分子模拟预测制冷剂热物性研究

分子模拟在预测制冷剂流体热物性方面的应用发展至今已有三种方法:分子动力学(MD)和蒙特卡罗(MC)和基于量子化学的COSMO-RS法。分子模拟方法计算物质的热物性仅依赖于物质的分子性质,因而可先于试验预测其热物性质,尤其可方便地解决混合物质的热物性计算,是预测制冷工质热物性的一种精确、有效的方法。本文综合论述了采用分子模拟方法对已知、未知制冷纯工质、混合工质的汽液相平衡时饱和蒸汽压、密度、焓等参数的模拟结果。模拟结果证明,分子模拟的结果与Refprop 8.0或实验值相比较,最大相对误差在20%以内,基本能满足工程需要,因此可以用来预测制冷剂流体的热物性。     

RICHTMYER-MESHKOV不稳定性的数值模拟

采用了自适应的非结构网格和基于有限体积法的二阶Godunov格式,数值模拟了在激波作用下两种不同密度流体的交界面的演化过程.着重讨论了Richtmyer Meshkov不稳定性以及斜压效应在交界面演化过程中的作用,并给出了交界面的扰动增长率.     

铝纳米颗粒的热物性及相变行为的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟了纳米金属铝在粒径为0.8-3.2 nm 时的熔点、密度和声子热导率的变化, 研究了粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、比热和声子热导率随温度的变化. 采用原子嵌入势较好地模拟了纳米金属铝的热物性及相变行为, 根据能量-温度曲线和比热容-温度曲线对铝纳米颗粒的相变温度进行了研究, 并利用表面能理论、尺寸效应理论对铝纳米颗粒熔点的变化进行了分析. 随着纳米粒径的不断增大, 铝纳米颗粒的熔点呈递增状态, 当粒径在2.2-3.2 nm时, 熔点的增幅减缓, 但仍处于递增趋势. 随着纳米粒径的增大, 铝纳米颗粒的密度呈单调递减, 热导率则呈线性单调递增, 且热导率的变化情况符合声子理论. 随着温度的升高, 粒径为1.6 nm的铝纳米颗粒的密度、热导率均减小. 该模拟从微观原子角度对纳米材料的热物性进行了研究, 对设计基于铝纳米颗粒的相变材料具有指导意义.     

S弯热应变分析及数值模拟

为了确定S弯结构在降温过程中的变形情况,基于卡氏定理对其一端建立温差位移和广义支反力之间的方程组,根据计算出的广义支反力求解该结构上各处的轴向应变.通过数值模拟对该方法计算出的最大应变和最小应变进行校核,两者非常吻合.可以认为:运用该方法计算类似结构的应变分布是可行的,计算出的结果具有较高的准确度.     

高压氢气泄漏扩散数值模拟

氢气从高压储存系统的泄漏将在出口外形成高压、欠膨胀射流,并形成被称为马赫盘的激波结构。本文利用二维轴对称几何模型模拟了储存压力为10 MPa和20 MPa的高压氢气通过直径为1 mm的小孔向周围环境泄漏的问题,并与理论计算结果和实验数据进行了比较。模拟结果表明:由于存在黏性阻力,气流通过马赫盘后的速度低于理论计算的速度,马赫盘下游沿径向的气流参数分布并不均匀。氢气沿射流中心线的浓度分布与实验数据基本吻合。模拟还得到了不同滞止压力下氢气的最低可燃轮廓和泄漏出口外的危险区域范围。     

多层纳米薄膜结构热物性重构

基于谐波探测技术测量材料导热系数和热扩散系数的基本原理,给出3ω法用于多层纳米薄膜结构热物性实验表征的方法.考虑了层间接触热阻的作用,在频域内定义了热阻抗的概念.理论分析了各层纳米薄膜的导热系数、热扩散系数等热参数对加热膜温度波动影响的敏感性.将敏感系数与实验数据处理相结合,利用三次谐波的实部和虚部分量测量了ZrO2/SiO2增透膜多层膜结构中各层的导热系数和热扩散系数.该方法可用来有效表征其他微纳米结构的热性能.     

