热声致冷效应演示实验

基于热声致冷原理,利用自制的热声堆,采用常见的材料和仪器,设计了扬声器驱动热声致冷实验演示装置.以空气作工质,在无冷却措施的情况下,系统运行200 s后,实现了13℃的降温及25℃的温跨.     

以CO_2为工质的行波热声发动机研究

工质对热声发动机的性能有重要的影响.为了进一步增加热声发动机的压力振幅,降低其频率,本文在行波热声发动机中采用CO_2作工质,对采用N_2和CO_2作工质的热声发动机内部声场、压力特性和频率特性进行理论预测,并开展了一系列实验研究.实验结果和理论结果比较吻合,采用CO_2在行波热声发动机中获得1.3的最大压比,对应的压力振幅为0.222 MPa,工作频率降低到18 Hz附近.与N_2相比,采用CO_2提高了行波热声发动机压力振幅的性能.     

驻波热声冷却机的研究

与压缩机制冷相比,热声制冷结构简单、可靠性高和使用寿命长。本文在正常室温(20℃)和室压(1个大气压)的工作环境下以空气为声学介质来探讨热声制冷机的设计及热声制冷效果的影响因素,并制作样机进行实验研究。研究发现:板叠长度和中心位置对热声转换效率影响较大,其数值需要理论与实验相结合来确定;以空气为声学工质,在正常室温、室压下的热声制冷机,用50W的供电驱动、90 Hz工作时可实现冷热端37℃的温差。     

驻波型热声制冷机熵产分析

声制冷机是一种新型制冷机,具有无机械运动部件,可靠性高寿命长,采用惰性气体为工质无污染等优点．驻波型热声制冷机的声功泵热效应是不可逆过程,内部不可逆损失导致热声制冷机效率偏低,制约了热声制冷机的发展和应用．本文研究了线性范围内驻波型制冷机换热器和回热器内的可压缩振荡流动与传热过程的熵产,分析了板间距,振荡频率和温度梯度对熵产的影响。     

基于热质运动概念的普适导热定律

根据爱因斯坦的质能等效关系式,热能具有的等效质量称为热质,从而在固态和气态介质中分别建立了声子气质量和热子气质量的概念.应用牛顿定律建立了含有驱动力、阻力和惯性力的热质(声子气或热子气)运动的动量守恒方程.由于热量在介质中的传递本质上就是热质(声子气和热子气)在介质中的运动,所以热质动量守恒方程就是普适的导热定律,能够统一描述各种条件下的导热规律.当热流密度不是很大从而热质惯性力可以忽略时,热质动量守恒方程就退化为傅里叶导热定律,这表明傅里叶导热定律是特殊条件下的导热定律,对于微纳尺度条件下的导热,热流密度可以极高,由速度空间变化引起的惯性力不能忽略,在稳态导热情况下也将出现非傅里叶导热,此时在计算或者实验中不能用热流密度除温度梯度求导热系数.在超快速加热条件下,必需考虑惯性力,与基于CV导热模型的波动方程相比,普适的导热定律增加了因速度空间变化引起的惯性力项,所以在介质中热波叠加时不会出现产生负温度的非物理现象,表明基于热质运动概念的普适导热定律更为合理. 关键词： 傅里叶导热定律 普适导热定律 热质运动 非傅里叶导热     

混合工质热声发动机热力特性的试验研究

在自行研制的"驻波型热声发动机试验平台"上,对采用He/Ar混合工质的驻波热声发动机系统的热力特性进行了详细的试验研究.试验结果表明:采用混合工质可以有效地提高热声发动机的热力性能,当氦氩配比为4:1时,系统压比较纯质提高50%以上;另外,采用混合工质可以明显地降低系统的起振温度与消振温度,当氦氩配比在30%～50%之间时,起振温度和消振温度平均较纯质降低50℃和40℃左右,尤其是较低的起振温度意味着可直接利用低品位热量作为驱动热源,从而扩宽了热声发动机的适用范围.     

