“当代物理演示与技术”的研究

跨世纪时代，科学、技术面临着新的变化：由于科学技术的高速发展，物理教学本身要适应科学技术的发展而变革，才能使物理学适应时代，更富有生命力，而其演示的技术是联接理论和实验的重要组成部分，也是理论教学改革的实际体现和重要环节。     

电炮加载下靶板的高速摄影技术研究

叙述高速摄影在电炮加载多层铝板实验中的应用情况,用普通高速摄影技术和激光阴影摄影首次得到双层和三层铝板在Mylar膜飞片碰撞靶板后形成碎片云的变化图像和靶板表面的微物质喷射发展过程,观察改变起爆系统充电电压、靶板厚度及靶板之间距离等不同条件下的高速碰撞现象,初步得到碎片云和微物质的运动速度等实验结果。     

基于ANSYS/LS-DYNA高速冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题。采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟。选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1300m/s的子弹侵彻6mm靶板的的速度、加速度、能量变化曲线和Von-Mises应力云图,从而直观的显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程。验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义。并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。     

液滴合并动力学行为研究

本文采用格子Boltzmann方法和高速显微摄像装置对液液系统中的液滴合并过程进行了数值模拟和可视化实验观测,研究了液滴形貌变化及其液滴合并动力学行为,并重点分析了液滴合并过程中液桥半径随时间的变化。研究结果表明:当两液滴接触开始合并,液桥半径迅速增加至一极值,随后出现振荡波动直至稳定。在液滴合并初始阶段,存在由黏性主导向惯性主导转变的过渡区域。当液滴合并转为惯性主导阶段时,桥半径与时间的开方之间线性相关,实验与模拟得到的桥半径曲线前因数分别为0.92与1.023,两者基本一致,验证了本文所建立液滴合并数学模型正确可靠。     

基于ANSYS/LS-DYNA高速弹头冲击仿真

高速弹头的侵彻问题是军工防护等领域研究的一个重要课题;采用有限元仿真软件ANSYS/LS-DYNA为平台对高速弹头侵彻靶板的过程进行了数值模拟;选取Johnson-Cook本构模型来描述侵彻过程,得到了速度为1 300 m/s的子弹侵彻6 mm靶板的速度、加速度、能量变化曲线和VonMises应力云图,从而直观地显示靶板的变形情况和动态响应,有助于分析高速弹头的撞击过程;验证了ANSYS/LS-DYNA有限元仿真在分析侵彻问题中的可行性和优越性,对改进弹头和防护材料设计具有重要意义;并为防护材料设计进行高速冲击实验的研究提供了新的途径和思路。     

氢氧爆轰波在激波管中的成长机制研究

 针对气相爆轰波成长机制研究,采用压力传感器和高速摄影技术,测试了氢氧混合气体在点火后的火焰波、前驱冲击波以及爆轰波的成长变化过程,计算了冲击波过程参数和气体状态参数,分析了火焰加速机制。实验结果表明,APX-RS型高速摄影系统可用于拍摄气相爆轰波的成长历程;氢氧爆轰波的产生是由于湍流火焰和冲击波的相互正反馈作用,导致反应区内多处发生局部爆炸,爆炸波与冲击波相互耦合,最终成长为定常爆轰波。     

喷气Z-pinch高速扫描摄影技术研究

 叙述了高速摄影在阳加速器喷气Z-pinch实验中测量等离子体向心运动时的应用，用高速变像管扫描相机首次拍摄到阳加速器喷气负载为氖气状态下产生等离子体压缩过程的扫描像，该扫描像的时间分辨本领很高,可以观察到等离子体内爆压缩阶段整个过程，测得了该过程的直径随时间连续变化曲线。     

利用视频分析软件Tracker分析弹簧振子的运动规律

弹簧振子的运动是典型的简谐运动,根据现有的实验条件,创设怎样的学习场景,帮助学生有效地进行实验观察、记录并描述其运动规律,尤其是弹簧振子位置随时间变化的关系是正弦函数,这既是重点也是难点.在课堂上用手机的高速摄影功能对实验过程进行记录,再用视频分析软件Tracker进行弹簧振子位置的跟踪、记录和图像拟合,是突破这一难点的有效方案.     

