减阻用表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展

减阻用表面活性剂在能源动力及化工领域有着广泛应用,在管道流体中加入少量表面活性剂可以使流动阻力大大降低从而节约能源,对于表面活性剂减阻机理的讨论也是近些年学者关注的热点之一.本文不仅对课题组前些年在表面活性剂溶液流变性、湍流减阻、减阻与传热的相关性、布朗动力学模拟方面的工作进行了概述,而且详细介绍了近三年来在表面活性剂粗粒化分子动力学模拟方面的研究成果.粗粒化模拟是近年来发展起来的方法,目前已广泛应用于化学、生物等诸多领域.在粗粒化分子动力学模拟方面的工作包括:表面活性剂溶液的流变性能与微观结构、表面活性剂溶液湍流减阻机理研究、湍流减阻失效分析三个部分.通过对表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展的回顾,作者认为,利用粗粒化分子动力学模拟方法可以合理揭示表面活性剂胶束的结构与流变性的对应关系,对胶束的断裂与再连接能力进行多维度的评价,如胶束的拉伸能、断裂能、最大拉伸长度、结合能、$\zeta$电势、疏水基驱动作用等方面.并对"黏弹说"减阻机理进行分子模拟层面的验证,对实际应用中的湍流减阻失效原理进行初步分析.最后,根据对近几年分子动力学模拟工作的总结,展望了未来粗粒化分子动力学模拟在表面活性剂方面的研究方向.      

多孔翼型流场的数值模拟研究

空化和空蚀是影响水力机械能否安全、经济运行的主要因素之一.为了研究新的翼型结构——多孔翼型对于水力机械的空化及空蚀现象的影响,利用PROE建立具有不同微孔数的翼型模型,再借助Fluent软件对多孔翼型的三维绕流流场进行了定常数值模拟计算.基于伯努利定律,对具有不同孔数的翼型绕流流场进行流态分析.根据模拟结果显示的不同翼型结构的速度场和压力场的分布特征,从能量转换的角度出发,揭示了多孔翼型绕流流场的内在特性,即绕流翼型的流场(速度场、压力场)是随着孔数而变化的.结合空化发生的条件,说明采用多孔翼型结构对改善水力机械内部空化现象是有一定的作用的,通过数值模拟方法来分析研究水力机械内部的空化空蚀现象,可以作为实验与理论分析的参考.从一个新的角度,为改善水力机械的空化和空蚀现象提供了新思路.     

汽车机械惯量电模拟技术

为了在汽车测试中模拟汽车惯量,研究了机械惯量电模拟的方法.分析总结了传统飞轮组模拟方法的层限性.分析和给出在不同测试目的和测试结构下,汽车等效惯量的不同计算方法.分析了测试系统的运动方程.从中导出了在电模拟时需要补偿的转矩,分别讨论了加减速过程和惯量不匹配这两种情况下补偿转矩的性质.研究了异步电动机的4象限运行机械特性,针对具体实现时所使用的变频拖动系统的特点,结合工程条件,求解异步电动机变频变压时的机械特性方程,给出了频率控制方程.仿真结果表明,控制方法是可行的.     

光伏组件机械载荷试验及数值模拟研究

利用有限元软件ANSYS,对光伏组件的机械载荷试验进行数值模拟,数值模拟结果与机械载荷试验结果具有很好的一致性.光伏组件数值结果表明,硅片层的应力最大,阐明了硅片层容易产生裂纹的机理.为利用电致发光EL缺陷检测仪检测裂纹、碎片情况和利用功率检测功率变化提供了理论和试验支撑.通过此种方法对其它型号的光伏组件进行数值模拟研究具有广泛的适用性.     

近场动力学方法及其应用

近场动力学(peridynamics,PD)是一种新兴的基于非局部作用思想建立模型并通过求解空间积分方程描述物质力学行为的方法.它兼有分子动力学方法和无网格方法的优点,避免了基于连续性假设建模和求解空间微分方程的传统宏观方法在面临不连续问题时的奇异性,又突破了经典分子动力学方法在计算尺度上的局限,在宏/微观不连续力学问题分析中均表现出很高的求解精度和效率.首先概述了PD方法的理论基础、建模思路和计算体系;进而介绍了PD方法在不同尺度不连续力学问题中的应用,包括均匀与非均匀材料和结构的大变形、损伤、断裂、冲击、穿透和失稳问题,结晶相变动力学问题以及纳米材料和结构的破坏问题;最后讨论了PD方法在理论、计算和应用等方面值得进一步研究的问题.     

