晶体生长过程实时监测系统

实时监测晶体生长过程对研究晶体生长动力学以及调控晶体生长过程有着很重要的意义。结合干涉技术、相移技术以及时间序列位相提取技术,建立了一个晶体生长过程实时监测系统。该系统主要由三条光束组成,通过设定快门参数组成不同的Mach-Zehnder干涉光路,可同时用于无机盐晶体和蛋白质晶体生长过程的实时定量监测。利用该系统及时间序列位相提取方法,对NaCl晶体在自然蒸发情况下的生长过程以及溶菌酶蛋白悬滴法结晶过程进行了研究,对该系统和方法在研究晶体结晶过程中的可行性及优势进行了验证。结果表明,该系统不仅可以获得晶体结晶过程中的实时绝对浓度、过饱和度等晶体生长动力学参数;而且对于蛋白质结晶过程,快门系统的引入解决了蛋白溶液多浓度场叠加的分离问题,在一个实验周期内获得了溶菌酶蛋白结晶过程中的实时蛋白浓度演变、实时沉淀剂浓度变化等结晶动力学参数。这些关键参数为下一步探索结晶条件对晶体质量的影响、分析蛋白结晶相图以及优化蛋白质晶体质量提供了定量数据基础。     

微小晶体生长过程的光学诊断实验研究

将光学干涉技术与显微技术相结合,应用计算机技术、图像处理技术发展形成一种实时细观诊断的实验方法──光学细观干涉诊断技术;实时观测了KCl晶体在容积为3mm×3mm×4.5mm的生长池内的结晶过程,得到了该过程的晶体的表面形貌、生长速率、以及晶体生长尺寸与时间、浓度与时间的定量的关系,观测到由重力引起的浮力对流现象,它直接影响晶体的生长．实验表明重力对晶体生长形态有很大的影响;生长速率与浓度存在很大的依赖关系．     

湍流水沙边界层扩散传质浓度和通量的精确解

为探索河道及消落带水沙传质效应对自然水体水质的影响,研究湍流条件下水沙边界层的传质机理,本文引入传质阻抗,在涡旋扩散封闭假设的基础上,通过水沙边界层阻抗分布预测物质浓度分布,数值模拟紊动对水沙边界层扩散传质浓度分布和传质通量的影响。研究结果表明：根据传质阻抗（mass-transfer resistance）分布预测物质浓度分布是研究水沙边界层传质的重要方法;由物质浓度分布推导的传质系数 mh 、剪切速度*u 、施密特数Sc的相互关系式( m 0.0827*h=u Sc?2/3)能为气液边界层传质通量的研究提供理论依据;由泥沙表面到自由水流的传质总阻抗关系式( R′=12.092 Sc u 2/3 T*)可得,总阻抗随施密特数的2/3次幂增长,且总阻抗与剪切速度成反比,即传质阻抗随剪切速度的增加而下降。     

晶体生长中的流体力学问题

流体力学与晶体生长有密切的关系.在晶体生长中,流体中的输运过程和流动的不稳定性对生成晶体的结构和质量有重要影响.本文概述了晶体生长中与流体力学有关的若干问题.首先对晶体生长的一些基本方法作了简介,然后对晶体生长中的流动现象及其与晶体缺陷的关系进行了讨论,最后提出了几种控制流动以改进晶体生长技术的可能途径.      

不同风场下TNT炸药爆炸烟云的扩散模型及特性

为获取不同风场下TNT爆炸烟云扩散时空分布规律与高度变化模型，本文理论描述了爆炸烟云扩散过程与机理，开展了不同水平风速下烟云扩散的计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）仿真和外场时空分布实验，建立了不同水平风速下烟云高度随时间变化模型及烟云最终高度计算模型，分析了烟云扩散过程中形态、温度、密度、速度变化规律。研究结果显示:CFD方法仿真烟云分布结果与实验结果基本一致，大气稳定且无风条件下烟云高度随时间呈指数0.5的幂函数关系，最终高度与爆炸当量可拟合为指数0.47的幂函数模型；水平风会加快烟云与空气混合的速度，导致幂函数模型中指数参数随风速变大而呈线性减小规律，风速越大烟云上升速度衰减越快、上升时间越短、最终高度越低。     

INSTABILITY OF COUPLED THERMO-SOLUTE CAPILLARY CONVECTION IN LIQUID BRIDGE AND CONTROL BY ROTATING MAGNETIC FIELD

浮区法因具有无坩埚接触污染的生长优点而成为生长高完整性和高均匀性单晶材料的重要技术.但熔体中存在的毛细对流会给浮区法晶体生长带来极大挑战,这是由于对流的不稳定会导致晶体微观瑕疵的产生和宏观条纹等缺陷的形成.为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中毛细对流特性及如何控制其不稳定性显得尤为重要.本文采用数值模拟的方法对半浮区液桥内Si_xGe_1-x体系中存在的热质毛细对流展开研究并施加旋转磁场对其进行控制.结果表明：纯溶质毛细对流表现为二维轴对称模式,温度场主要由热扩散作用决定,而浓度场则由对流和溶质扩散共同支配;纯热毛细对流呈现三维稳态非轴对称流动,浓度分布与熔体内热毛细对流的流向密切相关,等温线在对流较大的区域发生弯曲;耦合溶质与热毛细对流则为三维周期性旋转振荡流.施加旋转磁场后,熔体周向速度沿径向向外增大,熔体内浓度场和流场均呈现二维轴对称分布.     