激光推进流场演化的高速阴影测量方法

 介绍了高速阴影技术在激光推进流场演化诊断过程中的应用。采用了阴影技术和高速摄影相结合的方法，对激光推进流场演化过程进行了考察。由高速相机提供时序零时，控制激光器和闪光源的延迟时间，再对高速相机进行同步曝光，解决了高速阴影测量过程中高速相机、闪光仪和激光器的时序控制问题，实验获得了清晰的流场演化图像，为进一步研究提供了实验依据和便利条件。     

杆式射流侵彻半无限靶的理论分析

 理论分析高速杆式射流侵彻半无限靶过程时,考虑速度梯度对聚能射流的影响,将射流进行分段计算,得到了射流拉伸后实际碰靶时的微元长度和直径变化。采用伯努利方程和静力学方法,通过对射流形状和速度分布作线性近似,理论分析了高速杆式射流侵彻半无限靶的过程,得到了靶体中的侵彻深度和侵彻孔径与射流长度、速度及直径之间的关系。将模拟结果与实验结果进行对比,结果表明理论分析结果与侵彻实验结果符合较好。     

Na2高位振动态与Ar，N2碰撞中模温度的变化

利用受激发射泵浦激发Na2分子,使Na2 得到布居,研究了高振动激发态Na2*与Ar和N2的碰撞弛豫过程。由激光诱导荧光得到Na2 各振动能级的时间分辨布居分布,从而得到Boltzmann振动温度和转动温度随时间的变化。对于Na2*与Ar碰撞,在泵浦-探测延迟时间tD=8μs前,振动温度Tvib减小很慢;在8-12μs间,Tvib迅速下降并达到平衡。而转动温度Trot和平移温度Ttran在Tvib迅速下降时才开始缓慢增加。对于Na2*与N2碰撞,Tvib存在三个变化阶段,先是迅速下降,然后下降减缓,最后减小很慢并达到平衡。而在整个过程中,Trot和Ttran一直是很缓慢地增加。实验数据说明了弛豫过程是分阶段进行的,单一速率系数不能正确解释复杂的弛豫过程,并会丢失平衡过程中的关键特点。     

Na2高位振动态与Ar，N2碰撞中模温度的变化

利用受激发射泵浦激发Na2分子,使Na2 得到布居,研究了高振动激发态Na2*与Ar和N2的碰撞弛豫过程。由激光诱导荧光得到Na2 各振动能级的时间分辨布居分布,从而得到Boltzmann振动温度和转动温度随时间的变化。对于Na2*与Ar碰撞,在泵浦-探测延迟时间tD=8μs前,振动温度Tvib减小很慢;在8-12μs间,Tvib迅速下降并达到平衡。而转动温度Trot和平移温度Ttran在Tvib迅速下降时才开始缓慢增加。对于Na2*与N2碰撞,Tvib存在三个变化阶段,先是迅速下降,然后下降减缓,最后减小很慢并达到平衡。而在整个过程中,Trot和Ttran一直是很缓慢地增加。实验数据说明了弛豫过程是分阶段进行的,单一速率系数不能正确解释复杂的弛豫过程,并会丢失平衡过程中的关键特点。     

两电极等离子体合成射流激励器工作特性研究

采用放电测量和高速阴影技术对两电极等离子体合成射流激励器工作特性进行了系统实验研究.实验表明:激励器工作击穿电压和放电峰值电流随激励器所处环境压强的降低和放电频率的增大而减小,激励器腔体内的放电过程为火花电弧放电.典型的等离子体合成射流流场包含有一道前驱激波和一股呈蘑菇状的高速射流.在整个射流发展过程中,前驱激波以当地声速恒速传播,不随激励器条件的改变而变化,波的强度则随着激励器出口直径的减小、腔体体积的增大、环境压强的降低和放电频率的升高而减小.激励器腔体体积和放电频率的增加会降低腔内气体的加热效果,并减小射流速度.激励器出口直径和环境压强对射流速度的影响按规律变化且存在最佳值.本文实各验条件下激励器都产生了明显的前驱激波和高速射流,具有实现高速流场主动流动控制的应用潜能.     

