRPIV)的对比实验, 从高聚物溶液对湍流边界层动量能量输运影响的角度分析其减阻的机理. 对比两者的雷诺应力发现高聚物的存在抑制了湍流输运过程. 这一影响与高聚物对壁湍流中占主导地位的涡旋运动和低速条带等相干结构的作用密切相关. 运用条件相位平均、相关函数和线性随机估计(linear stochastic estimation, LSE)等方法, 分析提取了高聚物溶液流场中的发卡涡和发卡涡包等典型相干结构的空间拓扑形态. 相比于清水, 高聚物溶液中相干结构的流向尺度增大, 涡旋运动的发展及低速流体喷射的强度受到削弱, 表明了添加的高聚物阻碍了湍流原有的能量传递和自维持的机理. 正是通过影响相干结构, 高聚物抑制了湍流边界层中近壁区与外区之间的动量和能量输运, 使得湍流的无序性降低, 从而减小了湍流流动的阻力.     

带引流条导电矩形管磁流体湍流大涡数值模拟

为研究引流条对磁流体湍流的影响，采用自主开发的低磁雷诺数流固耦合磁流体相干结构模型大涡模拟求解器，对均匀磁场作用下平行层内带引流条导电矩形管和标准导电矩形管中液态金属湍流进行了数值模拟研究。结果表明，外加垂直流动方向的均匀磁场与流动的导电流体相互作用产生与流动方向相反的洛伦兹力，能够抑制磁流体的湍流脉动，这种抑制作用随着哈特曼数增大而增强。在弱导电率条件下，当Re=16350、Ha=212 时，两种管道中的流动均转换为层流流动状态。管道内壁面摩擦系数随着哈特曼数的增大而增大。引流条能在其近壁局部区域增强横向速度，有效激发湍流，但在弱壁面导电率条件下，带引流条导电矩形管壁面摩擦系数较标准矩形管大。     

超声速气膜气动光学效应与Reynolds数相互关系实验研究

目前,随着相关项目研究的不断推进,如何在高Reynolds数下研究其对气动光学效应的影响成为重要命题.通过设计变Reynolds数气动光学效应实验平台,模拟的单位Reynolds数可以在7.2×106~2.2×108 m-1范围内变化.搭建的基于背景纹影（background oriented schlieren,BOS）的波前测试系统可以达到6 ns的时间分辨率.此系统测量的平凸透镜波前结果表明:实验测量结果与理论计算结果的误差在±4%以内.通过测量9种不同Reynolds数下的超声速气膜瞬态波前数据,分析结果表明:在高Reynolds数条件下,Reynolds数对于超声速气膜气动光学效应的影响比较明显,通过对实验数据进行函数拟合发现OPD_rms∝Re0.88,与推导结果OPD_rms∝Re0.9十分接近;利用小波分析方法研究了高Reynolds数条件下气动光学效应沿流向的分布特征,发现OPD_rms的低频部分（信号的主体）先降低后升高,但是高频部分的震荡幅度先升后降.分析认为OPD_rms的低频部分主要受到流场整体结构的影响,而高频部分更多地受到涡的空间分布影响.      

圆柱尾流温度标量场的小波分析$lt;font color="#ff0000"$gt;$lt;font color="#ff0000"$gt;（已撤稿）$lt;/font$gt;$lt;/font$gt;

通过使用一排16根冷线探头排在多个空间点同时测量微加热圆柱的尾流温度场, 用小波分析技术对瞬时温度场的时间序列信号进行多尺度分析, 目的是研究不同尺度脉动温度对总体温度场的贡献.直径为d = 12.7 mm 的圆柱产生了被测的尾流, 对应的雷诺数为5500, 测量区域位于下游距离为2d 和 20d 之间. 基于小波多尺度分辨技术, 尾流温度场被分解为不同温度脉动特征尺度的小波分量. 通过分析这些小波分量的瞬时温度等值线图, 能够直接观测到不同特征尺度的涡结构运动特征和湍流间歇过程. 特别地, 我们在近场区从原始信号分解获得的高频区域中发现了K-H涡的存在. 不同尺度的温度方差沿流向的变化表明, 在下游距离为x=3d和 20d之间, 中等尺度的结构比大尺度和小尺度结构对总的温度均方根的贡献更大. 不同尺度的自相关函数表明, 大尺度和中等尺度的结构显示出较大的相关性, 而高频的小波分量则更快地失去了原有的拟序性. 关键词： 湍流尾流 被动标量 小波分析     

