基于相移干涉技术的晶体溶解及生长边界层实时监测

晶体在溶解及生长过程中边界层的信息直接影响晶体生长速度和物质输运过程,进而影响晶体质量和生长机制。本文利用相移干涉技术建立了晶体生长过程实时监测系统,对无机盐晶体溶解及生长过程中的边界层信息及物质输运过程进行了实时监测,获得了整个实验过程中的晶体生长速度。实验表明:在溶解过程中,边界层内浓度分布与晶体界面距离呈指数下降关系,边界层内浓度差与晶体溶解速度随时间呈指数减小关系;在结晶过程中,边界层内浓度分布规律与溶解过程相反;边界层内浓度差和晶体生长速度曲线则呈现出先上升再下降最后趋于稳定的规律,且在重力场和物质输运过程的共同作用下,晶体表面会产生浮力对流现象。     

湍流边界层空间特征尺度的层析TRPIV测量

利用层析TRPIV测量得到的平板湍流边界层三维三分量速度场数据库,计算得到了平板湍流边界层空间耗散尺度、剪切尺度、泰勒微分尺度、积分尺度等典型空间特征尺度分别为3～5,40～100,20～50,4000个壁面单位,发现耗散尺度随法向位置缓慢增加,剪切尺度在靠近壁面的区域随法向位置变化不明显,积分尺度已不随法向位置变化....     

超短激光脉冲加热薄板的广义热弹扩散问题

由于超短激光脉冲具有功率密度高、持续时间短、加工精度高等优势, 近年来被广泛应用于超精细加工、光学储存和微电子器件制造等领域. 本文基于L-S型广义热弹扩散理论, 建立了考虑材料记忆依赖效应和空间非局部效应的记忆依赖型非局部广义热弹扩散耦合理论, 它能够准确预测几何尺寸与内部特征尺寸相近结构的热弹扩散瞬态响应. 推导了所建理论的控制方程, 并基于拉普拉斯积分变换获得了控制方程的解. 作为算例, 利用所建理论和求解方法研究了半无限大薄板受非高斯激光脉冲加热和化学冲击联合作用下的热弹扩散瞬态响应问题, 得到了薄板的温度、化学势、位移、应力和浓度等随非局部参数、热时间迟滞因子和扩散时间迟滞因子等参数变化的分布规律. 结果表明: 传热对传质影响显著, 传质对传热影响甚微; 非局部参数对位移、应力影响显著, 对温度、化学势和浓度几乎没有影响. 该理论及求解方法的建立, 旨在实现材料在机械、热、化学势等冲击作用下传热传质瞬态响应的准确预测.      

A GENERALIZED THERMOELASTIC DIFFUSION PROBLEM OF THIN PLATE HEATED BY THE ULTRASHORT LASER PULSES 1)

由于超短激光脉冲具有功率密度高、持续时间短、加工精度高等优势, 近年来被广泛应用于超精细加工、光学储存和微电子器件制造等领域. 本文基于L-S型广义热弹扩散理论, 建立了考虑材料记忆依赖效应和空间非局部效应的记忆依赖型非局部广义热弹扩散耦合理论, 它能够准确预测几何尺寸与内部特征尺寸相近结构的热弹扩散瞬态响应. 推导了所建理论的控制方程, 并基于拉普拉斯积分变换获得了控制方程的解. 作为算例, 利用所建理论和求解方法研究了半无限大薄板受非高斯激光脉冲加热和化学冲击联合作用下的热弹扩散瞬态响应问题, 得到了薄板的温度、化学势、位移、应力和浓度等随非局部参数、热时间迟滞因子和扩散时间迟滞因子等参数变化的分布规律. 结果表明: 传热对传质影响显著, 传质对传热影响甚微; 非局部参数对位移、应力影响显著, 对温度、化学势和浓度几乎没有影响. 该理论及求解方法的建立, 旨在实现材料在机械、热、化学势等冲击作用下传热传质瞬态响应的准确预测.     

