瑞利-泰勒不稳定问题的光滑粒子法模拟研究

提出了一种适用于模拟多相流的光滑粒子法,该方法对密度方程在交界面处的离散格式进行了修正以适应多相流所涉及的大密度比问题,在不同相粒子之间施加了很小的排斥力以防止粒子穿透交界面,并采用了最新发展的双曲型光滑函数以消除应力不稳定问题.应用该多相流光滑粒子法模拟研究了单模态和多模态瑞利-泰勒不稳定问题.通过与文献中结果的对比研究表明:在模拟瑞利-泰勒不稳定问题时,本文方法的结果明显优于文献中的大部分光滑粒子法模拟结果,与Grenier等(2009 J.Comput.Phys.228 8380)的结果相当,但本文方法比Grenier等的方法简单方便.对于单模态瑞利-泰勒不稳定问题,研究了交界面的形态,涡结构的演化过程以及贯穿深度随时间的变化关系.对于多模态瑞利-泰勒不稳定问题,研究了交界面演化过程中小尺度结构合并成大尺度结构的过程,水平方向的平均密度随高度的变化关系,以及贯穿深度随时间的变化关系.     

应用多介质PPM方法计算斜激波与物质交界面的相互作用

利用多介质PPM方法研究斜激波与物质交界面的相互作用.采用与体积分数耦合的Euler方程组作为计算模型,用双波近似来求解一般刚性气体状态方程Riemann问题.通过体积分数的计算来获得界面的位置,在整个流场采用统一的高阶PPM格式进行计算.文中对斜激波与不同物质界面相互作用进行了数值模拟,并给出了交界面上由于斜压效应产生的涡列的演化过程,特别是强斜激波与不同物质界面的相互作用的情况.     

液面位置对流-固交界面上伪瑞利波幅度影响的数值模拟

研究了流体半空间中存在气-液交界面并且其位置发生改变时,流-固交界面上伪瑞利波的传播特性和幅度响应特征。借助有限差分的方法,实现了对不同气-液交界面位置时振动方向垂直于流-固交界面的脉冲面源所激发表面波声场的数值模拟,分别讨论了气-液交界面自身的散射作用与伪瑞利波传播过程中的能量泄漏对伪瑞利波幅度的影响。数值模拟结果表明:气-液交界面自身对伪瑞利波的散射作用对伪瑞利波幅度仅有极微小的影响,而能量泄漏才是引起伪瑞利波衰减的决定性因素;随着气-液交界面位置的升高,脉冲伪瑞利波幅度呈指数规律下降,与此同时主频向低频偏移。所得研究结果可以发展为一种利用伪瑞利波幅度进行液位检测的可靠方法。      

基于Level Set方法的双层流体热毛细对流的数值研究

基于Level Set方法建立了双层流体热毛细对流的数学模型,通过变密度二阶投影法求解控制方程,C-N隐式技术用于扩散项更新,三阶龙格库塔技术用于对流项的更新,采用连续表面张力模型(CSF)模拟Marangoni效应。三维数值模拟了微重力环境下双层流体系统中交界面变形的热毛细对流,结果显示,在Marangoni效应的作用下,交界面在热端凸起,在冷端凹陷;随着Marangoni数增大,双层流体交界面的变形率随之增大,对流强度也随之增大;交界面与壁面的接触条件会影响热毛细对流的流场和温度场。     

一维多介质可压缩流动数值方法

应用高精度界面追踪方法计算一般状态方程的多介质可压缩流动问题;应用LevelSet技术捕捉界面位置,在界面附近采用守恒数值离散,用双波近似求解一般状态方程Riemann问题,并采用统一高阶PPM格式进行内点和交界面点的计算.一维算例表明,该方法对于光滑区域以及多介质交界面具有二阶精度,能准确地模拟交界面的位置,交界面计算无数值振荡和数值耗散,并能处理一般状态方程的多介质可压缩流动问题.     