单分子-光子制冷泵的热力学行为

通过对发生光跃迁时的声子参与频度、热光转换效率以及制冷效率的研究,从理论上描述了单分子-光子泵的热力学行为.利用热分布次数作为热分布时间的衡量尺度,研究了单分子光子泵的制冷效率,得出了与其他研究者的实验曲线相符合的理论计算结果.解释了制冷功率随波长变化曲线在制冷区发生弯曲的原因.研究了单分子-光子泵的最大制冷效率,从理论上确定了引起制冷效率最大的激发波长位于单分子-光子泵吸收带红边的四分之一处.得出只有晶体材料才可能获得最大制冷效率的结论 关键词： 单分子 制冷泵 激光制冷 反Stokes荧光制冷     

金属中的热质运动—电子气的热质状态方程

根据热质运动理论可以得到普适导热定律,适用于极高热流密度以及超快速加热的极端导热条件。已有的理论研究得到了声子气状态方程,适用于非金属材料中的普适导热模型。而在金属材料中电子是热量传递的主要载体,声子气状态方程将不再适用。本文推导出热质理论中的电子气状态方程,并得到金属中的普适导热定律,为金属材料中极端条件下非Fourier导热现象的研究提供了理论基础。     

双壁碳纳米管热驱动的分子动力学模拟研究

本文利用分子动力学模拟研究了双壁碳纳米管中的热驱动现象,当双壁碳纳米管的内管存在温差而产生热流时,外管总是沿着内管的热流方向运动。当内管温度梯度为几K/nm时,外管每个碳原子所受的热驱动力在3.5 fN到16 fN之间。根据热质理论,声子气的运动会对物质原子骨架产生作用力,它就是热流产生的热驱动力,这定性解释了热驱动现象的物理机制。此外,基于声子理论分析了热驱动机理,指出驱动力大小与热流成正比。     

室温温区热声制冷机研究

热声制冷机作为一种新型制冷技术,具有效率高、可靠性好、环境友好等特点。目前,室温温区热声制冷机存在回热器声功利用量少、出口声功大、回收损失大等问题。本文基于SAGE软件,对室温温区热声制冷机的工作机理进行了研究。通过对两级及以上热声制冷机的制冷系数、制冷量以及进出口阻抗相角进行分析,探寻同时提高声功利用率和制冷量的方法。在分别以制冷系数和制冷量为优化计算目标的前提下,得到了室温温区多级热声制冷机的制冷量、制冷系数及声功利用率随级数变化的变化规律。计算结果显示,多级热声制冷机对出口声功的利用率存在最大值。可根据实际需求综合考虑制冷系数及制冷量,以得到较优的制冷工况。     

Sound scattering from partially water-filled elastic spherical shell with an internal elastic plate

According to the equation of motion in the elastic medium and integral equation of target scattering, the sound scattering from the partially water-filled elastic spherical shells with and without an inner plate is studied using the finite element and boundary element method, and the scattering normalized form functions of the shell filled with different volume of water are computed and the mechanism of resonance scattering is analyzed. The results show that the resonance of the shell with partially water-filled and without the plate is mainly related to the volume of water, and the resonance is produced by inner water and the spherical shell. The resonance characteristics of partially water-filled elastic shell with the plate are similar to that of empty structured elastic spherical shell, and the sound field in inner water is weaker which indicates the main resonance characteristics are decided by spherical shell and the plate. In addition, the scattering characteristics of spherical shell with plate and one side full water-filled are greatly different from the partially water-filled ones.     