明流光滑平板边界层特性

本文应用正交偏振差动式激光测速系统,测量了明渠水流中顺流放置的光滑平板上边界层内的流速分布。特别是由于仪器的改进,比较详尽地量测了粘性底层中的流速分布,从而确定了壁面切应力。文中给出了切应力系数与雷诺数Re_x=U_0x/v的关系。 试验研究发现明流光滑平板边界层中,与无限边界绕流平板边界层一样,沿平板有层流边界层,转捩区和紊流边界层三部分。边界层厚度的计算公式也基本相同,明流平板的紊流边界层具有分区性质,沿高度将边界层分为粘性底层,过渡区和紊流区。在过渡区和紊流区中流速分布可用指数方程u/U_0=M(y/δ)~(1/n)表示。过渡区中n值在2—3之间。紊流区中M=1.0,n值随Re_x而变化,n=1.17Re_x~(0.135)紊流区也可用对数公式u~+=5.95logy~++5.48。这些公式中的常数与无限边界绕流平板边界层的情况略有差别,粘性底层中流速为线性分布,u~+=y~+。     

迎风通量差分分裂法对边界层特性的数值模拟

迎风通量差分分裂法作为一种高效率的数值方法,已被广泛地用于模拟各种复杂流场,但用这类方法模拟有边界层存在的超音速粘性流场时,必须保证通量差分分裂为守恒的;否则,将在边界层内引入一个可观的虚假人工扩散项和压力梯度项,歪曲了边界层特性。本文就这个问题进行理论和数值的研究。     

激光测速仪及其在研究溢流坝面中的应用

本文简述了激光测速仪原理和试验装置.应用该仪器研究了溢流拱坝坝面的一些水力学问题,如流速系数、能量损失、动能校正系数及断面速度分布等.同时,对溢流坝面边界层的发展作了初步探讨,由边界层动量方程出发,导得边界层厚度表达式和边界层相对厚度与雷诺数的关系式,并与实测资料进行了对比.     

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.      

用PDF方程法分析悬沙垂线浓度分布

从颗粒运动的PDF(概率密度分布函数)输运方程出发。建立颗粒相的质量、动量和脉动速度二阶矩方程．对于明渠二维恒定均匀流。利用垂向动量方程导出了新的泥沙扩散方程。表明颗粒脉动强度梯度、升力、重力沉降和紊动扩散都影响悬沙运动。说明了传统扩散方程的不足．理论分析了水沙两相物理属性和水流条件对泥沙扩散系数和浓度分布特征的影响。并通过细颗粒试验资料的分析进行了定量研究．     

管道凸起激波/湍流边界层干扰的数值模拟

采用基于部分平均的湍流方程组,模拟了管道凸起流动中两种不同强度的激波-湍流边界层干扰现象,对流场的时均参数与实验值进行了比较,计算得到的壁面压力分布、摩阻系数分布、边界层厚度和速度型与实验值比较吻合很好.结果表明基于部分平均的湍流方程组既能够准确模拟小分离的激波/湍流边界层干扰流动又能够准确模拟大分离的激波/湍流边界层干扰流动,较好地预测了典型的λ激波结构.     

大气边界层内羽流扩散研究

主要研究了高架点源的污染,即``羽流扩散'. 由于大气边界层内的湍流运动,引 起污染物扩散的主要因素是湍流扩散, 研究湍流扩散有两种基本方法：统计理论和梯度理论. 采用拉格朗日粒子扩散模型 (Lagrangian particle dispersion model, LPDM)来评价羽流扩散的平均浓度,分别计算了表征扩散程度的3个参数：沿烟轴方向的 着地浓度、水平方向的羽流扩散宽度和垂直方向的羽流扩散宽度. 从计算结果和风洞实验的 数据对比来看,用该模式可以较好地模拟大气边界层内复杂气候条件下的羽流扩散.     

