气管支气管树内气流和颗粒运动的大涡模拟

为更精确地描述真实人体呼吸道内的空气流动,明晰颗粒的运动沉积规律,本文从直接医学CT扫描得到的原始数据出发,利用图像辨识技术,重构了一个男性真人气管支气管树前三级的三维几何模型.采用大涡模拟的方法计算了非规则几何曲面结构内的气体流动现象,并在拉格朗日框架下跟踪颗粒的运动规律.数值计算得到了气流场的三维分布,以及颗粒的运动轨迹情况,结果表明现有基于Weibel的对称模型与真实人体的几何结构有较大的差异,而几何结构对流动影响较大;受非对称复杂结构影响,在不同截面的二次气流速度的分布规律不同;分叉后颗粒进入左右支气管的数量有明显的不同.     

气载放射性微粒在真实人体上呼吸道模型内沉积特性的研究

基于人体医学CT扫描,重建得到"鼻腔-咽喉主气管-六级支气管"三维几何模型;采用大涡模拟和离散相模型的描述颗粒运动,并在拉格朗日框架下跟踪颗粒。考察了四种气载放射性微粒在典型呼吸强度下的运动和沉积。结果表明:在各工况下,气载放射性颗粒在呼吸道内运动受流道变化、缩放效应、呼吸强度和阻流面等影响较大,均呈现出明显的积聚性和沉积的高度不均匀性,易形成局部沉积热点。在4个弯曲面、2个缩放管结构区域以及支管分叉面出现大量颗粒沉积。气载放射性颗粒的沉积热点区域将导致人体组织细胞的应激反应,造成组织和器官的辐射损伤。颗粒的沉积率随粒径和呼吸强度的增加而增加,但粒径小于0.5μm后,沉积率呈相反趋势。大颗粒在呼吸道内受流道变化、呼吸强度和阻流效应等影响较大,小颗粒受布朗运动和斯坦夫升力影响更显著。     

打喷嚏状态下成年男性上呼吸道气固流动分布特性研究

为研究环境对人类呼吸系统的影响,特别是微颗粒对人呼吸系统的影响,本文研究了成年男性在打喷嚏状态下环境颗粒和气流在呼吸道内的运动特性,采用计算流体力学方法对基于数值化重建的全真人体模型进行了气固两相流动的研究.结果表明,真实人体上呼吸道结构复杂,流场复杂,气管与鼻腔衔接部位的非对称性导致了气流和颗粒分布不均,左右鼻腔出口...     

数值模拟颗粒旋转对流化床内气固两相流动特性的影响

流化床内颗粒自旋转将影响颗粒相的流动特性.本文运用基于颗粒动理学理论的欧拉-欧拉气固多相流模型,考虑颗粒自旋转流动对颗粒碰撞能量交换和耗散的影响,数值模拟流化床内气体颗粒两相流动特性.计算结果表明颗粒的自旋转使得床内更容易形成气泡,颗粒浓度分布变化增大.颗粒自旋转运动将导致床内非均匀结构更明显.     

基于摩擦-动力应力模型模拟喷动床气固流动

建立同时考虑颗粒和颗粒之间瞬间碰撞作用(瞬间接触)和非流化下颗粒滑动和滚动运动产生的颗粒半接触作用的颗粒碰撞-摩擦应力模型。推导具有普适性的固相动量守恒方程,建立高颗粒浓度气固两相流动模型,对喷动床内气体颗粒流动过程进行了数值模拟。模拟计算预测喷动床内喷射区、环隙区和喷泉区颗粒流动特性。预测喷动床内颗粒浓度和速度分布与他人实验结果相吻合。     

循环流化床收集器内颗粒团聚流动特性的研究

基于气固两相流理论和气溶胶动力学原理,建立流化床收集器(CFBA)内气体细颗粒聚团气固两相双流体模型。对不同入口气体速度、初始颗粒尺寸分布和不同颗粒团聚形成机理下收集器内颗粒聚团流动的流体动力特性进行数值模拟。研究结果表明湍流运动和剪切作用对颗粒聚团的形成起主要作用,布朗运动对颗粒团聚形成的影响可忽略不计。吸收颗粒可有效提高捕获细颗粒和颗粒聚团形成的能力。     

颗粒增强湍流的新模型和气粒流动的湍流变动

用雷诺应力方程模型和极细的网格系对单个颗粒受湍流气体绕流进行了数值模拟,研究了改变颗粒直径和气体相对速度时颗粒增强气体湍流的规律.据此构造了颗粒尾涡增强气体湍流的新模型.将此子模型加入到两相流动模型中,对竖直和水平通道内气粒两相流动进行了数值模拟,和实验结果的对照表明,考虑颗粒尾涡增强气体湍流效应得到的气体湍流脉动速度的模拟结果比不考虑此效应的模拟结果好得多.     