两种非线性反铁磁晶体交界面上磁表面波的传播特性

研究了两非线性单轴反铁磁晶体交界面上表面波的传播特性.理论分析和数值模拟表明:入射电磁波只有同时满足频率阈值和功率阈值条件才能在该非线性波导系统中形成稳定传播的表面波.随着传输功率的不断提高,磁场峰值将由一非线性晶体中跃入另一非线性晶体中,并逐渐靠近交界面.表面波动率变化不会对交界面处的磁场振幅产生影响,频率是影响其振幅大小的唯一因素. 关键词： 反铁磁晶体 非线性表面波     

恒定电流场中两层导电介质表面电荷分布特征研究

恒定电流场中电荷面密度的分布特征研究对了解恒定电流的流动特性具有重要意义.利用镜像原理推导出两层无限大导电介质中放置发射和回路电极时在介质交界面和介质与空气交界面上表面电荷密度分布公式.用COMSOL软件数值计算两层导电介质有限大小时的电荷面密度.结果表明,均匀介质中的介质与空气交界面上,发射电极一侧为正电荷,回路电极一侧为负电荷,中间无电荷.两种不同导电介质交界面电荷正负由两侧电阻率差决定,两侧电荷面密度大小与电导率成反比.有限大小介质中,数值计算定量揭示了介质与空气交界面上的角、边和不同介质交界线的电荷分布特性,它们依赖于发射电极和回路电极的位置以及表面几何结构.     

量子态的等价类与量子逻辑门

在量子力学中,态的演化是一个幺正演化过程,态的演化过程可以用演化算子对态的作用来表示,幺正演化过程是时间可逆的.基于这一基本事实,Gerard't Hoofl引进了量子态的等价类概念,并用两组等价类之间的变换来描述量子态的幺正演化.本文利用等价类的概念及其变换来探究构建量子信息论中常用的通用量子门,给出通用量子门的推广形式.最后说明这些通用量子门可以基于双qubit体系内在的相互作用Hamilton量得以实现.     

基于光纤Bragg光栅的冰与水交界面附近的温度场分布检测研究

通过研究冰与水交界面附近温度场分布情况为找到冰情检测新方法及研究冰水转化提供理论指导。在水域投入冰后,对冰-水热传导影响冰水交界面附近温度变化进行了检测。对离冰水交界面在5~9cm、-4~0cm、0~4cm、-5~-9cm处温度分布研究拟合得到点距冰与水交界面距离与温度关系函数,数据验证,拟合值与监测值误差在±(0.1~0.3℃)。当冰与水交界面温度场引起附近温差越大,冰水转化越快,易引发冰情。     

抑压水池温度分层影响因素

对于小型模块式反应堆,可采用安全壳抑压装置限制失水事故引起的安全壳快速升温升压。然而随着排放质量流率及水池水温的变化,水池中可能出现温度分层现象,进而降低传热传质效果。建立了抑压排放水池温度分层实验装置,开展了蒸汽质量流率、鼓泡器淹没深度及气水容积比对水池温度分层特性影响的实验研究。结果表明:在较宽的蒸汽质量流率范围内,水池内均发生了温度分层现象,随着质量流率增大,对分层的影响程度减弱,冷热交界面下移,带动更多水体参与热量交换;鼓泡器淹没深度增加导致热交界面位置下移,水体搅动作用增强,从而提高水体冷却利用率;气水容积比增大,冷热交界面下移,受扰动区域增大。     

Numerical investigation of the effect of insoluble surfactant on drop formation in microfluidic device

Surfactants are commonly used in droplet-based microfluidics to stabilize the droplet interface. In this study, we investigate the effect of insoluble surfactant on drop formation in a capillary microfluidic device. We use a diffuse-interface method to describe the evolution of interface involving insoluble surfactant. The Navier-Stokes/Cahn-Hilliard equations and the surfactant conservation equation are solved by a finite element method along with a grid deformation method. As the surfactant has a non-uniform distribution during the drop formation in general, the surface tension has a gradient on the interface, which affects the flow field and interface evolution. The surfactant effect is discussed for dripping and jetting regimes.     