高压下MgN8晶体结构理论模拟与物性研究

基于密度泛函理论第一性原理的方法,使用CALYPSO结构搜索技术结合VASP软件,在0~100 GPa压强范围内对MgN8的晶体结构进行预测,并对预测的结构进行系统研究。结果表明:在常压下,空间群为P4/mbm的α-MgN8晶体结构的焓值最低;当压强达到24.3 GPa和68.3 GPa时发生相变,分别相变成空间群为P4/mnc的β-MgN8相和空间群为Cmcm的γ-MgN8相,两次相变均为对应体积坍塌的一级相变。电子性质计算结果表明,α-MgN8相的导带与价带之间具有3.09 eV的带隙,表明该结构具有非金属性;β相和γ相具有明显的金属特征。Bader电荷转移计算表明,随着压力的增加,Mg原子向N原子转移的电荷逐渐增多。     

多种有序钙钛矿结构的高压制备与特殊物性

具有ABO_3钙钛矿或类似结构的强关联电子体系是凝聚态物理研究的重要前沿领域,而高压是制备新型钙钛矿特别是A位与/或B位有序钙钛矿材料的有效手段.在这些有序钙钛矿中,因A,B位可同时容纳过渡金属离子,因而可导致A-A,B-B,A-B等多种磁电相互作用的出现,进而诱导系列新颖有趣的物理现象.本文介绍高压下制备的几种化学式为AA'_3B_4O_(12)的新型A位有序钙钛矿以及化学式为AA'_3B_2B'_2O_(12)的A,B位同时有序的钙钛矿体系.在LaMn_3Cr_4O_(12)中发现了具有立方钙钛矿结构的磁电多铁性,为多铁新材料探索与新机理研究提供范例;在CaCu_3Fe_2Os_2O_(12)中发现了远高于室温的亚铁磁半导体行为,并指出A位磁性离子的引入可大大增加磁相互作用强度从而大幅度提高磁有序温度;在LaMn_3Ni_2Mn_2O_(12)中观察到A位磁性离子调控的B位Ni~(2+)/Mn~(4+)子晶格正交自旋有序结构.以上研究结果为探索新型磁电多功能钙钛矿材料提供了重要参考.     

氟化镁楔形微腔色散调控及孤子产生数值分析

用有限元计算方法仿真了MgF_2楔形腔中的色散情况,并研究半径、楔角大小、楔角位置三个参数对整个腔在通讯波段的色散影响。通过从蓝失谐到红失谐的调谐过程,利用得到的色散曲线,根据Lugiato-Lefever方程和热偏移公式仿真孤子的频域和时域图。并且研究了扫描速度、品质因子、泵浦功率等对孤子产生的影响。在结合以往实验和理论基础的情况下,探讨了利用MgF_2晶体腔产生孤子的一些重要参数。数据结果对制备低反常色散MgF_2楔形腔及在此腔中产生孤子梳具有指导意义。     

热采耦合数学模型定量化研究及数值模拟

针对稠油油藏开发过程的薄弱环节,提出了油藏热质传递过程的黑箱分析法和白箱分析法,建立了包含蒸汽相的稠油热采耦合黑箱模型和白箱模型,使得储层温度场模型得以完整化和系统化。应用CMG软件进行数值模拟,验证了所建数学模型的合理性,并得到了孔隙度对油藏温度的影响关系。最后,对油藏热流体的指进现象进行了机理分析,并总结了热流体指进现象的产生范围。     

高压下金属Ba的结构稳定性以及热动力学的第一原理研究

采用第一原理方法计算了高压下金属Ba的三个高压相 Ba-I, Ba-Ⅱ和Ba-V的稳定性及热动力学性质.结果表明, Ba的三个高压相在0 K时在其压力范围内都是动力学和力学稳定的;但随压力增加, Ba-I 和Ba-Ⅱ 的声子谱频率出现异常"软化",而Ba-V则出现"硬化".虽然 Ba-Ⅱ 和 Ba-V 同为六方密堆(hcp)结构,计算表明它们在高压下表现出了不同的弹性各向异性.计算同时发现 Ba-Ⅱ 在更高的压力下仍满足力学稳定条件,但声子谱有虚频存在, 表明动力学失稳是Ba-Ⅱ在压力下向Ba-I!V相转变的原因. 计算和比较了同为六方密堆(hcp)结构的Ba-Ⅱ和Ba-V在高压下的声速、 德拜温度、体模量、剪切模量等力学和热学性质, 展现了金属Ba在压力下的稳定机制和热动力学性质.     

