热-流-固耦合作用下页岩气储层渗透率的演化机制

为了研究热-流-固耦合作用下页岩渗透率的演化机制,考虑热解吸、有效应力和热膨胀对页岩渗透率的影响,提出了页岩的有效应力-渗透率模型,该模型能够分析吸附应变和热膨胀应变对页岩渗透率的影响机制。基于该模型和多孔介质弹性理论,建立了单轴应变条件下页岩气储层的热解吸渗透率模型,该模型能够探讨页岩渗透率随温度和孔隙压力的演化规律。利用室内实验观测的页岩岩样渗透率实验数据,验证了该模型的有效性和准确性。结果表明：(1)热解吸渗透率模型能较好地拟合恒压变温条件下的Marcellus页岩渗透率。(2)探讨了恒温条件下页岩渗透率随孔压的演化机制,发现恒温条件下渗透率的演化规律呈“U形”,温度越高,渗透率随孔压下降的反弹现象越不明显。(3)分析了恒压条件下页岩渗透率随温度的演化机制,发现恒压条件下渗透率随温度的演化规律呈“倒U形”,孔隙压力越大,温度对渗透率的影响越小。(4)分别在恒温和恒压条件下对热解吸渗透率模型进行敏感性分析,发现泊松比越大,渗透率比值梯度越大,孔隙体积模量越大,渗透率比值梯度越小。恒压条件下,当线胀系数大于临界值或朗缪尔体应变小于临界值,渗透率的演化规律不呈现“倒U形”。恒温条件下,...     

基于光-电-热-寿命理论的LED寿命预测模型

LED的输出光通量、输入电功率、结温以及寿命之间互相影响、紧密联系。在设计、使用LED时需要综合考虑各个参数才能使LED工作在最佳状态。针对LED提出了光-电-热-寿命理论,该理论揭示了LED的输出光通量、输入电功率、结温以及寿命这4个参数之间的内在联系。使用该理论可以建立LED寿命预测模型,找到LED的输出光通量和寿命之间的关系式,根据该关系式可以预测LED的寿命,评估LED的可靠性。由此可以找到合适的LED工作点,兼顾LED输出光通量和LED寿命,实现LED在全生命周期内输出光通量最大,从而达到优化LED工作状态的目的。     

煤层中封存CO2的流-固-热耦合数值模拟研究

为了研究CO_2煤层封存过程中注气量和煤层渗透率的变化规律,分析不同煤层特征参数对注气效率的影响,利用岩石力学、渗流力学、传热学相关理论,基于煤体双重孔隙结构特征,建立CO_2煤层封存的流-固-热耦合模型,进行CO_2煤层封存数值模拟。结果表明:CO_2注入煤层的速率遵循着"初始阶段迅速减小,随后基本稳定"的规律,注入速率的大小与煤层初始压力、初始温度成反比,与初始渗透率成正比;在煤层注入CO_2的过程中,由于气体压力升高、温度降低引起的收缩应变大于吸附应变,在注气压力增高区内煤体基质系统和裂隙系统的渗透率不断增大,且裂隙渗透率受注气影响更明显。     

基于软光刻的多层光互连垂直耦合结构

设计并试制了一种新型垂直耦合光互连线路结构,可用于高速计算机内部等垂直堆叠的多层连通光互连的芯片间光信息通讯。其结构简单,且具有较小的连接损耗(可低至0.05dB)。对四种不同的典型波导截面(分别为30μm×30μm,50μm×50μm,100μm×100μm,200μm×200μm),利用蒙特卡罗多光线追迹分析法对跨越1~6层的垂直耦合结构进行了性能分析,发现当该结构的跨越高度与横向跨越距离的比值约为0.128时,可实现较理想的低损耗(低于1dB)光传输。采用软光刻的方法制备了实验多层光互连线路,其性能测试与理论结果基本相符。     

基于光-热-电耦合利用的薄膜热电器件结构优化

热电器件由于对热源要求低,因此可以用来提高太阳能发电系统的效率。in-plane型热电薄膜器件目前引起了较多学者的关注,本文针对热电薄膜器件的结构进行了改进。通过在热电薄膜中插入电极,使得更多的热量可以通过热电薄膜传递。结果表明改进后的结构可以有效提高热电器件的效率。减小单段热电薄膜的长度是提高效率的有效途径。增加电极长度可以略微提高热电器件的效率。     

基于COMSOL的多层组织声光作用机制

采用COMSOL Multiphysics软件对不同结构组织中的声光作用过程进行仿真,讨论轴向和径向的光分布特点以及单层和多层组织光学参数对声光信号的影响。仿真结果表明：入射光束的大小对轴向和径向光的衰减速度以及轴向能流率峰值出现位置均产生影响;声光信号的峰峰值、平均值以及调制深度均随单层组织光学特性的改变而规律性变化;对于多层结构,声光信号的调制深度仅取决于靶组织的光学特性,与非靶组织的光学特性无关。     