火成岩中长石含量与其特征光谱间响应关系研究

长石是地表岩石最重要的造岩矿物,在地壳中的比例高达60%,几乎是所有火成岩的主要矿物成分。随着高光谱技术的发展,国内外众多学者研究主要造岩矿物含量与其特征光谱的响应关系,对遥感岩矿识别以及矿化蚀变信息提取提供了多种可能性。该研究以USGS光谱库里18个火成岩样本为基础数据,研究长石的特征光谱及其与含量之间的定量关系。通过原始光谱反射率及其变换(包括小波三层分解高频分量、小波二层分解、去包络线后光谱、去包络线后小波三层分解高频分量及去包络线后小波二层分解),研究其与长石的含量之间的相关关系,结果表明：(1)分析六种光谱反射率的变换,去包络线后小波三层分解高频分量的光谱反射率与长石含量的相关关系最好,且相关系数正负不断变化,根据相关系数极值获得长石的特征谱带为431,570,972,1 456,1 856,2 292.9和2 481 nm;(2)原始光谱反射率与长石含量的相关性曲线趋势较为平缓,而经小波分解得到的高频分量后,趋势明显,经去包络线及小波分解得到高频分量后,相关性曲线的变化趋势愈加明显,由此可见,自变量的微小变化就会引起因变量变化,当岩石中长石的含量极小时,小波分解处理能够提高模型的精度。将长石含量与特征光谱的关系量化,运用多元逐步线性回归分析以及最小二乘法建模,建立6个线性回归模型和6个最小二乘法回归模型,结果表明：(1)去包络线后的光谱比原始光谱建立的回归模型精度更高,经过小波二层分解后的低频分量建模的回归模型精度优于未进行小波分解的光谱,其中去包络线后小波二层分解低频分量建立的回归模型效果最佳。(2)多元线性回归建立的模型精度优于最小二乘法,同时筛选对因变量影响较大的自变量,972,1 456,1 856,2 292.9以及2 481 nm。因此选择去包络线后的光谱进行多元线性回归法进行分析长石含量与光谱反射率之间关系,考虑到不同的特征吸收波段对长石含量的影响因子不同,可以利用长石的特征光谱定量反演某一区域内的长石的含量,对识别矿物具有重要意义。     

近红外光谱技术在葡萄及其制品品质检测中的应用研究进展

葡萄具有丰富的营养价值、药用价值和经济价值,是世界上种植面积最大的水果之一。根据人们的消费需求及产品的贮运要求,葡萄被加工成葡萄干、葡萄汁、葡萄酒、葡萄籽油等常见葡萄制品。基于食品质量安全的关注以及高品质果蔬农产品的需求,如何快速有效地评价葡萄及其制品的质量已成为当务之急。随着无损检测技术及装备的快速发展,近红外光谱（NIR）技术因其快速、无损、精确、经济及便于在线分析的优点,也逐渐被应用在果蔬等农产品质量品质检测领域。近年来,国内外学者利用NIR技术在不损坏被检测葡萄及其制品的前提下,结合化学计量法、主成分聚类分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）、主成分回归（PCR）、偏最小二乘回归（PLSR）、支持向量机（SVM）及神经网络（NN）等数据处理方法探究了糖、酒精、酸等一般成分及色素、单宁、芳香物质等特有成分含量与有效光谱信息的关联性,以此建立了葡萄及其制品主要品质指标的定性鉴别与定量分析模型,为便携式近红外葡萄品质检测设备的研制和在线葡萄汁、葡萄酒酿制过程监测系统的开发提供了一定技术支持。文章系统概述了近十年来国内外NIR技术在葡萄、葡萄酒、葡萄汁及葡萄副产物检测中的应用现状,旨在为葡萄及其制品在后续分类鉴定与品质评价研究方面提供参考。研究表明NIR技术通过定量定性分析可实现葡萄复杂理化成分的多组分检测和分类鉴别,在测定葡萄理化特性与内部品质方面的研究已经有了一定的进展,且在葡萄酒、葡萄汁的品质过程监测和定性鉴别方面的研究应用逐渐增多,并逐步应用于葡萄皮中多酚、花青素等葡萄副产物分析,以及葡萄藤、葡萄叶营养生长状况监测等其他方面,进一步证实了NIR技术正成为检测葡萄及其制品品质的一种有效工具,为进一步提高葡萄及其制品品质价值以及实现葡萄果园的实时、高效生产管理提供了技术支持,应用前景极为广泛。如何深入挖掘葡萄及葡萄制品不同类检测数据所反映信息的内在关联性,结合视觉、味觉、嗅觉等多源信息融合技术建立预测精确度更高、更稳健的模型去全面评价葡萄生产、果园管理、成熟期收获及产后加工全过程,实现对葡萄及其制品生产全过程质量控制和在线监测将成为今后的发展趋势。     

