各向异性海洋湍流下三种涡旋光束的信道容量

海洋湍流和光源参数对涡旋光束的信道容量有十分重要的影响。本文根据Rytov近似理论,利用有限外尺度且不稳定分层的各向异性海洋湍流功率谱,并引入xy平面上的两个各向异性因子来研究完美涡旋（PV）光束、拉盖尔高斯（LG）光束和贝塞尔高斯（BG）光束在海洋湍流下的信道容量,数值模拟了束腰半径、接收孔径直径和海洋湍流参数等对三种光束信道容量的影响。数值结果表明：当传输距离在30～70 m时,较小束腰半径（小于4 mm）的PV或者LG光束可获得比BG光束更大的信道容量;但较大束腰半径（大于12 mm）的PV或者LG光束的信道容量却大于BG光束。此外,当束腰半径小于2 mm时,PV光束的信道容量要大于LG和BG光束,表明采用窄束腰半径（小于2 mm）的PV光束相比LG和BG光束可以增大光通信系统的信道容量。本文的研究结果对海洋环境中光通信光源参数的选择具有重要意义。     

湍流混合层流场的PIV测量

本文使用PIV对在坚直通道内放置一个特殊设计的隔板所形成的湍流混合层流动进行测量,高低侧速比为4:1,基于两股流体速度差和管道水力半径的Re数范围4400～158400.发现混合层中大涡拟序结构的尺度随雷诺数的增加而增大,而后又随雷诺数的继续增大而减小,气泡的加入会延缓或阻碍大涡拟序结构的发展.对雷诺应力、湍流强度、涡量、旋涡强度在混合层流场内随雷诺数的变化和分布规律进行分析,发现混合层内雷诺应力、湍流强度、涡量及旋涡强度均集中分布在隔板下游一个较窄的锥形区域内,雷诺应力和湍流强度随雷诺数的增大先增人后减小,随离开隔板距离的增大而减小.涡量及旋涡强度随雷诺数的增大而增加,随离开隔板距离的增大而减小.     

风力机叶片三维速度场PIV测量及数值模拟研究

采用PIV测速技术,对水平轴风力机在尖速比为7.0的轴流工况进行风洞测量,获得不同叶高处翼型截面的高保真三维速度场;同时,采用OpenFOAM对风力机该工况进行数值模拟,实验结果验证数值模拟的准确性。结果表明对于轴向、切向和径向速度,CFD与实验测量有较好的一致性;对比了叶素动量理论、无黏面元法和CFD等气动模型对叶片载荷的预测结果,并与从PIV速度场推导出的气动力进行比较。结果显示CFD比BEM和面元法更准确地预测叶片载荷,BEM和面元法因为叶尖损失模型和无黏假设等原因对叶尖处载荷预测失效。     

椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输特性

本文采用分步相位屏方法来仿真椭圆涡旋光束在海洋中的实际传输情况,并对椭圆涡旋光束在海洋湍流中的传输光强和闪烁因子进行了仿真。研究发现,椭圆涡旋光束在海洋传输过程中,光斑会发生明显的旋转,同时光斑会产生暗核且暗核个数与光束的拓扑荷数相等。一个拓扑荷数为m的相位奇点会分裂成m个拓扑荷数为1的相位奇点,并且海洋湍流越强,光斑受到的干扰越严重。研究还发现,在较弱的海洋湍流中,随着传输距离的增加,椭圆涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束和涡旋光束的闪烁因子,而且在远距离处拓扑荷数越大闪烁因子降低越明显,同时也发现,传播一段距离后涡旋光束的闪烁因子会低于高斯光束的闪烁因子。在较强湍流中,椭圆涡旋光束的闪烁因子会交叠在一起。对于不同强度的海洋湍流,随着均方温度耗散率的增大,椭圆涡旋光束的轴上点闪烁因子也增大。在同一传输距离处,束腰宽度越小的椭圆涡旋光束闪烁因子越小。     

水泵进水池内紊流及涡旋的数值模拟

本文对水泵进水池内三维紊流及涡旋进行数值模拟。文中基于雷诺平均的Ｎ－Ｓ方程和к－ε紊流模型，在具有交错网格系统的贴体座标系中（１），采用ＳＩＭＰＬＥＣ算法计算三维素流，得出了流速场和压力场的分布。进一步预测了涡旋发生的位置并分析其结构，这对研究、改进水泵进水池的结构，避免涡旋发生，提高效率具有重要的实际意义。     

涡旋压缩机不对称双涡旋齿型线的构建与模拟

采用双涡旋齿涡旋盘结构能够有效地提高涡旋压缩机的吸气量,然而存在内容积比小、允许开设的排气口面积小的缺点。针对此问题,本文提出一种涡旋压缩机的新型不对称双涡旋齿,利用中线法得到了涡旋齿型线的设计方法,并且建立其几何模型;通过三维数值模拟研究其工作腔内部的气体流场,并与现有的双涡旋齿涡旋压缩机进行对比。结果表明:所提出的涡旋压缩机的新型不对称双涡旋齿能够有效地提高涡旋压缩机的排气量和内容积比,并且增大了排气口的开设面积,使得压缩机具有更好的工作性能。     