Evolution of the electrode–electrolyte interface in a lithium–polymer battery

Using impedance spectroscopy and in situ optical absorption experiments, we have studied the evolution of a lithium electrode/polymer electrolyte interface during aging and cycling. During a period of 3–5 days after assembling a cell, aging has a detrimental effect on the interface: this effect is observed both on the interface impedance and on the optical properties of the electrolyte. After this initial period, optical absorption measured during cycling a cell reveals a concentration evolution in the electrolyte in agreement with theoretical predictions.     

粗化过程中颗粒界面形状演化的三维多相场法研究

利用多相场模型对液-固两相体系中固相颗粒的粗化过程进行了三维模拟,对粗化过程中的界面形状分布进行了统计分析,研究了不同固相体积分数下颗粒连接状态对界面形状演化及粗化速率的影响.模拟结果表明:当颗粒间存在大量连接时,粗化速率随固相分数的变化速率比颗粒无连接时变缓,且随着粗化进行,高曲率的双曲形界面所占比例不断降低,低曲率的椭球形界面所占比例逐渐增多;无论固相颗粒间是否发生连接,界面形状演化经历一定阶段后,三维界面形状分布均呈现自相似性,但随着固相体积分数的增加,界面形状分布呈现自相似性所需的时间延长.     

壁面静止水滴冻结过程形状变化

低温表面上的液滴冻结时会形成具有尖顶的形状。针对这一现象开展了理论与实验研究,建立了新的动态曲形相界面模型用来模拟水滴冻结过程中的形状变化。模型考虑重力和成核再辉效应的影响,将冻结过程中的冰水相界面近似为球冠形曲面,并在三相点处引入动态生长角和直角关系。对壁面上20μL静止水滴进行了冻结实验,记录水滴三相点高度的演化过程,以此拟合得到了其随时间变化的关联式,基于该关联式求解理论模型,得到了水滴最终冻结形状。模拟结果与实验结果在水滴初始轮廓、成核再辉轮廓和最终冻结轮廓以及冻结时间上均吻合良好。曲面模型的计算结果表明,固液相界面上不同位置处的冻结速率不同;随着相界面向上推移,冻结速率逐渐减小。     

On the structure of the velocity field due to wave motion at a uniformly charged interface between two viscous immiscible liquids

An analytical solution to the problem of evolution of a capillary-gravitational wave on the uniformly charged interface between viscous immiscible liquids is found. It is shown that, away from the interface, both the total liquid flows and their wave-related eddy components on both sides of the interface decrease rapidly. The amplitude of the velocity field curl changes stepwise in going through the interface. The ratio between the amplitudes of the velocity field eddy components in the media being considered depends on the charge density at the interface, ratio of the kinematic viscosities, and densities of the upper and lower liquids.     

激波作用不同椭圆氦气柱过程中流动混合研究

在激波与气柱相互作用问题中,压力与密度间断不平行产生的斜压涡量会引起流动的不稳定性,从而促进物质间的混合.本文基于双通量模型,结合五阶加权基本无振荡(WENO)格式,求解多组分二维Navier-Stokes方程,分析激波作用面积相同结构不同的椭圆气柱所致的流动和混合.数值结果清晰地显示了激波诱导Richtmyer-Meshkov不稳定性引起的气柱界面变形和波系演化.同时定量地从界面运动、界面结构参数变化(长度和高度)、气柱体积压缩率、环量及混合率等角度分析激波诱导的流动混合机制,研究椭圆几何构型对氦气混合过程的影响.结果表明,界面及相关参数的演化与气柱初始形状密切相关.当激波沿椭圆长轴作用于气柱时,气柱前端出现空气射流结构,且射流不断增长并渗透到下游界面,致使气柱分离成两个独立涡团,离心率越大,射流发展越快;同时激波作用气柱后在界面处产生不规则反射现象.圆形气柱界面演化与这种作用情形类似.当激波沿椭圆短轴作用于气柱时,界面上游出现类平面结构,随后平面上下缘处产生涡旋,主导流动发展,激波在界面作用产生规则反射,离心率越大,这些现象越明显.界面高度、长度、体积压缩率也因此有所差异.对界面演化、环量和混合率的综合分析表明,激波沿长轴作用于气柱且离心率较大时,流动发展较快,不稳定性导致的流动越复杂,越有利于氦气与环境介质的混合.     