液桥内热质耦合对流不稳定性及旋转磁场法控制

浮区法因具有无坩埚接触污染的生长优点而成为生长高完整性和高均匀性单晶材料的重要技术.但熔体中存在的毛细对流会给浮区法晶体生长带来极大挑战,这是由于对流的不稳定会导致晶体微观瑕疵的产生和宏观条纹等缺陷的形成.为了提高浮区法生长单晶材料的品质,研究浮区法晶体生长中毛细对流特性及如何控制其不稳定性显得尤为重要.本文采用数值模拟的方法对半浮区液桥内SixGe1-x体系中存在的热质毛细对流展开研究并施加旋转磁场对其进行控制.结果表明:纯溶质毛细对流表现为二维轴对称模式,温度场主要由热扩散作用决定,而浓度场则由对流和溶质扩散共同支配;纯热毛细对流呈现三维稳态非轴对称流动,浓度分布与熔体内热毛细对流的流向密切相关,等温线在对流较大的区域发生弯曲;耦合溶质与热毛细对流则为三维周期性旋转振荡流.施加旋转磁场后,熔体周向速度沿径向向外增大,熔体内浓度场和流场均呈现二维轴对称分布.     

明渠湍流边界层中颗粒的运动与分布

利用直接数值模拟、点球浸入边界法和颗粒离散元法相结合的方法, 模拟了颗粒在明渠湍流边界层中的运动, 并对颗粒的瞬时位置进行了Voronoi 分析, 定量研究了颗粒在湍流边界层中的运动和分布规律. 研究发现:颗粒的输运对湍流的统计特征有影响, 其运动与近壁区湍流拟序结构密切相关, 在"喷发"结构作用下被带离壁面, 在"扫掠" 结构和自身重力作用下回到壁面; 在湍流边界层中, 颗粒倾向于聚集在低流速带, 呈条带状分布;颗粒在大部分时间处于"簇"状态, 偶尔跳跃到"空" 状态, 但能够很快回到邻近低速区域.      

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.     

激波卷扬的气体粉尘边界层的实验与数值研究

采用瞬态阴影技术和激光消光技术对激波卷扬粉尘的现象进行了实验研究，理论研究采用ＰＳＩＣ（ＰａｒｔｉｃｌｅＳｏｕｒｃｅｉｎＣｅｌｌ）模型，模型同时考虑了湍流效应及气固两相间的输运效应。结果表明，激波卷扬的粉尘颗粒在壁面附近湍流区内先被加速，一定高度后减速，从而在边界层内形成一个高颗粒浓度的区域。数值结果与实验结果基本一致。     

OPTICAL DIAGNOSTIC AND MODELING SOLUTION GROWTH PROCESS OF SODIUM CHLORATE CRYSTALS

Both a real time optical interferometric experiment and a numerical simulation of two-dimension non-steady state model were employed to study the growth process of aqueous sodium chlorate crystals. The parameters such as solution concentration distribution, crystal dimensions, growth rate and velocity field were obtained by both experiment and numerical simulation. The influence of earth gravity during crystal growth process was analyzed. A reasonable theory model corresponding to the present experiment is advanced. The thickness of concentration boundary layer was investigated especially. The results from the experiment and numerical simulation match well.     

Condensation by heterogeneous nucleation in a thermal boundary layer

Condensation can occur by the nucleation and growth of water droplets on particles in the air. This mode of mass transport can readily occur in a thermal boundary layer. The primary condition required for droplet nucleation is the existence of supersaturation in the boundary layer. Equations are developed to described droplet nucleation an d transport for the boundary layer on a horizontal, upward facing surface. These equations allow diffusion and nucleation mass fluxes and droplet concentration at a point in the boundary layer to be calculated. Experimental data were collected and compared to the theoretical calculations. Accurately predicting droplet concentration is difficult, but the presence of nucleation condensation can be readily predicted.     

Discrete particle simulation of mixed sand transport

An Eulerian/Lagrangian numerical simulation is performed on mixed sand transport. Volume averaged Navier–Stokes equations are solved to calculate gas motion, and particle motion is calculated using Newton's equation, involving a hard sphere model to describe particle-to-particle and particle-to-wall collisions. The influence of wall characteristics, size distribution of sand particles and boundary layer depth on vertical distribution of sand mass flux and particle mean horizontal velocity is analyzed, suggesting that all these three factors affect sand transport at different levels. In all cases, for small size groups, sand mass flux first increases with height and then decreases while for large size groups, it decreases exponentially with height and for middle size groups the behavior is in-between. The mean horizontal velocity for all size groups well fits experimental data, that is, increasing logarithmically with height in the middle height region. Wall characteristics greatly affects particle to wall collision and makes the flat bed similar to a Gobi surface and the rough bed similar to a sandy surface. Particle size distribution largely affects the sand mass flux and the highest heights they can reach especially for larger particles.     

