Marangoni效应对等曲率弯曲界面凝固过程的影响

用渐近方法和相场数值模拟分别研究了球状晶体和柱状晶体凝固过程中,固液界面表面张力随温度的变化对界面运动的影响．结果表明Marangoni效应将增大临界晶核半径,减缓界面运动速度．在静止熔体中,枝晶尖端生长速度随Marangoni数线性下降．渐近展开和相场模拟得到的结果定性是一致的．     

辐照下晶体缺陷浓度的自振频域

采用线性化处理、拓扑映射及数值计算相结合的方法，求解了离子辐照下各向同性晶体薄片中缺陷浓度和温度满足的非线性微分方程组，证明了当可控参量，即缺陷产生速度和恒温箱温度处于某些范围时.会出现缺陷浓度和温度的周期性振动这种时间耗散结构.研究了自振频率与辐射条件和晶体性质的依赖关系,并以硅晶体薄片为例．求出了自振频域及特定的几个自振频率和自振振幅．     

微通道中电渗流及微混合的离子浓度效应

电渗流广泛应用于微流控芯片中的流体输运与混合.该文提出了一种离子浓度梯度对电渗流及微混合产生影响的变量模型,采用有限元分析方法对微通道中电渗流及微混合的离子浓度效应进行了数值模拟,分别讨论了zeta电势、介电常数等对微通道内流场和浓度场的影响规律,定量分析了微混合效率.结果表明,当zeta电势和介电常数随浓度变化时,微通道中流场分布不均匀,离子分布不对称.当溶液浓度趋近1 mol/L时,溶液基本无法进入微通道.微混合效率随溶液间浓度差的增大而减小,而且浓度差越大越能在较短距离内到达充分混合.     

用激光全息干涉术研究α-碘酸锂晶体生长的浓度分层现象

本文采用新型光导热塑激光全息干涉记录系统,实时原位观察了α-碘酸锂晶体的生长过程.研究了重力场下结晶驱动对流对于溶液浓度分层的影响.发现溶液浓度分层与α-LiIO₃晶体的籽晶方位密切相关.当籽晶光轴方向c平行于重力g时,溶液浓度的分层速度3倍于c⊥g时生长过程的分层速度.对于47.6℃恒温生长的α-LiIO₃结晶系统,达到稳态浓度分布所需的时间r≈40h。τ对于籽晶方位不敏感.     

厚件压缩滑移线场的参变量积分问题

本文提出一种可使厚件压缩获得解析解的参变量积分方法.对传统数值计算找到了φ与y的函数关系,从而可用参量积分求得解析解.l/h=0.121的滑移线场算例表明参量积分结果与数值计算结果基本一致,在理论上表明厚件压缩滑移线场求得解析解完全可能.     

不可压缩流体三维Rayleigh-Taylor不稳定性的大涡模拟

对不可压缩流体三维Rayleigh-Taylor不稳定性问题建立被动标量输运模型,用大涡模拟方法计算了正弦初始扰动和随机初始扰动下不稳定性发展各个阶段的瞬时速度场和标量场,以及混合过程中计算尺度和亚格子尺度上的平均湍流脉动能、平均剪切应力和被动标量通量;分析了界面形状、被动标量浓度分布的演化规律及气泡、尖钉速度和混合层宽度随时间的变化规律,计算结果与其他数值模拟和实验结果相吻合,验证了大涡模拟方法应用于该问题的可行性.     

高-低温溶液晶体生长溶质边界层的全息研究

用全息相衬干涉显微术研究了高温溶液生长KTP晶体和低温溶液生长KDP晶体的溶质边界层。实验表明,无论是在高温溶液还是在低温溶液中生长晶体,边界层内的质量输运过程是对流和扩散两种作用的耦合效应。体过饱和度对边界层厚度的影响按过饱和度的高低可分为两个区域。层内溶质浓度分布是位置的指数函数。     

GaSb单晶空间生长

空间的微重力给晶体生长提供了一个消除自然对流、由纯扩散控制的生长环境,为提高晶体质量创造了条件,引起晶体生长研究人员的关注.中国科学院物理研究所和日本东京大学电子工程系合作,1992年在中国第14颗返回式卫星上成功地生长了一根φ6 mm×30 mm外形完整的GaSb单晶.对空间生长的晶体的研究显示：晶体在空间生长部分无Ⅰ类生长条纹,表明晶体生长时既无自然对流也没有Marangoni对流.位错密度测定表明,晶体在空间生长期间熔体未与坩埚器壁接触时生长的晶体位错密度接近于零,而熔体与坩埚器壁接触后位错密度迅速增高.详细叙述了该晶体的生长和研究,分析了微重力对晶体生长的影响,并对空间晶体生长的发展提出看法.     