冻土开挖破碎方法研究现状与展望

通过对冻、融土强度性能的对比分析,发现冻土强度远大于融土,导致冻土开挖困难,是困扰寒区工程作业的一项技术难题.作者首先介绍了几种开挖冻土的方法,并对不同开挖法的实用性和可行性做了阐述,指出机械法开挖破碎冻土是十分重要和有效的措施.冻土开挖破碎的难易程度取决于冻土动力学性质及其与开挖机械的作用关系,本文对冻土动力学方面的研究做了简要概述,旨在指出影响冻土动力学性质的主要因素及其破坏损伤特征,为冻土开挖方式优化、改进开挖机械性能提供参考.最后结合以往的冻土切削和冲击试验,对进一步开展冻土开挖和开挖机械优化研究提出了几点建议,希望对改良寒区工程施工技术、提高作业效率起到指引作用.     

减阻用表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展

减阻用表面活性剂在能源动力及化工领域有着广泛应用,在管道流体中加入少量表面活性剂可以使流动阻力大大降低从而节约能源,对于表面活性剂减阻机理的讨论也是近些年学者关注的热点之一.本文不仅对课题组前些年在表面活性剂溶液流变性、湍流减阻、减阻与传热的相关性、布朗动力学模拟方面的工作进行了概述,而且详细介绍了近三年来在表面活性剂粗粒化分子动力学模拟方面的研究成果.粗粒化模拟是近年来发展起来的方法,目前已广泛应用于化学、生物等诸多领域.在粗粒化分子动力学模拟方面的工作包括:表面活性剂溶液的流变性能与微观结构、表面活性剂溶液湍流减阻机理研究、湍流减阻失效分析三个部分.通过对表面活性剂溶液分子动力学模拟研究进展的回顾,作者认为,利用粗粒化分子动力学模拟方法可以合理揭示表面活性剂胶束的结构与流变性的对应关系,对胶束的断裂与再连接能力进行多维度的评价,如胶束的拉伸能、断裂能、最大拉伸长度、结合能、ζ电势、疏水基驱动作用等方面.并对"黏弹说"减阻机理进行分子模拟层面的验证,对实际应用中的湍流减阻失效原理进行初步分析.最后,根据对近几年分子动力学模拟工作的总结,展望了未来粗粒化分子动力学模拟在表面活性剂方面的研究方向.     

耗散粒子动力学模拟方法的发展和应用

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)模拟方法是一门新兴的介观尺度数值模拟技术,是研究复杂物系介观结构的一种重要手段,也是联系宏观尺度和微观尺度的重要模拟方法之一.首先介绍DPD模拟方法的提出和它的发展过程;接着从DPD的理论模型、数值积分方法、参数的选择以及模拟系统与真实系统之间的映射关系4个方面介绍DPD的方法体系;然后介绍DPD模拟方法在复杂流体中的应用情况,具体包括多相流的聚集、微相分离和液滴的变形、破碎以及微通道内的流动等;最后, 对此领域的发展方向进行了预测分析.      

微纳通道谐振器检测与表征中的动力学问题

微纳通道机械谐振器在液体环境中具有超高的谐振频率、品质因子和灵敏度,常用于液体环境中的高精度检测与表征,在生物、医药、化工等领域有着广阔的应用前景.微纳通道机械谐振器的检测与表征功能高度依赖其动力学特性,而此类器件是由谐振结构、内部流体、被检测物和外部激励等多因素组成的耦合系统,涉及的动力学问题较为复杂,已成为谐振器件研究中的前沿热点和瓶颈问题.本文综述了微纳通道机械谐振器的研究进展,总结了谐振器件实现高精度检测与表征功能时的动力学设计原理,详细讨论了谐振器件的稳定性、频响特性、能量耗散、频率波动等动态特性,阐明了不同动力学问题的物理机制及其对谐振器性能的影响规律,可为深入厘清微纳通道机械谐振器的动力学设计问题,提高器件动态性能提供理论参考和技术支撑,对超高频、超高灵敏度谐振器的设计、制造及应用发展具有重要意义.      

