移动接触线的物理力学研究

移动接触线,指两种互不相溶的流体在固体表面形成移动的三相接触区域.移动接触区域跨越多个尺度,其中三相物质之间的相互作用影响着整个流场的动力学特征.由于在能源、航天、生物等领域中的重要应用和迅速发展,移动接触线在新的应用背景下发展了新的难题.标度分析是度量接触线自相似扩展的重要手段.本文以移动接触线的标度关系为主线,介绍了"力–电–热–化学"多场耦合环境下,亲水内角、微柱阵列、可溶解固体、水力压裂滞后区等复杂几何结构的刚性/柔性固体表面,采用物理力学方法对于移动接触线动力学属性研究的进展.通过跨尺度实验研究、大规模分子动力学模拟和分子动理论/水动力学理论相结合的方法,发现了类固体前驱膜、单分子前驱水链、锯齿形接触线等新现象.从原子尺度的界面结构到连续尺度的流动特性,讨论了移动接触线自相似扩展的标度关系,以及其驱动来源、能量耗散、边界条件等物理机制和规律,为多物理场中的"Huh-Scriven佯谬"探索了解答,为移动接触线的前景和应用提出了展望.     

Physical mechanics investigations of moving contact lines

移动接触线,指两种互不相溶的流体在固体表面形成移动的三相接触区域.移动接触区域跨越多个尺度,其中三相物质之间的相互作用影响着整个流场的动力学特征.由于在能源、航天、生物等领域中的重要应用和迅速发展,移动接触线在新的应用背景下发展了新的难题.标度分析是度量接触线自相似扩展的重要手段.本文以移动接触线的标度关系为主线,介绍了"力-电-热-化学"多场耦合环境下,亲水内角、微柱阵列、可溶解固体、水力压裂滞后区等复杂几何结构的刚性/柔性固体表面,采用物理力学方法对于移动接触线动力学属性研究的进展.通过跨尺度实验研究、大规模分子动力学模拟和分子动理论/水动力学理论相结合的方法,发现了类固体前驱膜、单分子前驱水链、锯齿形接触线等新现象.从原子尺度的界面结构到连续尺度的流动特性,讨论了移动接触线自相似扩展的标度关系,以及其驱动来源、能量耗散、边界条件等物理机制和规律,为多物理场中的"Huh-Scriven佯谬"探索了解答,为移动接触线的前景和应用提出了展望.     

多物理场耦合作用分析的近场动力学理论与方法

广义来说,近场动力学(peri-dynamics, PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法.概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热–力、湿–热–力、热–氧、热–力–氧、力–电、热–电、力–热–电、多孔介质的水–力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.     

多物理场耦合作用分析的近场动力学理论与方法

广义来说, 近场动力学(peri-dynamics,PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法. 概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热--力、湿--热--力、热--氧、热--力--氧、力--电、热--电、力--热--电、多孔介质的水--力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.      

Review of peridynamics for multi-physics coupling modeling

广义来说, 近场动力学(peri-dynamics,PD)是假设每个物质点在承受一定范围内的非接触相互作用下,研究整个物理系统演化过程的理论,为涉及非连续和非局部相互作用的问题提供了一个统一的数学框架,具有广泛的适用性.在简要介绍诸多工程对于多物理场模型和数值计算软件的迫切需求后,针对现有商用软件在处理结构非连续演化问题时遇到的瓶颈,引入近场动力学理论和方法. 概述近场动力学固体力学模型,系统阐述近场动力学扩散模型和近场动力学多物理场耦合建模的研究现状和进展,主要涉及电子元器件、电子封装和岩土工程领域的多物理场耦合建模,包括热--力、湿--热--力、热--氧、热--力--氧、力--电、热--电、力--热--电、多孔介质的水--力流固相互作用等非耦合、半耦合与完全耦合模型,强调发展耦合方程数值解法的重要性.最后对扩散问题和多物理场耦合问题的近场动力学理论模型、数值算法和工程应用做进一步展望.     