PIV在膜蒸馏系统流场测量研究中的应用

空气隙膜蒸馏系统热容腔内料液的流动状态直接影响到温度和浓度边界层效应,决定系统的膜通量。本文采用三根沿圆周平均分布的入流管,喷管是鸭嘴形,应用PIV系统测试膜面附近流动状态。在5种喷管中心线与热容腔径向夹角β和3种喷管前端和膜面间距离δ下,测试得到膜面附近的速度场数据,并计算得到涡量场信息。结果表明,所研究的膜组件结构参数β和δ对热容腔内料液的流动状态影响很大,适当的热容腔结构参数可以有效地改善温度极化边界层和浓度极化边界层的影响,增大膜通量。研究结果为空气隙膜蒸馏系统热容腔入流装置的优化设计提供了实验数据和研究经验。     

草金鱼C型起动流场的PIV测量

鱼类的C型快速起动常常用于逃脱危险的过程中,是鱼类最重要的机动能力之一。本文利用二维粒子图像测速(Particle Image Velocity,PIV)技术对草金鱼C型起动过程中的鱼体周围流场进行了测量和分析。结果表明,在第三阶段为减速静止的情况下,第二阶段的加速过程很短,而第一阶段的加速更为明显,第一阶段与第二阶段的时长比为1:5.25;草金鱼的C型起动过程主要依赖附加质量效应产生推力。C型起动的尾迹流场具有逆卡门涡街的特征,较大的身体弯曲度使得鱼在舒展摆尾的过程中连续产生了方向相同的两个涡,而且涡在脱离鱼体后由于受到鱼后续行为和高速射流区的影响,其强度经历了先增大再降低的过程。     

回流扩散燃烧火焰湍流结构特性的PIV测量

利用粒子图像速度场测量(PIV)技术对不同燃空速度比下的钝体回流扩散燃烧流场进行了测量,考察不同火焰的湍流结构特性.结果表明,流场中轴向脉动速度沿钝体中心轴线成对称分布,轴向脉动速度最大值出现在钝体中心轴线处,流场切向雷诺应力以饨体轴线呈中心对称,在中心轴线处切向雷诺应力值为0,随燃空速度比的增大,轴向脉动速度和切向雷诺应力不断增大,随着与钝体表面的距离增加,流场截面上最大轴向脉动速度不断减小,最大切向雷诺应力先增大,后减小.     

基于流场模拟的涡旋压缩机涡齿应力变形分析

为了更准确地计算涡旋压缩机涡旋齿的应力和变形,提出一种基于流场模拟的应力变形计算方法。通过对涡旋压缩机工作过程进行气体流动的数值模拟,得到其压力场和温度场分布。将流场分布作为载荷边界条件进行涡旋齿的受力变形计算,得到涡旋齿在气体压力、热载荷及其同时作用下的应力分布和变形规律。分析了涡旋齿的径向变形和轴向变形,讨论了不同主轴转角下的涡旋齿应力和变形,比较了动涡旋齿和静涡旋齿的变形。结果表明:在压缩结束时刻动涡旋齿的应力和变形最大,最大应力位于齿头根部,最大变形位于齿头顶部。     

用PIV测量水泵开敞吸水池内突扩流动

吸水池内的涡旋流动将引发泵的振动、空化、空蚀和泵的效率下降,严重时会导致泵站不能正常工作,本文用PIV测量水泵开敞吸水池内突扩流道速度分布,实验表明流体通过突扩流道,整个流场可分为三个区域:主流区、过渡区和回流区.沿流动方向主流区速度相对较大,回流区速度相对较小,过渡区速度介于两者之间.涡带主要产生在靠近吸水池两侧壁,随着流动区域的扩展,靠近侧壁的涡流将消失.     

部分相干涡旋光束形成的相干涡旋特性研究

推导出部分相干涡旋平顶光束的传输解析公式,并用以研究了聚焦场和自由空间中部分相干涡旋光束形成相干涡旋的特性.结果表明,相干涡旋与光束阶数N,空间相干参数α和参考点位置(x1,y1)有关.依赖于参考点的选择,光谱相干度可能存在零值点,也可能没有零值点.特别是,若选取x1=y1=0,光谱相干度零值点处的位相可以是确定的,因而不存在相干涡旋.     

铁磁结构中涡旋的动力学特性模拟研究

基于微磁学基本方程Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程,我们建立了软磁薄膜体系顺磁-铁磁转变过程中涡旋数目随时间的变化关系模型.磁化强度运动方程采用了传统的Runge-Kutta数值方法求解.计算结果发现:不同的交换场下,涡旋数变化可以分为两个阶段:第一阶段涡旋数目随时间急剧减少;第二阶段涡旋数目缓慢减少,直至不再变化,交换系数越小剩余的涡旋数会越多.退磁能对相变过程影响甚微,只有在交换系数(1.3E-12)较小时有可观察到的效应:有退磁场涡旋数目稍小.     