悬浮聚合制备无机-高分子复合粒子的微观结构与形成机理

采用悬浮聚合工艺制备微米级铁红和苯乙烯－丙烯酸丁酯共聚物复合粒子,通过跟踪观察体系在预分散过程的变化,分析相关表面张力,润湿角的测定结果,解释了复合粒子微观结构成因。实验测试结果显示在高速预分散过程,铁红以大部分伸入溶液水相的形式存在于油水界面;在SEM下观察到复合粒子的微观结构是铁红存在于复合粒子表面形成嵌入式结构,FTIR测试结果显示铁红在聚合过程与初级自由基发生反应。     

研究金属切削中组织变化的网格高速摄影装置

研究金属切削过程中的变化,对改进切削工艺、实现高速、自动化和精密加工具有重要意义。高速显微摄影是实现从宏观到微观、从定性到定量、从静态到动态研究的有效方法。     

波段外10.6 μm激光辐照下光导型HgCdTe探测器的电学响应

 利用描述半导体内热载流子效应的１维能量平衡模型,对波段外10.6 μm激光辐照下光导型HgCdTe探测器的电学响应进行了数值模拟。结果表明：在激光开始辐照和停止辐照瞬间,探测器电阻的快速变化是由载流子温度的迅速变化引起的;在激光辐照过程中以及激光停照后,探测器电阻的缓慢变化是由晶格温度的缓慢变化进而导致载流子温度发生缓慢变化所致。模拟结果与对实验曲线的定性分析得出的结论一致。     

低气流量时水下微米级针管气泡生成实验研究

目前国内外的水下气泡生成现象研究主要集中在毫米级尺寸的孔洞和针管,微米级的研究相比很少。本文通过自行搭建的实验平台,利用高速摄影的方法,对0.110 mm内径的针管产生水下气泡的行为特点进行了系统的可视化实验并利用Matlab编程对图像进行处理分析,定量分析气泡的形态参数。文中对单气泡生长过程的阶段性、周期性和部分参数变化作了详细讨论,实验中还发现了更高气流量下的多气泡合并现象,并得到气泡脱离体积随气体流量的变化特点。     

高速相机在弹簧振子实验中的应用

弹簧振子实验是高校中广泛采用的研究简谐振动规律的实验项目,本文将高速相机引入弹簧振子实验中,并在2013年对我校12级黄昆班的理科物理实验Ⅰ中进行了教学实践.从效果来看,学生通过高速相机的使用,对振子的运动形式进行了直观的实验观察,通过实验同学们对振子运动过程中的能量转化、空气阻尼对振子运动的影响、振子运动与单摆运动的耦合等实验现象进行了分析和讨论,切实加深了对简谐振动运动形式的理解.     

中国科学院西安光机所科技成果介绍之十

多用途高速全息摄影机是研究高速动态过程全息干涉计量的必备仪器。它可在无暗室条件下对透明物体和非透明物体进行全场非接触测量,如微粒的大小分布、运动速度流场、燃烧场等的特性研究;工作状态下机械动力设备的振动、应力、应变等以及各种材料特性的研究。它不但是宏观物体高速动态微观变化的检测工具,而且是微观物体高     

地震振动台实验三维全场位移测量的研究

提出一种基于高速相机双目立体视觉技术的大视场全场三维位移测量方法,用来测量地震振动台实验过程中的位移变化。给出了一种鲁棒的标志点匹配算法,基于VS2010开发环境,研发了用于振动台实验三维全场位移测量系统,设计了精度评估实验方案,验证该方法在大幅面位移测量中的精度,并利用该实验系统对高边坡模型振动台实验进行测量。结果表明:在3 m1.5 m视场范围,静态位移测量误差优于0.4 mm,动态位移测量误差优于0.5 mm,可以满足振动台实验的要求;该方法可以方便、直观地测量地震振动台实验中高边坡模型的位移场,并且测量得到X、Y、Z 3个方向位移曲线以及总位移曲线过渡自然、数据合理,是测量振动台实验全场位移变化的一种有效方法。