极端条件下含能材料的计算机模拟

综述了含能材料的计算机模拟方法、各种方法的优缺点、近期含能材料的研究进展以及我们最近的工作总结。内容涵盖了分子、晶体等方面的模拟进展。模拟手段包括静态的量子化学计算、分子动力学模拟以及经验和半经验的方法。这些内容和结果可以为目前和以后的研究提供有益的参考。     

On the gating of mechanosensitive channels by fluid shear stress

Mechanosensation is an important process in biological fluid–structure interaction. To understand the biophysics underlying mechanosensation, it is essential to quantify the correlation between membrane deformation,membrane tension, external fluid shear stress, and conformation of mechanosensitive(MS) channels. Smoothed dissipative particle dynamics(SDPD) simulations of vesicle/cell in three types of flow configurations are conducted to calculate the tension in lipid membrane due to fluid shear stress from the surrounding viscous flow. In combination with a simple continuum model for an MS channel, SDPD simulation results suggest that shearing adhered vesicles/cells is more effective to induce membrane tension sufficient to stretch MS channels open than a free shear flow or a constrictive channel flow. In addition, we incorporate the bilayer–cytoskeletal interaction in a two-component model to probe the effects of a cytoskeletal network on the gating of MS channels.     

基于低频动态信息和超声导波的复杂结构损伤的在线诊断技术

在近三十年来,基于各类测试数据对工程结构发展有效的结构损伤在线诊断技术取得了长足的进步,由于该领域的研究成果数量过于庞大,本论文将仅限于对利用结构动态数据进行在线损伤诊断的技术进行介绍和总结。文章主要涵盖了两方面的内容：首先介绍利用结构低频动态信号进行土木、航空航天等领域内的大型复杂结构的各类在线诊断技术,特别重点介绍利用结构低频振动数据信息进行损伤诊断的理论、方法与应用;其次介绍利用结构高频动态信号,进行结构在线损伤诊断与监测的技术,主要详细介绍近十多年来发展起来的超声导波技术及其应用。论文分析和介绍了各类技术的应用范围,及其在不同的情况下使用时的优缺点,并对该领域的未来方法与技术的发展趋势进行了展望。     

The race to the nociceptor: mechanical versus temperature effects in thermal pain of dental neurons

The sensing of hot and cold stimuli by dental neurons differs in several fundamental ways. These sensations have been characterized quantitatively through the measured time course of neural discharge signals that result from hot or cold stimuli applied to the teeth of animal models. Although various hypotheses have been proposed to explain the underlying mechanism, the ability to test competing hypotheses against experimental recorded data using biophysical models has been hindered by limitations in our understanding of the specific ion channels involved in nociception of dental neurons. Here we apply recent advances in established biophysical models to test the competing hypotheses. We show that a sharp shooting pain sensa-tion experienced shortly following cold stimulation cannot be attributed to the activation of thermosensitive ion channels, thereby falsifying the so-called neuronal hypothesis,which states that rapidly transduced sensations of coldness are related to thermosensitive ion channels. Our results support a central role of mechanosensitive ion channels and the associated hydrodynamic hypothesis. In addition to the hydrodynamic hypothesis, we also demonstrate that the long time delay of dental neuron responses after hot stimulation could be attributed to the neuronal hypothesis—that a relatively long time is required for the temperature around nociceptors to reach some threshold. The results are useful as a model of how multiphysical phenomena can be combined to provide mechanistic insight into different mechanisms underlying pain sensations.     

土与结构界面接触问题研究进展评述

针对土与结构相互作用研究中的土-结构界面接触问题,本文从界面接触力学特性及界面接触模拟两个方面的研究展开评述.分析了接触面(带)的力学特性和变形分布规律方面的试验方法和取得的成果,讨论了现有试验方法的不足;随后,对土-结构界面接触行为的两类模拟方法--接触面单元方法和接触力学方法进行了讨论;最后提出了今后工作的重点.      

