非线性玻尔兹曼方程的傅里叶谱方法

玻尔兹曼方程作为空气动理学中最基本的方程之一,是连接微观牛顿力学和宏观连续介质力学的重要桥梁.该方程描述了一个由大量粒子组成的复杂系统的非平衡态时间演化:除了基本的输运项,其最重要的特性是粒子间的相互碰撞由一个高维,非局部且非线性的积分算子来描述,从而给玻尔兹曼方程的数值求解带来非常大的挑战.在过去的二十年间,基于傅里叶级数的谱方法成为了数值求解玻尔兹曼方程的一种很受欢迎且有效的确定性算法.这主要归功于谱方法的高精度及它可以被快速傅里叶变换加速的特质.本文将回顾玻尔兹曼方程的傅里叶谱方法,具体包括方法的导出,稳定性和收敛性分析,快速算法,以及在一大类基于碰撞的空气动理学方程中的推广.     

三种降采样成像策略的性能优化以及与传统傅里叶望远镜的比较

为了获得成像质量较好且成像时间较少的新型傅里叶望远镜成像策略,本文比较了三种降采样成像策略(压缩感知方法 (CS)、低频全采样方法 (LF)和变密度随机采样方法 (VD))与传统傅里叶望远镜(FT)在图像质量和成像时间上的差异.分析方法如下:利用传统FT外场实验所获得的目标频谱数据作为基础,三种降采样方法 (LF, VD和CS)分别按照各自的采样模式和重构方法实现目标图像的重构;通过直观观察和Strehl比两种方法比较三种降采样方法与传统FT在图像质量上的差异;通过分析成像时间的组成要素,初步比较三种降采样方法与传统FT在成像时间上的差异.分析表明:1)压缩感知方法的图像质量优于其他两种降采样方法 (LF和VD),但略低于传统成像结果; 2)压缩感知方法在成像质量上略低于传统FT,但在成像时间上却明显小于传统FT; 3)分析中采用的外场数据均含噪声,这说明上述三种降采样重构过程对噪声有较好的鲁棒性.综合上述分析结果可以看出,基于压缩感知的傅里叶望远镜(CS-FT)是在实际含噪情况下可大幅减少成像时间的优良成像策略.     

红外光谱探究常见污染气体对丝织品结构的影响

丝织品是由丝蛋白质组成，高温、高湿及污染物等因素会使其结构发生变化。为了科学地评估博物馆中污染气体对丝织品结构的影响，采取人工模拟实验制备二氧化氮、二氧化硫、乙酸和氨气常见博物馆污染气体环境，利用傅里叶红外光谱（FTIR）从丝蛋白质肽链结构、二级结构等方面探讨4种污染气体对丝织品蛋白质结构的影响。实验结果表明，二氧化氮老化30 h后样品的红外光谱在1 382 cm-1波数附近出现甲基对称变角振动吸收峰，而其他气体老化50 d的丝织品仍未产生甲基对称变角振动，说明二氧化氮对丝织品破坏最严重。所有污染气体老化后，样品的红外光谱在975和999 cm-1丝蛋白-Gly-Ala-和-Gly-Gly-肽链（一级）结构特征吸收峰处均有不同程度减弱，但碱性气体氨气较酸性气体减弱更明显。傅里叶红外光谱技术结合酰胺Ⅲ带（1 330～1 200 cm-1）去卷积和高斯拟合法研究表明，50 d氨老化后仅引起丝蛋白质非结晶区的轻微变化，α-螺旋、无规卷曲、β-折叠含量变化幅度较小，丝蛋白二级结构变化较小。相比而言，酸性气体对丝蛋白二级结构影响更加显著，出现β-折叠相对含量大幅降低、无规卷曲相对含量明显增加，其结晶区遭受严重破坏。在4种气体中，二氧化氮对丝织品二级结构影响最显著，老化30 h后β-折叠相对含量由原始值30.36%降低至18.12%，约降低40%。相应的二氧化氮对丝织品强度破坏最严重，在β-折叠含量降低的同时，材料的力学强度出现了显著降低。利用波数在1 700和1 640 cm-1红外光谱吸收峰的比值（A_{1 700/1 640}）和波数在1 620和1 514 cm-1红外光谱吸收峰的比值（A_{1 620/1 514}）判断样品的老化方式，实验结果表明二氧化氮、二氧化硫、氨气老化样品的方式主要为氧化老化，而乙酸老化的样品则发生氧化老化和水解老化两种老化方式。随着老化时间的延长，4种气体中二氧化氮老化样品的A_{1 620/1 514}比值增加最多、氧化最严重。推断与二氧化氮的强氧化性有关，也与二氧化氮使丝织品产生显著的甲基对称变角振动有关。建议博物馆应严格监测和控制二氧化氮气体浓度。该研究为制定合理的丝织品文物存放环境提供科学依据，对丝织品文物的保护具有重要意义。     

三能级钾原子气体三维傅里叶变换频谱的解析解

利用投影切片定理、傅里叶位移定理和误差函数给出三能级钾原子气体三维傅里叶变换频谱在T=0界面的解析解.固定均匀线宽,非均匀展宽和对角线相关系数可以定量地识别,通过在适当方向上拟合三维傅里叶变换频谱谱峰的切片来确定.结果表明,非均匀展宽增大,频谱图沿着对角线方向延伸,对角线相关系数增大,频谱图逐渐变圆,振幅也逐渐变小.     