强旋流中颗粒运动特性的直接数值模拟

本文采用直接数值模拟计算了Re=669,S=1.42强旋流中的颗粒运动特性。计算的部分流动条件依照Sommerfeld Qiu的实验条件进行模化。模拟的结果揭示了旋流近场的颗粒运动的浓度、速度的时均量和脉动值的统计分布特性。     

高压涡轮动叶机匣颗粒物沉积效应的非定常数值研究

航空发动机高压涡轮动叶叶顶区域的流动和传热特性对机匣表面的颗粒沉积物十分敏感。本文针对航空发动机第一级高压涡轮，通过用户自定义函数以及动网格更新技术，采用非定常数值模拟方法，研究了颗粒污染物在高压涡轮动叶通道机匣表面的沉积特性以及沉积物对叶顶区域气动和传热性能的影响，并比较了平叶顶和凹槽叶顶结构导致的沉积特性和气热性能差异。结果表明，颗粒物在动叶通道机匣表面的沉积特性对于叶顶结构并不敏感，颗粒物主要沉积在叶顶中弦附近区域的机匣表面，沉积物沿周向周期性地呈梭形带状分布。颗粒物沉积后，主流在流经机匣表面后会发生流动分离，使得机匣表面的热负荷降低，但会导致平叶顶中后弦区域的热负荷增加。     

粗糙微通道内气体流动的分子动力学研究

为研究粗糙度对微通道内气体流动及其边界滑移性质的影响,采用分子动力学模拟方法研究了氩气在0.1 μm铂通道内的流动,通道表面粗糙度由三角粗糙元阵列构成。气体流动的边界条件决定于2个准则数: A/λ和Kn=λ/L(其中A为壁面粗糙度、λ为气体分子的平均自由程、L为流动系统的尺度)。Maxwell基于Kn的滑移模型当A/λ<0.25时适用;A/λ<1时,气体流动存在边界速度滑移,体现出稀薄效应,A/λ≈1时为无滑移,A/λ>1时为等效负滑移.     

Balls of matter with broken electromagneticU(1) gauge invariance and conservation of electric charge

Considering a model in which gauge invariance of electromagnetism is spontaneously broken (and thus photons are massive) inside a finite region of space, one encounters interesting problems and paradoxes. It has been proposed recently that conservation of electric charge may be violated in this case. A model that led to the paradox was that of a ball of broken phase inside (or, in a more general case, concentric with) a charged spherical shell. We show that the paradox was caused in fact by an excessively restrictive ansatz (R, A=0) and find consistent charge-conserving solutions.     

高声压级时多孔金属板的吸声特性研究

针对高声压级下有限厚度多孔金属板在线性阻抗背衬条件下(背衬表面声压与声质点速度为线性关系)的吸声问题,提出了一个描述不同声压级下材料层法向吸声性能的一维模型,并给出求解材料层内部声质点速度的线化与差分方法,以预测多孔金属板在高声压级下的非线性吸声特性。在阻抗管中对两块多孔金属板进行了声学测试,得到了材料层法向表面阻抗和吸声系数随入射声压级变化的实验结果。研究表明:实验与理论预测符合良好,验证了模型与数值方法的正确性。本文所提原理和方法,可用于一般硬质多孔材料。      

Excitation of accelerating wakefields in inhomogeneous plasmas

The excitation of the wakefields in an inhomogeneous plasma by a short laser pulse is investigated theoretically. A general equation for the wake excitation in transversely nonuniform plasma is derived. This equation is applied to the step-function density profile model of hollow channel laser wakefield accelerator. A more realistic model, in which the transition between the evacuated channel and the homogeneous surrounding plasma occurs over a finite radial extent, is then analyzed. It is shown that the excited channel made can interact resonantly with the plasma electrons inside the channel wall, leading to secular growth of the electric field. This eventually results in wavebreaking and the dissipation of the accelerating mode. We introduce an effective quality factor Q for the hollow channel laser wakefield geometry. This resonance limits the number of electron bunches that can be accelerated in the wake of single laser pulse     

Velum Behavior in Professional Classic Operatic Singing

The velopharyngeal opening (VPO) is analyzed in 17 professional operatic singers, 3 high sopranos, 3 sopranos, 2 mezzo-sopranos, 3 tenors, 2 baritones, 2 bass-baritones, and 2 basses singing the vowels [a, i, u] at middle degree of vocal loudness at different pitches throughout their pitch range. Three methods were used for detection of a VPO. One was nasofiberscopy, which revealed VPO of various shapes in several singers. Another method was recording nasal and oral airflow by means of a divided flow mask. These measurements showed a nasal DC airflow at least at some pitches in a majority of the singers. A third method was a comparison of the level of the fundamental in the nasal and oral airflow signals; this level difference was less than 15 dB in cases where a nasal DC airflow was observed. Values less than 15 dB were observed in some cases, thus suggesting the presence of a VPO. The tokens produced by the singers were assessed by an expert panel with respect to nasal quality of the vowel timbre; no correlation was found between rated nasal quality and the presence of a VPO.     