热声发动机的CFD数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)方法,对高频驻波热声发动机和热声斯特林发动机实验系统分别进行了二维和三维数值模拟。计算模型具有与实验系统相同的几何结构、尺寸和运行工况。对计算模型的有效性进行了研究,表明实现有限换热条件的板叠实物模型适合驻波热声发动机的模拟,而实现局域热平衡的多孔介质模型适合热声斯特林发动机的模拟。计算结果成功观测到了非线性的自激振荡演化过程,捕捉到了两种发动机的不同非线性现象。计算结果分别给出了两种热声发动机内部的声场分布特性和复杂流场。计算结果与实验结果的对比验证了CFD方法对高频驻波热声发动机和热声斯特林发动机模拟的有效性。     

热复杂边界条件三维热应力场数值模拟研究

本文以制动盘为研究对象,基于三维对称有限元模型,运用顺序耦合数值模拟方法对制动盘制动过程传热与受力进行了探讨,分析了在热流密度、对流换热系数、辐射换热系数与时间相关的复杂的二、三类边界条件下,温度场与应力场的瞬时变化。研究结果表明,数值模拟结果与实验结果吻合程度高,证明了采用数值模拟方法对具有复杂边界条件的对象进行热应力研究与预测的可行性,同时为其他领域的传热与应力研究提供了理论依据。     

Richtmyer-Meshkov不稳定性湍流混合数值模拟

采用PPM方法数值求解Euler方程；采用Shyue提出的考虑压力平衡的混合网格状态方程的处理方法，完成R-M不稳定性问题后期混合的数值模拟。界面不稳定性后期混合具有明显的三维特征，二维计算不能分辨后期混合流体团之间三维扭曲拉伸现象，因此要求三维数值模拟。另一方面，界面不稳定性后期，通过非线性作用，小尺度运动被充分激发，必须模拟从大尺度到小尺度的级串现象，因此数值模拟要求很高的空间分辨率，要求大规模数值计算。由此我们采用MPI、应用区域分解方法完成程序并行化，并行程序具有较好的可扩展性。     

低温下液氦、液氖热物性的分子动力学模拟

本文基于平衡分子动力学模拟方法,采用了含量子修正项的QFH势函数和WK势函数对低温下液氦和液氖进行计算,并通过Green-Kubo公式统计得到热导率和黏性系数。结果表明:液氦和液氖的热导率、黏性系数随温度升高呈线性增大;采用QFH势函数和WK势函数比采用LJ势函数计算得到的热导率更接近实验值,且WK势函数计算结果比采用QFH势获得的结果更准确;WK势函数计算的液氦和液氖的黏性系数也与实验值非常接近。     

基于新物性库的低温回热器REGEN模拟

REGEN程序是用于回热式低温制冷机中回热器部分的仿真模拟软件。在仅内嵌有氦元素工质的基础上,工作新增了包含N2、H2、Ne、Ar和甲烷等13种低温工质的物性库,介绍了其适用温度、压力区间及计算精度等情况。在保留原有氦-4(4He)的基础上补充了当前最新的4He状态方程的研究成果,以此验证了新物性库与原物性库的衔接性和复现性。使用基于新物性库的REGEN3.3a程序对He、H2和Ne为工质的斯特林型脉管制冷机,进行了模拟优化计算并比较了采用不同工质时制冷机的制冷系数。     

柱几何Rayleigh-Taylor不稳定性的数值模拟

给出了柱几何中流体力学方程组及其在数值模拟中采用的计算方法。对二维柱几何Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟,在线性阶段与线性理论符合得很好;不稳定性增长进入非线性区域的阈值依赖于界面的位置,并且明显不同于平面情况。     

柱几何Rayleigh-Taylor不稳定性的数值模拟

 给出了柱几何中流体力学方程组及其在数值模拟中采用的计算方法。对二维柱几何Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟，在线性阶段与线性理论符合得很好；不稳定性增长进入非线性区域的阈值依赖于界面的位置，并且明显不同于平面情况。