多片导模法蓝宝石晶体的缺陷研究

使用导模法(EFG)生长了多片a面蓝宝石晶体。显微拉曼光谱结合电感耦合等离子体发射光谱(ICP-AES)测试得出晶体的气泡中可能存在含S化合物。晶体表面明显的生长条纹主要与温度、生长速度的波动以及模具的加工精度有关。化学腐蚀分析表明晶体位错密度在4.2×10⁴ cm^-2,未存在小角度晶界缺陷,双晶摇摆曲线半峰宽(FWHM)为70.63″。由于采用石墨保温材料,晶体中存在F心与F⁺色心。晶体在400~3 000 nm波段透过率高于80%,空气中退火后可减弱色心吸收。本文研究结果可为蓝宝石晶体缺陷形成理论研究提供参考,也可为导模法蓝宝石工业生产技术改进提供借鉴。     

纳米多孔阳极氧化铁膜的形成及其形貌演变

阳极氧化法制备具有纳米多孔结构的阳极氧化铁膜因其潜在的应用价值而倍受关注。然而,在阳极氧化过程中多孔结构的形成机制至今尚不清楚。本文结合电流密度-电位响应（I-V曲线）及法拉第定律的推导,分析了形成纳米多孔阳极氧化铁膜的过程中阳极电流的组成。结果表明,离子电流（导致离子迁移形成氧化物）和电子电流（导致析出氧气）共同组成阳极电流,并且纳米多孔阳极氧化铁膜的形成与两种电流的占比相关。分段式氧化物之间的空腔以及在阳极氧化初期纳米孔道上覆盖的致密膜,表明氧气泡可能是从氧化膜内部析出。此时,阳离子和阴离子绕过作为模具的氧气泡实现传质,最终导致纳米多孔结构的形成。此外,在阳极氧化铁膜形貌演变过程中,氧气泡不断向外溢出会使表面氧化物被冲破,导致表面孔径不断增大。     

缓变主流中三维气泡的非线性振动

空化现象和水下噪声机制与液体中气泡的动力学行为密切相关．在无粘势流的假定下，采用多参数摄动分析，研究了缓变主流中三维气泡的非线性体积模态振动．推导了关于缓变泡形展开的各阶扰动方程，获得了一阶振动的演化方程和一些特殊情况下的解析解；并采用高阶有限元离散的边界积分方程方法，对平面固壁和自由面附近三维气泡的固有频率进行了数值计算     

球状泡群内气泡的耦合振动

振动气泡形成辐射场影响其他气泡的运动, 故多气泡体系中气泡处于耦合振动状态. 本文在气泡群振动模型的基础上, 考虑气泡间耦合振动的影响, 得到了均匀球状泡群内振动气泡的动力学方程, 以此为基础分析了气泡的非线性声响应特征. 气泡间的耦合振动增加了系统对每个气泡的约束, 降低了气泡的自然共振频率, 增强了气泡的非线性声响应. 随着气泡数密度的增加, 振动气泡受到的抑制增强; 增加液体静压力同样可抑制泡群内气泡的振动, 且存在静压力敏感区(1–2 atm, 1 atm=1.01325×10⁵ Pa); 驱动声波对气泡振动影响很大, 随着声波频率的增加, 能够形成空化影响的气泡尺度范围变窄. 在同样的声条件、泡群尺寸以及气泡内外环境下, 初始半径小于5 μm 的气泡具有较强的声响应. 气泡耦合振动会削弱单个气泡的空化影响, 但可延长多气泡系统空化泡崩溃发生的时间间隔和增大作用范围, 整体空化效应增强.     

三维气泡与自由表面相互作用的直接数值模拟

采用VOF中的PLIC界面重构方法数值模拟了三维气泡在液流中上升并与自由表面相互作用的运动.分别考察了不同初始高度,有无来流及有无再生气泡对气泡上升高度、上升速度、压力及与自由表面相互作用等的影响.结果表明:气泡初始位置越低,顶端上升的高度越大,自由面隆起的范围更广.越靠近自由表面,底部射流横向发展越窄,而向上的压力梯度,气泡上升速度,底部射流上升高度越大,反之则反;但如果底部射流均在接近自由表面以前已横向发展充分,则差别不大.气泡外形、上升高度、破裂时间以及上升速度与来流无关.产生再生气泡后,原生气泡与再生气泡相吸,相互加速对方的上升;自由表面抬升的高度增幅较大,范围拓宽,上升速度也大大增加,且再生气泡越多,自由表面隆起的范围越大.     

气泡振动的非线性耦合模型

我们推广了Longuet-Higgins关于各向同性气泡的非各向同性模式激发的二阶理论。着重注意“呼吸”模式和“变形”模式之间的相互作用,两个模式之间的能量交换足够强,以致于两个模式有同量级的振幅。文中指出:模式耦合的方程组类似于其他物理领域(如非线性光学、水波)所研究的方程组,并讨论了二种特解,考虑了平衡点及其稳定性。     

激光多普勒测速技术在气液两相流中的应用

本文采用激光颗粒动态分析仪(PDA)测量了钢包底部喷吹气液两相流中气泡的直径和气泡上升速度的分布;采用激光多普勒测速仪(LDA)测量了气液两相区和液体单相循环区液体速度场的分布。测量结果表明:气泡在脱离喷嘴上浮一定距离后,其大小基本保持不变;在气液两相区中,气泡速度和液体速度的分布均服从高斯分布;液体在单相区作循环流动,在侧壁与底部交接处,存在液体流动的“死区”。     

泡膜半径法测量液体表面张力

根据泡膜半径与液体表面张力系数所满足的函数关系进而测量液体表面张力系数,实验中利用U型管测量泡膜相对内压并通过电脑对泡膜的图像采集来测量泡膜半径,实验设计新颖独特,实验结果准确,且有利于提高学生的物理思维及对电子设备的使用能力。     

三维格子Boltzmann方法研究上升双气泡的运动特性

应用格子Boltzmann三维模型，对双气泡在静水中的运动进行数值研究.采用八点差分和十八点差分格式分别求解一阶▽φ和二阶▽²φ可以有效避免气液密度比过大造成的数值不稳定问题.结果表明：当两个相同直径的气泡在上升时，位置靠上的气泡形状变化像单气泡上升一样，而位置靠下的气泡会受到前一个气泡尾迹的影响，并有很明显的形状变化.当两个气泡直径不同时，不管初始位置如何，大气泡总会对小气泡造成强烈的影响.