描述低周疲劳裂纹扩展速率的循环J积分新参量

探讨了低周疲劳加载条件下的应力增量．应变增量关系，提出了模拟裂纹疲劳扩展的二维模型以建立新的循环．积分参量，详细阐述了该积分参量的定义、主要特点、物理意义以及数值计算方法，并通过紧凑拉伸试样的疲劳试验检验该积分参量的有效性．结果表明：该积分参量能够较好描述恒幅低周疲劳裂纹的扩展速率．此外，基于积分参量体系，从能量的角度解释了疲劳迟滞现象．     

数值模拟计算在1000MW塔式锅炉NO_x生成特性中的应用研究

在新建的大型燃煤电站锅炉设计时,通过对炉内燃烧过程的合理组织,以取得锅炉低NO_X排放的效果.采用计算流体力学(CFD)模拟的方法,进行了某电厂1000MW超超临界塔式锅炉的数值模拟计算分析,获得了该1000MW塔式锅炉炉内速度场、温度场、CO浓度场、O-2浓度场和NO_X浓度场分布.计算结果表明:该1000MW塔式锅炉炉膛主燃烧区域的中心形成了巨大还原区,并且在炉膛上部具有明显的还原区域,能实现低NO_X排放的预期目标.数值模拟计算研究结论可用于指导锅炉燃烧系统的优化运行和NO_X排放的控制.     

Effect of non-uniform magnetic field on crystal growth by floating-zone method in microgravity

The magnetic damping effect of the non-uniform magnetic field on the floating-zone crystal growth process in microgravity is studied by numerical simulation. The results show that the non-uniform magnetic field with designed configuration can effectively reduce the flow near the free surface and then in the melt zone. At the same time, the designed magnetic field can improve the impurity concentration non-uniformity along the solidification interface. The primary principles of the magnetic field configuration design are also discussed.     

多种环境外力作用下作物生长系统的动力学模型及过程数值模拟

依据生物力学的理论与方法,综合探讨了多种环境因子(光照、温度、土壤水分与养分等)外力作用下作物生长的动力学机制.采用连续马尔柯夫过程方法建立了作物生长系统的动力学模型及数值模拟方法,研究了生长速率对外力条件变化的反应与生物量饱和值的变化,并以半干旱区作物为例进行了数值模拟计算与分析,为大田管理提供了定量依据.该动力模型与其它植物生长模型相比,其优越性在于从宏观和微观相结合上反映了资源利用的多维性,揭示了资源转化过程.所建作物生长系统模拟方法,具有先进性和可操作性,实际模拟结果与大田观测结果能很好吻合.     

Radial basis function Hermite collocation approach for the numerical simulation of the effect of precipitation inhibitor on the crystallization process of an over‐saturated solution

This work is concerned with the analysis of the effect of precipitation inhibitors on the growth of crystals from over‐saturated solutions, by the numerical simulation of the fundamental mechanisms of such crystallization process. The complete crystallization process in the presence of precipitation inhibitor is defined by a set of coupled partial differential equations that needs to be solved in a recursive manner, due to the inhibitor modification of the molar flux of the mineral at the crystal interface. This set of governing equations needs to satisfy the corresponding initial and boundary conditions of the problem where it is necessary to consider the additional unknown of a moving interface, i.e., the growing crystal surface. For the numerical solution of the proposed problem, we used a truly meshless numerical scheme based upon Hermite interpolation property of the radial basis functions. The use of a Hermitian meshless collocation numerical approach was selected in this work due to its flexibility on dealing with moving boundary problems and their high accuracy on predicting surface fluxes, which is a crucial part of the diffusion controlled crystallization process considered here. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Numer Methods Partial Differential Eq, 2006     

相场方法模拟液滴的动态润湿行为

液滴的动态湿润现象广泛存在于自然界和工业生产中,该现象数值研究的建模需要解决接触线附近的奇异性并引入合理的接触角描述.基于相场方法,结合Yokoi动态接触角模型,建立了考虑动态润湿效应的两相流数值模型,并在OpenFOAM开源平台上实现相应程序.针对液滴撞击壁面的动态湿润过程,数值模拟和对比研究了不同的接触角模型.结果表明:接触角模型的选择对液滴动态润湿过程的模拟结果具有较大的影响,其中基于改进动态接触角模型的结果与文献中的实验结果具有很好的吻合度,反映了提出的数值模型在液滴的动态润湿行为模拟的有效性.     