数字全息干涉相位导数计算的研究

应变测量对材料评估与分析非常重要。通过计算数字全息干涉的相位导数可实现应变测量。本文针对数字全息干涉相位导数提取问题,对数字剪切法和基于二维伪维格纳法进行研究。数字剪切法通过对干涉复相量的数字平移实现剪切,确定干涉相位导数,而二维伪维格纳法则通过对干涉复相量的二维伪维格纳分布变换,由变换模极值对应的频域参数确定相位导数。数字剪切法需干涉复相量的数字剪切过程,还需相位去包裹。由于激光散斑噪声的影响,直接数字剪切法处理效果较差,通过对剪切干涉复相量滤波,能较好消除散斑噪声影响。二维伪维格纳法无需数字剪切和相位去包裹,就可同时得到2个方向的干涉相位导数,但处理时间较长,处理效果较差。最后,用数字全息干涉法对四周固定、中心加载铝圆盘进行了实际测量,并分别用数字剪切法和二维伪维格纳法进行了分析。结果表明,滤波数字剪切法处理时间适中,处理效果较好。     

富里叶级数的收敛速度

对正弦和余弦富立叶级数,通过合并相邻同号项,使其重排成交错级数.讨论了重排形成的交错级数的敛散性.指出根据自变量x的不同取值,该交错级数可能是单调递减或周期递减的级数.按照莱布尼茨判定法提出了不同精度要求的级数项数的计算公式.选取一到三阶收敛的富立叶级数计算了不同比值精度及差值精度要求的级数项数.计算表明,在x的取值为2π的等分点时,富立叶级数的部分和随项数的增加单调地逼近其收敛值.在x的取值为其它点时,富立叶级数的部分和随项数的增加围绕收敛值上下变动,周期地逼近其收敛值.低收敛阶富立叶级数的收敛速度较慢.要达到0.01%的精度,一收敛阶富立叶级数需要数万项,二收敛阶富立叶级数也需要数百项.在不同计算点处,要达到相同的计算精度,需要的级数项数差别较大.     

角锥棱镜谐振腔激光模式模拟研究

为了探究角锥棱镜谐振腔激光模式,以角锥-平面镜腔为例,将角锥棱镜等效为衍射光栅,考虑角锥镜棱宽在谐振腔中的衍射效应以及二面角误差引起的附加相位分布对谐振腔激光模式的影响,在光学谐振腔理论的基础上,建立了求解本征模式的理论分析模型.采用快速傅里叶法数值模拟不同腔长、角锥镜棱宽和二面角误差情况下该无源谐振腔激光输出模式分布情况.结果表明,在腔长30 cm、角锥镜棱宽小于75μm、二面角误差在-10′~5′之间时,可实现光斑完整的圆形分布输出模式,且有较好的光束质量;棱宽不小于0.4 mm,二面角误差在-40′~10′之间时,光斑为TEM 03阶横模,光场呈六瓣分布;当角锥镜棱宽为0.4 mm、二面角误差为3′,腔长从30~90 cm范围内增加时,该谐振腔输出的激光模式从TEM 03转换成TEM 10.     

FFT动态相位重建算法的滤波窗影响分析

为了优化相位重建算法，针对波面干涉图的傅里叶频谱，分析了不同滤波窗口的分布特征和频谱响应，通过计算机仿真和实验测试，确定了FFT动态相位重建算法的最佳滤波窗口类型。其中处理仿真干涉图重建的波面与原始波面的波面峰谷值残差为0.008 5λ，波面均方根值残差为0.000 1λ；处理实验干涉图获得的波面与移相干涉测量法获得的波面峰谷值残差为0.009 3λ，波面均方根值残差为0.000 5λ。结果表明:选取Hamming窗进行滤波处理并重建的相位经拟合后得到的波面较参考波面的面形残差最小，相位重建精度优于0.01λ，可进一步应用于大口径光学元件的测量中。     

压气机悬臂静叶流场非定常数值模拟

以现代高压压气机一排悬臂静叶与一排转叶组成的典型级为研究对象,采用非定常数值模拟方法,分析了非定常与定常数值模拟计算得出的级特性线以及峰值效率点气动参数在展向分布的差异,并对悬臂静叶内部流场结构进行了详细分析,结果表明:当悬臂静叶的轮毂设计间隙为2.5%叶高时,非定常计算的综合喘振裕度比定常大5.85%;在峰值效率点工况下,悬臂静叶总压损失和转子效率的非定常影响范围在10%以内,转叶进口相对气流角沿展向分布的影响在0.5°以内。悬臂静叶根部10%叶高以下区域出现了明显的泄漏流动,3.4%叶高压力系数变化最大,轮毂泄漏流起始于20%弦长附近,发展到70%弦长位置时泄漏损失最大,随后逐渐减弱.