边界吸收效应对非定常剪切弥散的影响

采用延迟扩散方程［７，９］描述了具有边界吸收条件下，非定常剪切流动中的剪切弥散特性．给出了记忆函数、中心位移函数的控制方程．特例分析结果表明：所采用的模型方程是合理的；边界吸收效应使得纵向浓度分布具有后倾的趋势．这主要是由于边界吸收使得低速强剪切区浓度减少，剪切弥散贡献减少，从而污染物对流速度高于断面的平均速度．     

具有Le_f≠1的反应面理论及其在氧化-升华耦合过程研究中的应用

本文对有质量引射和化学反应的局部相似层流边界层作出反应面理论分析。它导出Le_f≠1情形下的一些传质、传热关系式。作为反应面理论的一个应用,对表面材料的氧化-升华耦合过程进行了研究,阐明了氧化和升华过程从速率控制到扩散控制的过渡机理和转变条件,揭示了速率升华寓于氧化扩散控制区之中这一现象,对石墨驻点烧蚀作了计算,并与实验资料作了比较,两者定量地符合。     

定优胶溶液狭缝喷射减阻实验研究

定优胶具有比柔性聚合物更优越的抗剪切效果, 是一种新型高分子聚合物减阻添加剂, 目前对其研究仍相对缺乏. 这里通过开展定优胶流变和管内狭缝喷射减阻实验, 分析了流变特性与减阻行为之间的联系, 并从其喷射扩散角度解释了其减阻规律变化的原因. 实验结果表明, 定优胶溶液为剪切变稀流体, 会发生黏性到弹性转变, 且转变点与温度无关, 仅随浓度增加而前移; 定优胶减阻率随水流速度(雷诺数)呈先增后降趋势, 但随喷射速率单调递增; 相较于喷射纯水, 定优胶溶液在流场中扩散缓慢, 且喷射速率越高, 壁面附近集聚越明显. 同时, 定优胶溶液喷射减阻的变化与其扩散规律相吻合: 当流速较小时, 定优胶溶液扩散不充分, 呈非均匀聚集态, 未能充分发挥其湍流抑制效果, 减阻较弱; 随流速增加, 水流的剪切拖拽作用增强了定优胶的扩散均匀程度, 进而提升湍流抑制效果, 减阻率上升; 但当流速过大时, 定优胶的快速扩散造成其浓度被大幅稀释, 且近壁区过大剪切率可能已造成部分长链分子断裂, 致使减阻效果下降.      

曲率和旋转对离心叶轮叶片上湍流边界层的影响

本文将曲率和旋转项引入二维湍流边界层动量方程中,导出动量损失厚度的积分关系式。分析了曲率和旋转对湍流结构的直接影响,并提出壁面速度分布律的修正表达式。     

高雷诺数流动的基本控制方程体系和扩散跑物化Navier-Stokes方程组的意义和用途

在计算机发达的时代, 高雷诺($Re$)数绕流计算中有无必要使用简化NS方程组, 本文讨论这个问题. 主要内容如下: (1)高$Re$数绕流包含3种基本流动: 所有方向对流占优流动、所有方向对流扩散竞争流动和部分方向对流占优部分方向对流扩散竞争流动(简称干扰剪切流动), 3个基本流动的特征彼此不同且在流场中所占领域大小彼此相差悬殊, NS方程区域很小,它们的最简单控制方程组Euler、Navier-Stokes (NS)和扩散抛物化(DP) NS方程组的数学性质彼此不同, 因此利用Euler-DPNS-NS方程组体系分析计算高$Re$数绕流流动就是一个合乎逻辑的选择, 该法与利用单一NS方程组的常用方法可以彼此检验和补充. (2)流体之间以及流体与外界的动量、能量和质量交换, 流态从层流到湍流的演化主要发生在干扰剪切流动中, 干扰剪切流及其最简单控制方程------DPNS方程组具有基础意义; DPNS方程组笔者在1967年已提出. (3)诸简化NS方程组: DPNS、抛物化(P)NS、薄层(TL)NS、黏性层(VL)NS方程组的发展、相互关系, 它们的历史贡献和今后的用途; 它们的数学性质均为扩散抛物型, 但它们包含的黏性项彼此有所不同; 从流体力学角度来看, 它们中只有DPNS方程组能够准确描述干扰剪切流动. 提出把诸简化NS方程组统一为DPNS方程组的建议. (4)干扰剪切流------DPNS方程组与无干扰剪切流------边界层方程组之间的关系以及进一步研究干扰剪切流的意义.      