光谱法研究阿莫西林及其与DNA的相互作用

报道了阿莫西林对照品与阿莫西林胶囊的常规拉曼光谱(NRS)和在银胶基底上溶液的表面增强拉曼光谱(SERS),归属了各个振动峰位和增强峰位;研究了阿莫西林对照品溶液与DNA相互作用的荧光光谱和表面增强拉曼光谱.结果表明:阿莫西林胶囊与阿莫西林对照品的NRS及SERS图谱基本一致,说明胶囊中的辅料对阿莫西林的检测几乎没有影...     

A robust and secure chaotic standard map based pseudorandom permutation-substitution scheme for image encryption

A novel and robust chaos-based pseudorandom permutation-substitution scheme for image encryption is proposed. It is a loss-less symmetric block cipher and specifically designed for the color images but may also be used for the gray scale images. A secret key of 161-bit, comprising of the initial conditions and system parameter of the chaotic map (the standard map), number of iterations and number of rounds, is used in the algorithm. The whole encryption process is the sequential execution of a preliminary permutation and a fix number of rounds (as specified in the secret key) of substitution and main permutation of the 2D matrix obtained from the 3D image matrix. To increase the speed of encryption all three processes: preliminary permutation, substitution and main permutation are done row-by-row and column-by-column instead of pixel-by-pixel. All the permutation processes are made dependent on the input image matrix and controlled through the pseudo random number sequences (PRNS) generated from the discretization of chaotic standard map which result in both key sensitivity and plaintext sensitivity. However each substitution process is initiated with the initial vectors (different for rows and columns) generated using the secret key and chaotic standard map and then the properties of rows and column pixels of input matrix are mixed with the PRNS generated from the standard map. The security and performance analysis of the proposed image encryption has been performed using the histograms, correlation coefficients, information entropy, key sensitivity analysis, differential analysis, key space analysis, encryption/decryption rate analysis etc. Results suggest that the proposed image encryption technique is robust and secure and can be used for the secure image and video communication applications.     

粘土矿物参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物的结构特征研究

粘土矿物在催化木质素形成腐殖质方面具有重要贡献。为有效阐明微生物-木质素-粘土矿物三者间的关系，探明矿物-菌体残留物的结构特征，采用液体摇瓶培养法，以木质素为碳源，通过添加高岭石和蒙脱石，在接种复合菌剂后启动110 d液体培养，期间动态收集矿物-菌体残留物，利用傅里叶红外光谱及扫描电子显微镜技术对其结构特性进行了研究。结果表明：高岭石颗粒边缘多由管状体卷曲而成，在参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后，连片状细小颗粒结构进一步团聚，结合更加紧凑，短管状结构增多，但整体仍保持多水高岭石的结构特征；在初始富营养条件下，高岭石能够促进微生物繁衍，使大量菌体聚集于高岭石表面，掩蔽了Si-O和Si-O-Al键，且矿物-菌体残留物中脂族碳结构比例增加；菌体中多糖物质通过含氧官能团与高岭石表面的水化层在多个部位形成氢键，氢键的形成对于高岭石稳定木质素及其降解产物具有重要作用，芳香碳结构比例和多糖类物质含量随培养时间逐渐增加，而后复合菌株对掩蔽在矿物表面的菌体进行二次利用，使高岭石Si-O-Al键重现；蒙脱石多由浑圆的颗粒结构组成，接种微生物可使其表面产生溶蚀，团粒结构遭到破碎；与10 d相比，历经30 d培养所得矿物-菌体残留物中的多糖类物质增多，使原本归属蒙脱石Si-O-Si及Si-O结构的1 034~1 038 cm-1处吸收峰强度增加，而后因多糖类物质与蒙脱石表面羟基发生缔合，又使该处吸收峰强度减弱，同时发生了氢键键合，该作用是蒙脱石-微生物-木质素间相互作用、形成矿物-菌体残留物的主要机制；高岭石在稳定有机碳方面的能力要高于蒙脱石，更易促进HS前体物质的形成。     