固体跨尺度压痕标度律的研究与展望

压痕标度律是对通过压痕试验方法测定固体材料力学性能参量问题所给出的一般性结论, 具有重要的理论意义, 是探寻材料力学性能潜在规律的方法论研究. 本综述论文系统而简要地介绍如下主要内容: 采用传统理论对传统固体材料压痕标度律的研究回顾; 采用跨尺度力学理论对先进固体材料的跨尺度压痕标度律的研究回顾. 总结并得到了如下主要结论: 传统固体材料压痕标度律可由一空间曲面完整描绘, 若进一步已知某类无量纲独立参量的取值范围, 则该空间曲面可退化为系列平面曲线族; 先进固体材料(新材料)的跨尺度压痕标度律可由一个三维函数关系完整描绘, 若存在某类独立无量纲参量取值范围已知, 则该三维函数关系将退化为系列空间曲面族. 压痕标度律的未来研究发展仍将重点集中在建立新材料的跨尺度压痕标度律上, 以试图从根本上解决新材料力学性能标准规范难以建立的理论问题. 除此之外也将重点关注建立各类功能新材料的多尺度及跨尺度压痕标度律规律.      

壁面湍流标度律的PIV实验研究

利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层内的自相似标度律在不同的壁面距离的具体表达形式进行了实验研究。在动量损失雷诺数（Reθ=2167）下测量平板湍流边界层内的二维瞬时速度场。应用小波分析和传统统计学方法,在垂直于平板的平面内,对不同法向位置的自相似的标度律的具体形式及其随尺度的变化情况进行考察,并与已知的She-leveque（简称SL）标度律进行比较分析。结果表明,越接近壁面,结构函数的概率密度曲线尾部越宽,表现出逐渐增强的间歇性;并且随着壁面距离的减小,ESS标度律曲线与SL标度律曲线之间的差别也就越大,而新形式标度律曲线则与SL标度律曲线的差别逐渐减小。在提取的结构尺度一样时,结构函数的标度指数随法向位置的不同变化不大,但是随着提取结构尺度的增加,两种形式的标度律适用的尺度范围也在逐渐增大。     

针尖的化学物理力学研究

扫描探针显微镜的发明, 使人们了解纳米、分子和原子尺度的超微结构, 探测原子、分子间的力、电、磁及其复杂的物理和化学性质, 以及进行单原子、单分子操纵 成为现实. 本文从探针技术与表面化学物理力学耦合的角度出发, 首先对针尖的化学物理力 学研究领域进行了概述, 接着介绍了针尖的几种重要的化学修饰方法, 包括金属薄膜、自组 装单分子膜、胶体粒子及碳纳米管修饰; 然后以理论与实验结合的方式介绍了几个研究活跃 的领域: 表面力及分子间力(主要包括Van der Waals力, 双电层力, 憎水亲合力, Casimir力和单键力等)的理论描述与测量, 针尖的化 学物理力学在化学力滴定和表面化学识别等研究中的应用. 讨论了针尖与基底材料对测量力 的影响. 而这些复杂的原子、分子相互作用和物理、化学、力学及生物特性的实现均发生于 小小针尖上, 由此我们提出了``针尖力学'的概念. 并且指出多场(如电场、磁场、超声、 微波等)作用下, 针尖的化学物理力学研究将成为力学交叉学科研究的重点和热点.     

壁湍流相干结构尺度及边界层内的SL标度律

利用高分辨率、高帧率PIV系统对湍流边界层中相干结构的多种空间尺度和边界层内SL 标度律在不同尺度下的具体表达形式进行了实验研究. 实验在两个动量损失厚度雷诺数 (Re_{\theta}=628.5和Re_{\theta}=1032.9)下测量平板湍流边界层中缓冲 层、对数区和外区的二维瞬时速度场. 应用 小波分析以及传统的统计学方法，在垂直于平板和平行于平板的平面内考察平板湍流边界层 中存在的相干结构的流向和展向尺度，并与已知的相干结构尺度实验结果进行了对比分析. 利用在动量损失厚度雷诺数628.5下测得的数据，对多种脉动结构(脉动速度结构等) 的空间关系及其标度律进行了研究. 第2项工作直接利用湍流边界层空间速度分布，对多种 流场尺度结构内部的She-Leveque(简称SL)标度律及自相似律进行了验证. 结果表明，各 单一流场尺度结构内部，流向脉动速度{\pmb u}'、法向脉动速度{\pmb v}'及 脉动涡分量\d {\pmb v}'/\d {\pmb x}的统计结构量均存在明显的标度律，标度 指数的形式与自相似律和SL标度律均非常吻合，只是常数随流场尺度的不同而不同， 且呈现一定的规律性. 但对于结构量的五阶矩随距离l的研究表明，自相似律和SL 标度律成立的范围并不完全一致，同时标度律成立的范围大小与流场尺度有明显关系.     