Phase-Field Modeling and Numerical Simulation for Ice Melting

In this paper, we propose a mathematical model and present numerical simulations for ice melting phenomena. The model is based on the phase-field modeling for the crystal growth. To model ice melting, we ignore anisotropy in the crystal growth model and introduce a new melting term. The numerical solution algorithm is a hybrid method which uses both the analytic and numerical solutions. We perform various computational experiments. The computational results confirm the accuracy and efficiency of the proposed method for ice melting.     

三维非定常水的跨血管壁流动与大分子的跨血管壁传质

对水的跨血管壁流动与大分子的跨血管对流-扩散传质提出一个统一的三维非定常模型,研究了内皮细胞在转换过程中形成漏的缝隙后的大分子跨壁传质,其浓度随时间的增长,内皮细胞截面形状对浓度分布的影响及生理参数对浓度分布的影响,采用解析方法求出了水跨壁流动的速度场与压力场的分析解,根据以前学者对血管壁的超微结构研究,将血管壁分为4层,用数值模拟方法求解了低密度脂蛋白（LDL）、血清白蛋白（albumin）以及辣根过氧化酶（HRP）三种大分子在各层的浓度分布,结果表明,随着时间的增长,在不同时刻,低剪切流中内皮细胞截面形状接近圆形时,大分子在漏的缝隙处浓度大小和分布范围,都大于高剪切流中内皮细胞截面被拉长时的情形;弹性层厚度等参数显著地影响传质,浓度分布随时间的增长与轴对称结果类似,即漏的缝隙处有一明显的浓度尖峰,在两侧浓度迅速减少,浓度尖峰值和浓度分布的范围随着时间的增长而降低与变小,这些结果对了解动脉粥样硬化形成的机理有重要意义。     

Mathematical Modeling of Czochralski Type Growth Processes for Semiconductor Bulk Single Crystals

This paper deals with the mathematical modeling and simulation of crystal growth processes by the so-called Czochralski method and related methods, which are important industrial processes to grow large bulk single crystals of semiconductor materials such as, e. g., silicon (Si) or gallium arsenide (GaAs) from the melt. In particular, we investigate a recently developed technology in which traveling magnetic fields are applied in order to control the behavior of the turbulent melt flow. Since numerous different physical effects like electromagnetic fields, turbulent melt flows, high temperatures, heat transfer via radiation, etc., play an important role in the process, the corresponding mathematical model leads to an extremely difficult system of initial-boundary value problems for nonlinearly coupled partial differential equations. In this paper, we describe a mathematical model that is under use for the simulation of real-life growth scenarios, and we give an overview of mathematical results and numerical simulations that have been obtained for it in recent years.     

Numerical modeling of crystal growth under strong magnetic fields: An application to the travelling heater method

The article presents a 3-D numerical simulation study for the growth of single crystal semiconductors under strong magnetic fields. In such high fields, the magnetic body force components, which also depend on the flow velocity components present numerical challenges particularly in terms of convergence of iterations. To remedy such difficulties, a novel numerical approach was introduced in an in-house 3-D finite volume-based computer code. As an application, the Travelling Heater Method (THM) was selected for the growth of CdTe crystals under a static vertical magnetic field.     

基于有限元法的混凝土输水管内硫酸根离子扩散分析

暴露于硫酸盐环境中的混凝土输水管易遭受硫酸盐化学侵蚀,导致其耐久性退化、提前失效;而环境中硫酸根离子传输进入混凝土是其化学侵蚀的前提.为获得混凝土内硫酸根离子的扩散进程,首先基于Fick定律及质量守恒定律,建立饱和混凝土管内硫酸根离子的扩散-反应模型.其次,将扩散-反应模型的边界条件齐次化,建立其有限元控制方程.然后,开展硫酸钠溶液中水泥砂浆圆柱试件的腐蚀试验,测定试件不同深度处的硫酸根离子浓度,与模型计算结果对比,以验证模型.最后,开展数值模拟研究,分析混凝土输水管外表面、内外表面暴露于浓度恒定或振荡的硫酸盐溶液情况下管内硫酸根离子浓度的时空分布.