基于多层石墨膜的柔性热铰链换热性能研究

柔性热铰链以其优越的空间自适应和导热性能,在某些场景中具备取代传统均温板的巨大潜力。采用Peaceman-Rachford ADI迭代方法对温度场求解的结果与试验数据基本一致。在热流密度0.2 MW/m~2、传输距离150 mm的条件下,柔性热铰链的传热温差可控制在32 K以内。通过分析其温差的变化趋势,证明了长度尺寸和覆胶方案对各区域扩散特性的影响彼此独立;与增大宽度尺寸的方法相比,增加层叠数量对降低其热阻的效果更佳。最后提出层叠效率的概念,用于表征层叠数量增加对其换热效率的影响,为后续柔性热铰链的设计选型提供参考。     

固-液界面可聚合脂多层膜的Ｘ射线散射研究

报道在北京同步辐射装置上有关固-液界面的研究结果,在漫散射站成功实现了固-液界面的X射线散射测量.将二乙炔酸的异丙醇溶液滴在硅基底表面,溶剂挥发后形成晶态二乙炔酸多层膜.X射线在位观测实验表明,和水长时间接触后,水分子渗透到多层膜亲水界面,样品呈液晶态.在大尺度上分子膜的热起伏符合液晶的线性弹性理论模型,但小尺度上分子的位移主要由缺陷引起.光照聚全后分子膜的弯曲模量变大,缺陷引发的分子位移范围也增大.     

基于流-热耦合模型的GMM智能构件温升控制系统设计

热效应对超磁致伸缩执行器中超磁致伸缩材料性能产生非常大的影响,从而影响超磁致伸缩执行器的定位精度;提出一种简化的强制水冷策略保证磁致伸缩材料温度恒定;同时建立了超磁致伸缩材料智能构件流-热多场耦合的有限元模型,运用COMSOLMultiphysics 3.4软件对模型进行仿真,仿真结果验证了模型的正确,进一步的实验结果证实了提出的温度控制策略的有效性。     

基于严格耦合波理论的多层介质膜光栅衍射特性分析

基于严格耦合波理论建立了多层介质膜光栅的衍射机理模型,给出了TE波自准直条件下多层介质膜光栅衍射效率的表达式.以－1级衍射效率为评价函数,分析了表面浮雕结构分别为HfO₂和SiO₂材料的介质膜光栅获得衍射效率优于96%的结构参数.数值计算表明,顶层材料为HfO₂的介质膜光栅具有更宽的结构选择范围.最后分析了介质膜光栅的制备容差和允许的入射角度范围. 关键词： 衍射效率 多层介质膜光栅 严格耦合波理论     

一种基于金刚石多层波导结构微环谐振器的仿真分析

提出了一种以金刚石新型材料为芯层的单微环谐振器模型.谐振器的纵切面采用五层脊形波导结构,中间一层设定为金刚石,上下两侧分别是SiO_2和As_2S_3,即As_2S_3-SiO_2-金刚石-SiO_2-As_2S_3.设置操作波长为1550 nm,依据耦合膜理论和微环谐振理论,利用Comsol软件仿真模拟了单直波导纵切面、直波导和环形波导耦合区的纵切面以及微环在谐振波长为1543 nm时的场强分布,及直波导和环形波导耦合区间距改变时微环的场强分布和传输特性.在此基础上,依据传输矩阵法讨论了微环的品质因数、耦合系数变化对输出光谱的影响,并对微环损耗进行了讨论.结果表明:以金刚石为芯层的微环谐振器具有良好的光学特性,本结构在谐振波长为1543 nm时谐振峰值达到了-12 dB以上,品质因数达到了1.54×10~5,在耦合系数为0.01时,自由光谱范围约为40 nm.     

热重-红外联用分析塑料垃圾热动力学特性对多环芳烃生成的影响

本文采用热重-红外联用观察了由PE,PVC,PS等组成的混合塑料和单独的塑料组分的热动力学特性和热重逸出产物的分布特性。结果显示,在混合燃烧和热解时多环芳烃的排放特性和其各组份单独燃烧时的排放特性明显不同,这主要是由于混合燃烧和热解时各塑料组分因相互作用而引起热动力学性质发生了变化所致。     