泡沫铝弹性接触静力学行为的多尺度模拟

对泡沫铝的宏、细观组织结构,基于MC方法建立与材料制备工艺相应的数值模型,作为多尺度模拟的前提.通过计算模拟和统计分析大量数值试样的力学性能,得到了不同制备工艺制得的泡沫铝的弹性模量的分散性特点.借鉴代表性体积单元方法(RVE)和完全多格方法(FMG)的思想,采用基于"巨原子"模型的多尺度关联方法,并以简化的物理势场描述巨原子问的关系,设计了原子-巨原子-有限元多尺度算法.通过算例探讨了与理想刚性平面接触时,泡沫铝接触表面的应力集中情况.     

Ideal Gas Outflow from a Cylindrical or Spherical Source into a Vacuum

The solutions of initial and boundary value problems of the outflow of an ideal (inviscid and non-heat-conducting) gas from cylindrical and spherical sources into a vacuum are obtained. Time is measured from the moment, when the source is turned on; at this moment the source is surrounded by a vacuum. The entropy, flow rate, and the Mach number of the gas outflowing from the source are given, together with the source radius; the Mach number can be greater of or equal to unity. If the source radius is greater than zero, then the flow domain in the “radial coordinate–time” plane consists of the stationary source flow and adjoining non-self-similar centered expansion wave consisting of C^?-characteristics. The stationary flow is described by the known formulas, while the expansion wave is calculated by the method of characteristics. The calculations by this method confirm the earlier obtained laws for large values of the radial coordinate. The interface between the vacuum and the expansion wave is the straight trajectory of particles and, at the same time, a unique rectilinear C^?-characteristic. For the source of zero radius (“pointwise” source) the velocity, density, and speed of sound of the outflowing gas are infinite. The gas velocity remains infinite everywhere, while the density and speed of sound become zero for any non-zero values of the radial coordinate. For the pointwise source the problem of outflow into a vacuum is self-similar. In the plane of the “self-similar” velocity and speed of sound its solution is given by three singular points of a differential equation in these variables. At one of these points the self-similar velocity is infinite, the self-similar speed of sound is zero, and the self-similar independent variable varies from zero to infinity, with the exception of the extreme values.     

明渠流动若干特性初探

解析定量计算了光滑边壁条件下明渠内部平均流和脉动流能量间的分配关系,得到了平均流粘性耗散能量、脉动流能量、脉动流取自平均流能量之间的关系表达式.分析了能谱的结构形式,从工程应用的角度初步勾勒了恒定流动光滑边壁条件下明渠内部能量分布的轮廓.讨论了壁面剪切流层内的流场结构和特性,研究了Navier-Stokes方程的标度变换等一些定量的指标,从标度和流速分布之间的相互关系入手,对这些指标及其间的相互关系进行了讨论.分析了二维平行壁面剪切流内部流动结构的机理和特性,指出能量传递和不同阶段的不同结构有关,能量耗散和扩散与共振和锁频密切相联系.从另一个角度阐释雷诺数的物理意义,以突出雷诺数和涡之间的关系,强调雷诺数是空间点和时间的函数.     

Moving contact line problem: Advances and perspectives

The solid-liquid interface, which is ubiquitous in nature and our daily life, plays fundamental roles in a variety of physical-chemical-biological-mechanical phenomena, for example in lubrication, crystal growth, and many biological reactions that govern the building of human body and the functioning of brain. A surge of interests in the moving contact line (MCL) problem, which is still going on today, can be traced back to 1970s primarily because of the existence of the “Huh-Scriven paradox”. This paper, mainly from a solid mechanics perspective, describes very briefly the multidisciplinary nature of the MCL problem, then summarizes some major advances in this exciting research area, and some future directions are presented.     