分光光度法对白洋淀各形态氮磷分布特征及源解析的研究

氮磷是引起湖泊富营养化的关键限制因子,对于水体和底泥中各形态氮磷的分布特征和源解析的研究能有效地揭示水体富营养化的过程与机制并分析其污染来源。白洋淀作为雄安新区最重要的水源之一,其水体富营养化状况严重,氮磷污染不容乐观。对于各形态氮磷含量分布特征及源解析的研究有助于全面分析该地区氮磷污染状况及污染来源,而目前同时研究底泥和水体两种介质各形态氮磷的分布规律,并利用模型定量分析各污染源对于各形态氮磷贡献的研究较少。利用分光光度法研究白洋淀水体和底泥两种介质各形态氮磷分布特征,利用主成分分析法综合评估白洋淀各区域氮磷综合污染状况,基于绝对主成分得分-多元线性回归(APCS-MLR)模型分析不同污染源对于各形态氮磷的贡献量。研究结果表明,白洋淀水体中总氮(TN)含量(1.41～4.64 mg·L-1)严重超标,均为重富营养化;水体中总磷(TP)含量(0.043～0.273 mg·L-1)污染也相对严重,95.8%的采样点为Ⅳ类及以上水质。水体中可被藻类和植物直接吸收利用的氨氮(NH+₄-N)和硝态氮(NO-₃-N)总占比达到54.9%;另外,对水体富营养化贡献大的溶解性无机磷(DIP)和溶解性有机磷(DOP)两种磷形态总占比达到52.8%。水体氮磷总量和形态的分布规律表明：白洋淀的水体富营养化状况不容乐观,对水体富营养化影响大的各形态氮磷占比大,其中白洋淀景区和淀边缘区污染相对严重。底泥生物可利用性氮(EN和HCl-N之和)占TN的比例为17.9%～66.4%,生物可利用性磷(BAP)的含量占TP的比例为8.50%～28.0%。以上结果表明,白洋淀底泥存在较大氮磷释放风险。主成分分析结果表明,白洋淀景区相较于其他区域氮磷污染严重。APCS-MLR模型分析结果表明生活源污染对于各形态氮磷(尤其底泥中)的贡献量大,农业污染、动植物残体分解、养殖业对各形态氮磷含量也有较大贡献。     

Structure control of Pt-Sn bimetallic catalysts supported on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG)

PtSn bimetallic catalyst nanoparticles were grown on highly oriented pyrolytic graphite (HOPG) surfaces using the sequential deposition and co-deposition of Pt and Sn. The surface morphology and composition of the prepared PtSn catalysts were investigated by scanning tunneling microscopy and CO adsorption experiment. It is found that the structure of the PtSn catalysts can be controlled by the deposition process. The deposition sequence of 1st Pt and 2nd Sn and co-deposition of Pt and Sn produce Sn-shell and Pt-core structure, while the deposition sequence of 1st Sn and 2nd Pt leads to the growth of individual Pt and Sn particles. The formation of various PtSn bimetallic structures was attributed to the different surface energy of Pt and Sn, and the interaction of the metals with the HOPG surfaces.     