Three-Quark Potential in SU(3) Lattice QCD

The static three-quark ( 3Q) potential is studied in SU(3) lattice QCD with 12(3)x24 and beta = 5.7 at the quenched level. From the 3Q Wilson loop, 3Q ground-state potential V(3Q) is extracted using the smearing technique for ground-state enhancement. With accuracy better than a few percent, V(3Q) is well described by a sum of a constant, the two-body Coulomb term, and the three-body linear confinement term sigma(3Q)L(min), with L(min) the minimal value of total length of color flux tubes linking the three quarks. Comparing with the Q-&Qmacr; potential, we find a universal feature of the string tension, sigma(3Q) approximately sigma(Q&Qmacr;), and the OGE result for Coulomb coefficients, A(3Q) approximately 1 / 2A(Q&Qmacr;).     

阵列式阻性消声器传递损失计算模型*

针对气流通道彼此独立且截面尺寸较小的直管式阻性消声器,Belov基于声波导管理论推导了其消声量计算公式,该公式不适用于气流通道彼此连通且截面尺寸较大的阵列式阻性消声器。为此,本研究提出了一种阵列式消声器消声量计算方法。将阵列式消声器划分为周期性排列的消声单元,每个消声单元包含1个吸声柱。分别参照扩张式消声器和直管阻性消声器计算消声单元的抗性部分（进、出口气流通道截面突变处）和阻性部分消声量的理论值TL1和TL2。在此基础上,采用有限元法仿真得到消声器消声量仿真值TLs,基于阻性部分消声量仿真值和理论值的比值(TLs-TL1)/TL2,拟合确定各倍频带阻性消声量修正函数Nf,即修正后的消声量理论值计算模型为TLt''=TL1+TL2·Nf。作为算例,建立了多孔吸声材料流阻率为11425 Pa·s/m2时适用于不同结构尺寸的阵列式消声器消声量计算模型。实测结果验证表明,各倍频带修正后的消声量理论值与实测值绝对误差均小于3 dB。当吸声材料的流阻率与算例中取值相差较大时,消声量计算模型需参照本研究所述方法另行建立。     

态选择电荷交换实验测量以及对天体物理软X射线发射模型的检验

在高温天体等离子体环境中,低能高电荷态离子与中性原子和分子之间的电荷交换是天体物理环境中软X射线发射的重要机制之一.电荷交换软X射线发射相关的天体物理建模需要大量的主量子数n和角量子数l分辨的态选择俘获截面数据,目前这类数据主要来自于经典或者半经典的原子碰撞理论模型.本文利用反应显微成像谱仪,系统测量了炮弹能量为1.6—20.0 keV/u Ne~(8+)与He的单电子俘获n分辨的态选择俘获截面.将测得的相对态选择截面与多通道Landau-Zener方法以及分子库仑过垒模型计算的结果进行比较,发现理论模型计算结果与实验测量结果在弱反应通道上存在显著差异.进一步结合天体物理中常用的l分布模型,计算了1.6和2.4 keV/u Ne~(8+)与He之间电荷交换中的软X射线发射谱,通过与近期实验测量的X射线谱比较,发现计算的软X射线谱强度明显偏离已有的测量值.这些研究表明,多通道Landau-Zener方法、分子库仑过垒模型以及l分布模型在定量描述电荷交换态选择截面时存在一定的不足,如果将这些理论模型应用于天体物理的X射线背景研究中,可能导致对天体等离子体参数的描述不够准确.     

一种新型侧漏型光子晶体光纤的研制及其传输特性研究

通过引入椭圆掺锗芯和侧向泄露通道, 提出并研制出一种侧漏型光子晶体光纤(photonic crystal fiber, PCF). 应用结构重构全矢量有限元数值分析法分析了设计结构和实际研制的侧漏型PCF的传输特性. 研制的侧漏型PCF, 在波长1550 nm处基模的平均模场直径为9.275 μm, 与G652标准单模光纤具有很好的适配性, 模式双折射为0.837× 10^-4, 群双折射约为1.508× 10^-4. 基于研制的侧漏型PCF光纤构建了Sagnac干涉仪, 对其群双折射进行了测量. 测量结果表明:当侧漏型PCF光纤达到一定长度时, 在1450–1750 nm波长范围内, 二阶模在光纤中不能成为有效传输模式, 光纤可以实现单模传输; 另外, 研制的侧漏型PCF群双折射实验的测量平均值, 与数值分析结果相符合. 侧向泄露通道的引入, 增强了侧漏型PCF光纤对外界参量变化的敏感性, 提高了其在扭转、弯曲、压力等参量的光纤传感和高性能光纤激光器构建等方面的应用潜能. 关键词： 光子晶体光纤 侧向泄露通道 双折射 Sagnac干涉仪