闭孔泡沫铝泊松比及三轴压缩变形模式

在闭孔泡沫铝的唯象本构模型中, 泊松比是一个非常关键的参数, 为了探究闭孔泡沫铝泊松比变化规律研究结果存在分歧的原因, 认识闭孔泡沫铝泊松比变化规律中特征点的物理意义, 采用数值模拟方法, 建立了闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型及2D-Voronoi模型, 对模型进行侧面位移耦合单轴压缩边界条件下的仿真分析; 基于闭孔泡沫铝本构模型的唯象特性, 对闭孔泡沫铝变形模式的研究同样十分重要, 为明确其三轴压缩下的变形模式, 对闭孔泡沫铝的3D-Voronoi模型进行侧面位移受限轴向压缩边界条件下的仿真分析. 研究结果表明, 常规壳单元接触中的厚度减薄特性是闭孔泡沫铝泊松比变化规律的研究结论存在分歧的原因, 但厚度减薄不影响泡沫铝模型致密前胞孔结构的变形模式; 闭孔泡沫铝泊松比的准确变化规律为“增高?降低?再增高”的“S”型曲线, 并且, 曲线极大值对应闭孔泡沫铝吸能效率的增速下降点; 等比压缩应力状态下, 闭孔泡沫铝存在四种侧面变形模式, 分别为“(短期)压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→膨胀变形→压缩变形→膨胀变形”、“压缩变形→(短期)膨胀变形”及“压缩变形”.      

Variational Lagrangian-thermodynamics of nonisothermal finite strain mechanics of porous solids and thermomolecular diffusion

The nonisothermal finite strain dynamics of a porous solid containing a viscous fluid is developed on the basis of a new thermodynamics of open systems and irreversible processes. The same theory is applicable to the mechanics of a nonporous solid with thermomolecular diffusion of a substance in solution. New fundamental concepts of “thermobaric” and “convective” potentials are presented in the context of porous solids. Field equations and Lagrangian equations with generalized coordinates are derived directly from a variational principle of “virtual dissipation”. Inclusion of nonlinear viscoelasticity and plastic behavior is indicated. Partial saturation of pore fluid is discussed. The theory is applicable to the mechanics of a non porous solid with thermolecular diffusion of several molecular species in solution, and under certain conditions to the analogous case of a porous solid containg a fluid mixture. It is shown how the Lagrangian equations provide the foundation of finite element methods.     

广义连续统场论的现状和展望

对广义连续统场论的发展过程加以回顾,对其发展现状加以综述,并对包括其目标、非线性理论、多场问题、计算机化趋势、物理参数和应用等今后的研究方向提出了若干建议．      

Spacetime dimensional analysis and self-similar solutions of linear elastodynamics and cohesive dynamic fracture

We present a dimensional analysis and self-similar solutions for linear elastodynamics with extensions to dynamic fracture models based on cohesive traction–separation relations. We formulate the problem using differential forms in spacetime and show that the scaling rules expressed in terms of forms are simpler and more uniform than those obtained for tensor representations of the solution. In the extension to cohesive elastodynamic fracture, we identify and study the influence of certain intrinsic cohesive scales on dynamic fracture behavior and describe a fundamental set of nondimensional groups that uniquely identifies families of self-similar solutions. We present numerical studies of the influence of selected nondimensional parameters on dynamic fracture response to verify the dimensional analysis, including the identification of the fundamental set for cohesive fracture mechanics. We show that distinct values of a widely-used nondimensional quantity can produce self-similar solutions. Therefore, this quantity is not fundamental, and it cannot parameterize dynamic, cohesive-fracture response.     

An atomistically validated continuum model for strain relaxation and misfit dislocation formation

In this paper, molecular dynamics (MD) calculations have been used to examine the physics behind continuum models of misfit dislocation formation and to assess the limitations and consequences of approximations made within these models. Without compromising the physics of misfit dislocations below a surface, our MD calculations consider arrays of dislocation dipoles constituting a mirror imaged “surface”. This allows use of periodic boundary conditions to create a direct correspondence between atomistic and continuum representations of dislocations, which would be difficult to achieve with free surfaces. Additionally, by using long-time averages of system properties, we have essentially reduced the errors of atomistic simulations of large systems to “zero”. This enables us to deterministically compare atomistic and continuum calculations. Our work results in a robust approach that uses atomistic simulation to accurately calculate dislocation core radius and energy without the continuum boundary conditions typically assumed in the past, and the novel insight that continuum misfit dislocation models can be inaccurate when incorrect definitions of dislocation spacing and Burgers vector in lattice-mismatched systems are used. We show that when these insights are properly incorporated into the continuum model, the resulting energy density expression of the lattice-mismatched systems is essentially indistinguishable from the MD results.