天水仙人崖石窟壁画颜料层原位-无损分析研究

壁画是我国极为重要的文化遗产类型,具有极高的历史价值、艺术价值、科学价值、文化价值和社会价值。颜料层作为壁画的核心价值所在,包含古代历史文化、宗教信仰、政治经济、科学技术等多方面的信息内涵。常规的颜料层分析方法有原位无损和微损取样两种,取样分析方法虽能满足这类珍贵、脆弱文物的研究,但获取样品数量有限且会对本体造成不可逆转的损伤。综合运用数字成像以及光谱等分析技术对天水仙人崖石窟壁画颜料层进行工艺与制作材料研究。结果显示,正射影像图能够真实记录壁画当前纹理信息,色度仪可以量化表征壁画颜料的颜色,红紫外摄影可以提取可见光下不易探查的壁画绘制线稿、修复痕迹等隐含信息,高倍数码显微镜可观察壁画表面的微观形态及破损处的层次信息,便携式X射线荧光光谱仪可检测出颜料中的元素由此判断主要显色元素,高光谱采集所得数据与标准图谱比较后能够准确判定颜料的矿物种类。因此,多种原位无损分析方法的联合运用,可以减少对文物的直接干预,亦可达到对壁画颜料层认知的目的。这些非接触式的无损检测方法,可精细化研究壁画颜料层的色彩、物理、化学属性等内容,是壁画现场分析的重要手段,可在石窟寺、寺观殿堂、墓葬壁画的研究上进行推广,发挥其应有之用。     

基于紫外LED阵列光催化降解抗生素的研究

抗生素的大量使用对生态环境造成巨大的影响,光催化技术具有操作简单且无二次污染等特点被广泛应用于污染物的降解。在光催化降解抗生素过程中,光源对其降解效率至关重要,与传统的汞灯催化光源相比,紫外LED技术具有更高的能源效率及更低的功耗,使光催化工艺发生了巨大的变化。首先建立基于紫外LED阵列的光催化平台,采用光栅光谱仪和紫外照度计对LED阵列光源光谱特性及装置内光场分布进行测量分析。结果显示紫外LED光源波长介于265～295 nm之间,其主波长为275 nm,由于光场叠加效果,光照强度随着装置径向位置距离的增大而明显增大,装置轴向位置光照强度分布较为均匀;其次通过三维超景深显微镜、UV-Vis光谱测量技术对P25型光催化剂的粒子结构进行表征分析,同时使用半导体求导公式对TiO₂粉末进行禁带分析,结果显示TiO₂为球形,由于空气中相对湿度过大,水在TiO₂微粒表面的润湿性加强了微粒间的粘附力,因此有团聚现象产生,其禁带宽度为3.1 eV;最后以紫外LED阵列和高压汞灯为催化光源,P25型TiO₂为催化剂分别对甲基橙、磺胺类抗生素进行光催化降解,使用紫外-可见光分光光度计测量降解过程中的吸收光谱曲线,进而对抗生素降解率进行分析。结果表明,甲基橙和磺胺二甲嘧啶在紫外LED阵列为光源条件下均能够被降解,分别经过160和240 min的催化降解过程后,降解率分别达到70%和36%,符合一级动力学方程,经计算LED阵列光源与汞灯对甲基橙的降解动力学常数分别为-0.007 5和-0.113 5 min-1,对磺胺二甲嘧啶的降解动力学常数分别为-0.001 9和-0.019 4 min-1。因此对甲基橙和磺胺二甲嘧啶进行降解时,汞灯降解速率高于紫外LED阵列;由于紫外LED阵列和汞灯系统在催化降解污染物过程中功率和其与反应器中轴线距离不同,对两种光源的抗生素降解效率建立评价方法,即对紫外LED和汞灯以单位功率为标准进行距离降解效率分析,对于甲基橙,汞灯在单位功率下的距离降解效率高于紫外LED,但对于抗生素,紫外LED阵列的距离降解效率明显高于汞灯。依据以上各类光谱分析和应用结果,紫外LED阵列是一种有竞争力的光催化应用替代光源,此技术的广泛应用为抗生素的降解提供新途径。