基于FTM方法的二维Kelvin-Helmholtz不稳定性数值模拟

使用界面跟踪法FTM（Front Tracking Method）对二维不混溶、不可压缩流体的K-H（Kelvin-Helmholtz）不稳定性进行数值模拟。研究表明,速度梯度层越厚,界面在水平分量中移动越快,卷起越少;初始水平速度差越大,界面卷起越多,内扰动增长速度越快,K-H不稳定性的特征形式更加明显;此外,在Neumann边界条件（即无滑移边界条件）下界面的扰动发展得比Dirichlet边界条件（即对称边界条件）下的扰动快。由于Dirichlet边界中的边界层,在开始时刻涡量扩展到两侧,影响了K-H不稳定性的生长速率;而在Neumann边界条件下涡量由于初始水平速度差,在界面中心聚集。最后,研究了不同边界条件下各种理查德森数对K-H不稳定性的影响。     

河口混合与泥沙输运

根据振荡边界层理论和波流分解方法,导出了河口往复水流的流速垂向分布廓线,据此建立了河口垂向准二维水流、盐度、泥沙运动模型。对泥沙输运,完整地考虑了其对流、扩散、起动和沉降的动力学过程。模拟结果与实测资料进行了对比。应用该模型研究河口泥沙输运,分析了河口混合对泥沙输运的影响及最大浑浊带的时空变化规律。     

振荡潜流带沉积层?水界面污染物输运的研究

潜流带中污染物质交换与输运特性是影响水资源环境的重要问题之一. 本文对底部为高渗透沉积层的三维槽道振荡流高Schmidt数传质问题进行了大涡模拟研究. 采用动力学亚格子模型来封闭滤波后的三维不可压缩Navier-Stokes方程以及污染物输运方程, 同时采用修正的Darcy-Brinkman-Forcheimer模型来描述沉淀有锌离子污染溶质的可渗透沉积层. 通过对沉积层内外流场和浓度场的统计特性以及瞬态结构的分析, 探究了上覆水体中振荡流驱动作用对污染物输运的动力学影响以及扩散率随振荡周期和振荡角的变化规律. 研究结果表明, 浓度通量中的湍流浓度分量在垂向物质交换中起主导作用, 流向、展向速度, 湍流强度和污染物浓度的波动跟随振荡驱动力呈现准周期变化, 同时发现沉积层?水交界面处的湍流浓度通量与法向湍流强度两者之间的变化具有明确的相关性. 并且在较大振荡角和低频振荡的情况下, 沉积层?水交界面处的有效扩散率增大, 这主要是来自于沉积层?水交界面处流体的猝发行为有效促进了湍流混合和物质交换, 进而增强了污染物的垂向输运.      

Flow and Mass Transfer in the Presence of an Unsteady Supply of Solution to the Surface of a Growing Crystal

Mixed convection in a highly supersaturated isothermal aqueous solution of potassium dihydrophosphate at the surface of a growing single crystal is investigated numerically. Unsteady solution flow at the feeder exit is simulated by specifying a time-periodic velocity distribution. It is shown that the concentration boundary layer is significantly homogenized as compared with a steady-state supply. The nature of the flow is investigated as a function of the distance between the feeder and the crystal surface.     

Modeling of the dynamics of diffusion crystal growth from a cooling magmatic melt

The process of diffusion growth of a single crystal of plagioclase (consisting of two components: albite and anorthite) from a cooling magma melt is considered. Crystallization starts when the temperature becomes lower than the melting (liquidus) temperature and occurs as a result of the diffusion of melt components to the boundary of the growing crystal. The crystallization process is simulated by solving a system of nonlinear, linked by cross terms, nonstationary diffusion equations for albite, anorthite, and residual melt in the coordinate system moving with the growing crystal boundary. The dependence of the crystal growth rate on undercooling and temperature and of its composition on temperature and pressure is taken into account. Both quantities substantially depend on the component concentration ratio in the melt on the crystal-melt interface. The competition between the diffusion and crystal growth processes and the complex dependence of these processes on the current melt and crystal compositions and the system temperature lead to a strong nonlinearity of the problem. As a result of numerical simulation, it is established that with a linear decrease in temperature the growing crystal composition changes nonmonotonically. This makes it possible to propose a novel interpretation of the crystal zoning typical of natural magmatic systems.     

Analogy between an engineering heat-conduction problem and one climatic event

A mixed boundary-value problem for a parabolic equation of heat distribution in a layer is considered. Ggradient is specified in one region of the boundary, and temperature in the other. It is assumed that away from the initial conditions, the process is established in time and the temperature decreases slowly and exponentially and then increases. We study temperature localization in one of the regions, and the conditions and consequences of localization in the other region at various stages of temperature change. An analogy is drawn between the temperature distribution pattern in the layer and some climatic events.