Transition region where the large-scale and very large scale motions coexist in atmospheric surface layer: wind tunnel investigation

The turbulent structures in atmospheric surface layer (ASL) are investigated in wind tunnel with hot-wire anemometers in present study. The results show that there exist two typical turbulent structures characterised by their streamwise length scales, i.e. large-scale motions (LSMs) and very large scale motions (VLSMs) as reported recently in pipe flow, channel flow, zero-pressure-gradient turbulent boundary layers and near-neutral ASLs. Moreover, a transition region containing both LSMs and VLSMs is first reported in present investigation, and this region depends on the Reynolds numbers. In the transition region, as the wall-normal distance increases, the turbulent energy ratio of LSMs is gradually weakened but VSLMs strengthened.     

吸附在活性炭、三氧化二铝和硅胶上分子的核弛豫研究

本文提出核与电子偶极相互作用和自旋扩散两种作用在被吸附到固体多电子表面上的分子弛豫起着重要作用,给出了自旋晶格弛豫时间(T_1e)和相关时间(τ_c)的关系:T_1e,-kτ_c/1+ω₀²τ_c²)^1/2,式中k对给定固体是常数。吸附在硅胶上甲苯的弛豫数据可用此式描述。得到了甲苯中甲基在不同温度下的τ_c。,它们在374K到240K间的相关时间在3.56×10^-9 s到5.76×10^-8 s范围。由此计算出其活化能为15.0kJ/mol。     

Re_3W的点接触安德烈夫反射谱研究

本文通过对不同晶体结构Re_3W样品的点接触测量和对比研究,证实具有中心对称结构和非中心对称结构的Re_3W都是弱耦合Bardeen-Cooper-Schrieffer超导体,同时发现在两个相表面都可以形成很理想的点接触结,即电子通过界面时受到的非弹性散射很弱.将Re_3W样品置于大气环境近六个月后重新进行测量,仍然能够得到类似的结果,表明Re_3W具有很好的稳定性. Re_3W的这种优良特性,不仅可通过点接触实验得到的参数推算出Re_3W两个相的费米速度,而且提供了一种简单的方法,可以在点接触实验中利用Re_3W来印证针尖材料的费米速度和测量其自旋极化率等.作为尝试,本文用Re_3W/Ni点接触结测量了铁磁性金属Ni的自旋极化率,得到了与前人报道一致的结果.     

铁电体中极化长程涨落的光子关联谱实验研究

从极化团簇的随机涨落出发, 利用维纳过程模型, 推导了铁电体中极化长程涨落的弛豫规律以及光强自相关函数所可能的表现形式. 阐述了微观极化团簇的弛豫过程与宏观测量弛豫规律之间的联系. 通过对原有氦氖激光光子关联谱实验装置进行改进, 观测了BaTiO₃和0.71Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.29PbTiO₃单晶中极化团簇长程涨落在居里点和立方到四方相变点附近的弛豫过程. 在BaTiO₃中发现极化团簇长程涨落在居里点之上4 K存在双弛豫现象, 此现象与其有序无序相变机理相联系. 在Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-0.29PbTiO₃中发现极化团簇长程涨落在相变点两侧都存在双弛豫现象. 利用推导的理论结果很好地拟合了实验结果并提取了极化团簇长程涨落的弛豫时间. 两种样品中极化团簇长程涨落的弛豫时间都在相变点出现突变, 并呈现临界慢化现象.     

5(6)羧基荧光素敏化TiO2纳米粒子的光致电子转移的荧光特性研究

通过水解TiCl₄制备了锐钛矿结构TiO₂纳米粒子, 并用时间分辨荧光光谱研究了5(6)CFL(5(6)-Carboxyfluorescein, 简称5(6)CFL)染料敏化TiO₂纳米粒子体系的光致电子转移动力学. 5(6)CFL染料敏化TiO₂纳米粒子能形成电荷转移复合物, 这归因于染料分子的激发电子态波函数Ψ(D^*)与电荷分离态波函数Ψ(D⁺ +e^-)之间的耦合作用. 当激发5(6)CFL染料敏化TiO₂纳米粒子体系时, 电子以两种不同方式注入TiO₂纳米粒子导带: 第一, 通过5(6)CFL染料分子的激发态注入; 第二, 从电荷转移复合物(5(6)CFL/TiO₂)直接注入. 时间分辨荧光光谱表明, 在水溶液中纯5(6)CFL染料的荧光以寿命为τ₁=41 ps (74.4%) 和τ₂=3.22 ns (25.6%) 的双e指数衰减, 而5(6)CFL染料敏化TiO₂纳米粒子体系的荧光分别以时间常数为τ₁=44 ps (90.4%), τ₂=478 ps (8.6%) 和τ₃=2.41 ns (1.0%) 的三e指数衰减. 本文的研究工作能够为染料敏化太阳能电池的光致电子转移机理提供有价值的参考.     