耦合界面力的两相流相场格子Boltzmann模型

提出了一种改进的基于相场理论的两相流格子Boltzmann模型.通过引入一种新的更加简化的外力项分布函数,使得此模型克服了前人工作中界面力尺度与理论分析不一致的问题,并且通过Chapman-Enskog多尺度分析表明,所提出的模型能够准确恢复到追踪界面的Cahn-Hilliard方程和不可压的Navier-Stokes方程,并且宏观速度的计算更为简化.利用所提模型对几个经典两相流问题,包括静态液滴测试、液滴合并问题、亚稳态分解以及瑞利-泰勒不稳定性进行了数值模拟,发现本模型可以获得量级为10^-9极小的虚假速度,并且这些算例获取的数值解与解析解或已有的文献结果相吻合,从而验证了模型的准确性和可行性.最后,利用所发展的两相流格子Boltzmann模型研究了随机扰动的瑞利-泰勒不稳定性问题,并着重分析了雷诺数对流体相界面的影响.发现对于高雷诺数情形,在演化前期,流体界面出现一排“蘑菇”形状,而在演化后期,流体界面呈现十分复杂的混沌拓扑结构.不同于高雷诺数情形,低雷诺数时流体界面变得相对光滑,在演化后期未观察到混沌拓扑结构.     

Phase-field formulation for quantitative modeling of alloy solidification

A phase-field formulation is introduced to simulate quantitatively microstructural pattern formation in alloys. The thin-interface limit of this formulation yields a much less stringent restriction on the choice of interface thickness than previous formulations and permits one to eliminate nonequilibrium effects at the interface. Dendrite growth simulations with vanishing solid diffusivity show that both the interface evolution and the solute profile in the solid are accurately modeled by this approach.     

可压流体Rayleigh-Taylor不稳定性的离散Boltzmann模拟

使用离散Boltzmann模型模拟了可压流体系统中多模初始情况下的Rayleigh-Taylor不稳定性.该离散Boltzmann模型等效于一个Navier-Stokes模型外加一个关于热动非平衡行为的粗粒化模型.通过模拟Riemann问题:Sod激波管、冲击波碰撞和热Couette流问题验证模型的有效性,所得数值结果与解析解一致.利用该模型对界面间断随机多模初始扰动的可压Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟研究,得到不稳定性界面演化过程的基本图像.由于黏性和热传导共同作用,一开始扰动界面被"抹平",演化较慢;随着模式互相耦合而减少,演化开始加速,并经历非线性小扰动阶段和不规则非线性阶段,而后发展成典型的"蘑菇状",后期进入湍流混合阶段.由于扰动模式的耦合与发展,轻重流体的重力势能、压缩能与动能相互转化,系统先是趋于热动平衡态,而后偏离热动平衡态以线性形式增长,接着再次趋于热动平衡态,最后慢慢远离热动平衡态.     

Solute transport and interface evolution in dissolutive wetting

Dissolutive wetting, i.e., droplet wetting on dissolvable surfaces, is essential for various natural phenomena and industrial applications such as the formation of sinkholes, enhancing shale gas recovery, drug design, MEMS, and so on. It is difficult to predict the evolution of concentration field and solid-liquid interface owing to the coupled effects of wetting, diffusion, and convection. This study makes substantial progress by proposing a new theory based on Onsager's variational principle and finding two modes of solute transport, i.e., shifting and lifting modes. Furthermore, we investigate the influence of wetting and dissolution coupling on the interface shape using a phase diagram. Using our theory, we can predict and inversely predict the interface evolution.