依兰陨石坑形成过程数值模拟研究

基于iSALE-2D仿真代码对依兰陨石坑的形成过程进行了研究,采用欧拉算法开展数值模拟,探讨了依兰陨石坑的撞击条件,统计分析了成坑过程中熔化层的形成与分布规律,结合点源成坑相似律模型,拟合得到强度机制下的成坑半径关系式。研究结果表明一颗直径120 m、撞击速度12 km/s的花岗岩质小行星垂直撞击地表形成一个与依兰陨石坑形态相似的陨石坑,再现了成坑形成的3个阶段：接触与压缩阶段、开坑阶段、后期调整阶段。大部分熔体在坑底呈分层堆叠分布,少量熔体随抛射物沉积在靶体表面,呈离散状分布,完全熔化材料质量约为撞击体质量的24倍。直径120 m、撞击速度12 km/s工况模拟结果与拟合的成坑半径关系式结果相对误差10.3%。     

液桥中不同Prandtl数流体的热毛细对流

本文研究从上面加热的液桥中不同 pr 数流体的热表面张力驱动对流。在 Ma 数相同的条件下,不同 pr 数流体液桥中的温度分布和流场结构定性相似,但定量结果不同。小pr数(pr<<1)流体液桥中的粘性边界层远小于热边界层,最大流函数所在位置向冷端偏移,有较大的流动速度。结果表明,Ma 数是描述这种流动的敏感参数。     

NUMERICAL SIMULATION OF BROWNIAN COAGULATION AND MIXING OF NANOPARTICLES IN 2D RAYLEIGH-B?NARD CONVECTION

采用泰勒展开矩方法对二维瑞利-贝纳德热对流系统(1×10⁶ ≤Ra ≤1 ×10⁸) 中纳米颗粒群的混合和凝并特性进行了数值模拟. 结果显示颗粒群随时间演化经历了扩散阶段、混合阶段、充分混合阶段3 个阶段, 随着颗粒群混合和凝并的进行, 颗粒数目浓度减少, 颗粒群的平均体积增大; 得到了颗粒分布函数各特征量与温度相关系数以及各特征量的空间分布标准偏差在3 个阶段的不同特征; 得到了颗粒分布函数各阶矩以及平均体积长时间演化的渐近行为, 结果与零维渐近解析解一致. 最后, 本文进一步研究了无量纲数(包括瑞利数Ra, 斯密特数Sc_M, 达姆科勒数Da) 对颗粒群达到自保持分布时间的影响, 发现该时间随着Ra和Sc_M的增大呈对数率减小, 随着Da的增大呈线性增大     

纳米流体在伸/缩楔体上的MHD流动数值研究

对纳米流体在伸/缩楔体上的磁流体(MHD)流动进行了数值研究。首先,通过相似变换将控制偏微分方程转化为非线性常微分方程组;然后,利用Matlab软件,借助打靶法,结合四阶五常龙格库塔迭代方案进行数值求解;最后,详细讨论了各控制参数对无量纲速度、温度、浓度、表面摩擦系数、局部Nusselt数和局部Sherwood数的影响。结果表明,楔体在拉伸情况下只有唯一解,理论上不会出现边界层分离;而在一定收缩强度范围内存在双解,边界层流动在壁面处可能会出现边界层分离,壁面抽吸会使边界层分离推迟;楔体在拉伸情况下,磁场参数对表面摩擦系数的影响较大,对局部Nusselt数和局部Sherwood数的影响较小。