Stochastic resonance for a metapopulation system driven by multiplicative and additive colored noises

We investigate the stochastic resonance(SR) phenomenon induced by the periodic signal in a metapopulation system with colored noises. The analytical expression of signal-to-noise is derived in the adiabatic limit. By numerical calculation, the effects of the addictive noise intensity, the multiplicative noise intensity and two noise self-correlation times on SNR are respectively discussed. It shows that:(i) in the case that the addictive noise intensity M takes a small value, a SR phenomenon for the curve of SNR appears; however, when M takes a large value, SNR turns into a monotonic function on the multiplicative noise intensity Q.(ii) The resonance peaks in the plots of the multiplicative noise intensity Q versus its self-correlation time τ1 and the addictive noise intensity M versus its self-correlation time τ2 translate in parallel. Meanwhile, a parallel translation also appears in the plots of τ1 versus Q and τ2 versus M.(iii) The interactive effects between self-correlation times τ1 and τ2 are opposite.     

CaTiO3基微波介质陶瓷的频率温度稳定性

通过对克劳修斯-莫索蒂方程的近似, 分析了钙钛矿结构微波介质陶瓷频率温度系数 (τ_f) 的主要影响因素, 发现改变材料介电响应中离子位移极化和电子位移极化的比例, 可调节频率温度系数的正负与大小. 通过电子结构计算和容忍因子分析, 预测引入(Zn_1/3Nb_2/3)⁴⁺对具有正温度系数 的CaTiO₃进行B位取代将提高材料电子极化响应比例, 调节τ_f由正变负. 采用偏铌酸盐为前驱体, 通过固相反应法合成了Ca[(Zn_1/3Nb_2/3)_xTi_(1-x)]O₃钙钛矿结构陶瓷, 并对其进行结构分析和性能测试, 实验结果与理论分析一致, 获得了具有近零频率温度系数的Ca[(Zn_1/3Nb_2/3)_0.7Ti_0.3]O₃介质陶瓷材料. 关键词： B位复合钙钛矿陶瓷 谐振频率温度稳定性 极化机理 6八面体倾斜')" href="#">BO₆八面体倾斜     

湍流热对流Prandtl数效应的数值研究

本文采用直接数值模拟的并行直接求解方法,计算了Ra=10~(10),0.05≤Pr≤20的系列Prandtl(Pr)数二维湍流热对流.通过流动显示技术,讨论了Pr数对羽流形态和大尺度环流结构的影响.在Ra=10~(10)时,随着Pr数减小,羽流的运动和分布表现出更强的湍流性质,较高Pr数的羽流则表现出较强的规律性,当Pr4.3时,流场中存在明显的大尺度环流和角涡结构.不同Pr数的温度边界层厚度差异不大,并随Pr数存在标度率变化关系.当Pr数较低时,系统的传热Nusselt(Nu)数随着Pr数增加而增加,当Pr数较高时,Nu数随Pr数的变化不敏感.靠近底板处速度脉动随Pr数有显著的变化,Pr数越低速度波动越剧烈.通过底板中心位置水平脉动速度和平均场水平速度最大值给出的雷诺数Re_((u))和Re_(U_(max)),两种Re数随Pr数的变化满足同一标度律,为Re～Pr~(-0.81).     

Control of spins in a nano-sized magnet using electric-current

With the development of spintronics,spin-transfer torque control of magnetic properties receives considerable attention.In this paper the Landau-Lifshitz-Gilbert equation including the torque term is used to investigate the magnetic moment dynamics in the free layer of the ferromagnet/non-magnetic/ferromagnet(FM1/N/FM2) structures.It is found that the reverse critical time τ_c decreases with the current increasing.The critical time τ_c as a function of current for the perpendicular and parallel easy magnetic axes are the same.The critical time τ_c increases with the damping factor α increasing.In the case of large current the influence of the damping factor α is smaller,but in the case of little torque the critical time τ_c increases greatly with the damping increasing.The direction of the magnetization in the fixed layer influences the critical time,when the angle between the magnetization and the z direction changes from 0.1π to 0.4π,the critical time τ_c decreases from 26.7 to 15.6.