Recent progress and challenges in fundamental combustion research（燃烧基础研究的进展和挑战）

超过80%的世界的能源转换是由燃烧方法来实现的. 发展可利用替代燃料的清洁和高效的新型发动机是解决可持续能源发展的关键之一. 在燃烧研究领域,实现这一目标的挑战是要揭示从燃料分子到发动机的多尺度燃烧过程中化学反应和火焰动力学机理,发展高效,定量的数值模拟方法和开发新的燃烧技术. 本文从7个方面综述最近几年燃烧领域的基础燃烧研究的进展和挑战. 它们包括低温清洁燃烧的发动机技术,极限条件下的燃烧机理和现象,替代燃料和混合燃料模型,多尺度化学反应模拟方法,高压燃烧反应动力学,基础燃烧的实验方法,和先进测量技术. 本文首先介绍均值充量压缩点火（HCCI）,反应控制压缩点火（RCCI）以及增压燃烧等新型发动机的概念,评述燃料特性和低温燃烧反应过程对湍流燃烧和发动机的影响,讨论发展基础燃烧研究的必要性. 第二,综述燃料浓度分层燃烧,稀薄燃烧,冷炎燃烧,以及等离子体助燃等极限燃烧条件下的新的燃烧现象和火焰机制. 第三,以航空煤油和生物柴油为例来讨论建立模拟真实燃料和替代燃料的混合燃料模型的方法. 介绍活性基指数和输运加权的反应焓的概念并用来比较燃料的高温反应特性和评价燃料的分子结构对燃烧特性的影响. 第四,评述详细化学反应机理简化的方法. 介绍多时间尺度（MTS）的化学反应的模拟和动态关联性自适应机理简化（CO-DAC）的方法来提高详细化学反应机理的计算效率. 第五,讨论高压燃烧的火焰传播速度的实验测量结果以及高压燃烧化学反应机理所存在的问题,并分析高压燃烧的关键组分和反应路径. 第六,评述测量火焰速度和组分等基础燃烧实验方法和模型中的问题和误差来源. 介绍一些改进测量方法和提高测量精度的方法. 最后,介绍测量低温燃烧中的关键组分和自由基的测量方法和最新进展.      

运动生物力学发展现状及挑战

狭义的运动生物力学特指人体运动中的生物力学,主要解决竞技体育领域中如何提高运动成绩和减少运动损伤的问题.随着相关学科的融合和发展,当前运动生物力学的研究已扩展到与人类运动相关的生物学、医学、力学等学科领域.近年来,智能测试、大数据分析、人工智能等技术快速发展,对运动生物力学实验、仿真方法产生了重要的影响,在不断拓展和深化着该学科的研究内容和方向的同时,也对运动生物力学发展提出了新的挑战.本文综述了近年来运动生物力学领域的研究现状,并指出了相关研究方向的关键问题及发展趋势:在理论建模和模拟仿真计算方面,肌肉本构理论及肌肉力计算准确性是重点和难点;实验测试的新技术在竞技体育运动项目中的应用研究中扮演重要角色,其中基于深度学习的人体关键点检测算法在解决竞技体育的非接触测量方面有突破性进展;对于骨、韧带、软骨、肌肉等组织的宏观损伤机制认识不断清晰,但对于其早期损伤预测以及跨尺度损伤发生机制的研究仍有待深入;智能可穿戴装备、人工智能等新技术开始应用于运动生物力学研究及实践,成为目前运动生物力学领域最具活力的研究方向之一.本文的综述表明当前运动生物力学研究越来越向智能化、个体化、定量化发展,并正在...     

航空发动机叶片气动弹性动力响应的数值方法研究进展

流动诱发振动造成的航空发动机叶片高周疲劳失效问题深受关注.对叶片的气动弹性动力响应研究的数值方法及进展进行了回顾,总结了航空发动机叶片振动响应实验研究和数值模拟研究的典型成果与特点,并对未来研究发展趋势进行展望.指出进一步的机理研究将集中于不稳定流动因素引发叶片强迫振动发作规律的探索以及更贴近流固耦合物理机制的气动弹性数值模拟方法的发展;在工程需求牵引下,建立适用于工程预测的动力响应分析模型,在设计过程中科学评价叶片气动弹性动力响应问题的潜在风险和发展流动控制基础上的气动阻尼减振技术值得进一步关注.      

Mixed-mode oscillations and bifurcation analysis in a pituitary model

Bursting is an intrinsically electrical activity in excitable cells such as endocrine cells and many types of neurons. Our purpose is to recognize the pituitary model from a new perspective and provide guidance for its further improvement by exploring the mechanism of bursting generation and its dynamic behavior. The technique of slow–fast dynamics analysis is very helpful when analyzing two subsystems that vary significantly in time scale. Based on the original model, A-type potassium channels and BK-type potassium channels are added simultaneously to the system. And its dynamical property differs from merely adding a fast potassium ion channel (A-type or BK-type). We acquire a deeper understanding for the novel bursting pattern (pseudo-plateau) from discussing the original system to considering bifurcation analysis to the whole system. We mainly explore the existence of mixed-mode oscillations (MMOs) in the improved pituitary model and its bifurcation behaviors via using geometric singular perturbation theory and slow–fast dynamics analysis, respectively. The result we obtained is very helpful in explaining mathematical mechanisms and improving the pituitary model.