用PIV技术测量跨音压气机转子内流的激波结构

在跨音压气机试验台上进行了用ＰＩＶ技术测量内流激波结构的试验研究。乙二醇微小液滴成功地被用作示踪粒子；自行设计制造的激光潜望镜成功地将双脉冲激光器发出的激光束导入机匣。用数字ＰＩＶ技术测量到的跨音压气机叶片流道内的二维瞬态绝对速度场分布被转化为相对速度分布，发现的激波结构测量结果与静压分布测量结果进行了比较，得到了比较满意的符合。本文讨论了目前试验装置和测量系统所存在的问题，提出了进一步工作的要求．     

双能隙介观超导体的涡旋结构模拟

本文运用了含时Ginzburg-Landau理论研究了双能带结构的介观超导体在外磁场作用下涡旋随时间的演化. 给出了实际温度在s波和d波的临界温度之间s波、d波以及磁场的分布, 从 理论上模拟得到涡旋进入和退出样品的磁场"过热"与"过冷"现象, 以及介观超导样品边界对涡旋结构分布的影响. 关键词： 涡旋结构 双能带 含时Ginzburg-Landau理论 超导     

聚焦部分相干涡旋光束作用在介质球上的光阱力

应用部分相干理论推导了部分相干贝塞尔涡旋光束经过透镜聚焦后的光强分布表达式。在雷利散射范围内,利用光作用在介质球上的梯度力和散射力公式,主要讨论了拓扑荷数、相干长度、参数α以及介质球的大小选择对于梯度力和散射力的影响。数值模拟结果表明,作用在介质球上的梯度力和散射力随着拓扑荷数、相干长度或参数α的增大而减小。当拓扑荷数为0,1时,稳定的3维光阱能被获得,并且能被应用于操控折射率低于周围媒介的粒子。     

微小型粘性泵的内部流场PIV试验研究

根据偏置于两平板间转子两端剪切力不平衡的原理,本文设计加工了偏置式垂直转子微小型粘性泵,并利用PIV技术对其内部的流动进行了可视化量测.通过对试验数据进行进一步的分析,得到了其内部流场的流线分布及相关性能曲线.     

电动汽车空调涡旋压缩机低压补气特性模拟研究

为解决超低温工况下纯电动汽车普通热泵空调系统运行时,压缩机排气温度过高和制热性能衰减严重,甚至无法正常运行等问题,设计了一种低压混气型电动汽车热泵空调用涡旋式压缩机,在课题组前期研究的基础上建立低压混气型涡旋压缩机的数学模型,并用实验结果对模拟计算值进行验证。结果表明,模拟值与实验值最大误差小于5%,该模型能够较好地预测系统性能。     

高温超导体中约瑟夫森涡旋流阻的振荡效应

通过数值计算耦合sine-Gordon方程组研究高温超导体中约瑟夫森涡旋的运动,得到约瑟夫森涡旋电压和流阻随平面磁场和驱动电流的变化规律.固定驱动电流,约瑟夫森涡旋电压和流阻随着磁场的增大出现周期性的振荡行为,振荡周期与每层约瑟夫森结中进入一个磁通量子相对应.分析和阐明了产生这种周期性振荡的原因. 关键词： 约瑟夫森涡旋 涡旋格子 高温超导     

台风“彩虹”(2015)高分辨率数值模拟及涡旋Rossby波特征分析

采用中尺度数值预报模式对2015年22号台风"彩虹"进行高分辨率的数值模拟,成功地模拟出台风"彩虹"的移动路径、强度和降水分布,尤其是在台风登陆前后,模拟结果与实况比较接近.以此为基础,利用模式输出资料,分析台风的动力、热力精细结构和台风雨带的宏观特征.眼墙处具有低层径向入流、高层径向出流的动力配置.在眼墙附近,同时存在切向风速高值区、垂直上升区、正温度距平区,并随高度向外侧倾斜,雷达回波较强,对流系统比较深厚.次级雨带、主雨带和远距离雨带的雷达回波相对较弱,对流系统垂直厚度略小.再利用尺度分离方法,得到涡旋Rossby波的扰动场资料,进一步分析涡旋Rossby波的特征.1波、2波同时朝切向和径向传播,1波的振幅明显大于2波.研究结果表明,1波、2波正涡度扰动对应强雷达回波,存在强对流活动.降水区上空的垂直涡度扰动呈上正下负的配置,与水平散度扰动的垂直配置相似时,会加强低层辐合和高层辐散,有很强的垂直上升运动,有利于对流系统发展,降水增强.1波、2波扰动的动力配置影响了对流系统的发展,并对降水强度和分布有一定的诊断作用.