基于金属-介质-金属多层膜结构的空芯光纤折射率传感器

提出了一种新型的基于金属-介质-金属的多层膜结构的空芯光纤折射率传感器,通过建立光学模型计算了该传感器的传输光谱。对介质膜材料分别为二氧化硅、环烯烃聚合物和碘化银时的传感器性能进行了分析。当空芯光纤内部检测液体折射率处于不同范围时,所设计的传感器分别利用导模共振、表面等离子体共振以及波导耦合表面等离子体共振的原理进行传感。相比于传统的空芯光纤传感器,所提的传感器不仅检测范围超大(1.3~1.64,几乎覆盖了全部液体介质的折射率)而且品质因数提高了一倍。     

基于沸腾-空化耦合效应的微通道线阵LD用热沉

 针对大功率LD的冷却需求,基于沸腾-空化耦合效应,研制了一种微通道相变热沉,封装腔长1.5 mm的LD线阵。依据加工条件确定通道宽度、深度以及间距,采用2维数值模型估算了通道长度,热沉材料采用无氧铜,多层叠焊,外形尺寸为20 mm×12 mm×1.6 mm。实验测试了连续功率LD输出0～100 W时的电 光转换效率以及电流 输出功率等特性,冷却工质采用R134a,磁驱齿轮泵电机转速50 r/s时热沉热阻为0.3 ℃/W。结果显示微通道相变热沉具有良好的散热能力,能够满足大功率LD的散热要求。     

基于沸腾-空化耦合效应的微通道线阵LD用热沉

针对大功率LD的冷却需求,基于沸腾-空化耦合效应,研制了一种微通道相变热沉,封装腔长1.5 mm的LD线阵。依据加工条件确定通道宽度、深度以及间距,采用2维数值模型估算了通道长度,热沉材料采用无氧铜,多层叠焊,外形尺寸为20 mm×12 mm×1.6 mm。实验测试了连续功率LD输出0～100 W时的电 光转换效率以及电流 输出功率等特性,冷却工质采用R134a,磁驱齿轮泵电机转速50 r/s时热沉热阻为0.3 ℃/W。结果显示微通道相变热沉具有良好的散热能力,能够满足大功率LD的散热要求。     

基于纳米金属-石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明

提出了基于银纳米棒、银纳米盘和石墨烯耦合的多频段等离激元诱导透明(PIT)电磁模型,通过时域有限差分和辐射双振荡器(RTO)模型从数值计算和理论研究两方面分析了模型的电磁特性.结果表明:由于银纳米棒与银纳米盘、银纳米棒与银纳米棒之间的明模-明模耦合,可以实现在单频段PIT效应的基础之上,进一步产生双频段和三频段的PIT效应.其次,通过改变石墨烯的化学电位势,可以在单频段、双频段和三频段PIT模型中同时实现谐振频率和透射振幅的可调性.当化学势增大时,各频段PIT窗口的谐振频率将会逐渐增大,发生蓝移.此外,随着化学势增加,银盘和银棒表面电荷数会不断增加、表面电场将不断增强.同时,银盘和银棒、银棒和银棒之间的耦合强度也将逐渐增强.因此,各频段PIT的透射振幅将会逐渐减小,振幅调制深度逐渐增大.进一步研究了单频段PIT模型的传感特性,该模型随背景材料折射率变化的灵敏度达到了3906.6 nm/RIU.这为多频带滤波、超灵敏传感器的设计提供了理论参考.     

基于电化学-热耦合模型研究隔膜孔隙结构对锂离子电池性能的影响机制

隔膜孔隙结构对锂离子电池性能具有重要的影响,本文提出了可准确描述充放电过程中锂离子电池内部复杂物理化学现象的电化学-热耦合模型,发现该模型较文献中模型的计算结果更接近实验测试数据.利用该模型探讨了隔膜孔隙率与扭曲率分别对锂离子电池性能的影响规律,发现减小孔隙率或增大扭曲率,电池输出电压、最大放电容量和平均输出功率均不断降低,电池表面温度和温升速度均不断升高;当孔隙率减小或扭曲率增大到一定程度时,放电初期电池输出电压均会出现先下降后回升的现象,且孔隙率越小或扭曲率越大,其下降的幅度越大、速度越快,回升所需时间也越长;要确保其不低于截止电压,隔膜扭曲率必须小于临界扭曲率(其下降至最低点刚好等于截止电压时的隔膜扭曲率).综合分析了放电过程中电池内部各电化学参量和产热量的动态分布规律,发现隔膜孔隙率和扭曲率主要影响放电末期电极膜片内部电化学反应以及其他放电时刻电解液中有效Li~+扩散(传导)系数.     

基于环丁烯-1,2-二羧酸分子的二维有机铁电分子晶体单层的设计与理论研究

有机分子铁电材料相较于传统无机铁电材料具有轻质、柔性、不含重金属原子和成本低等诸多优点,长期以来得到了广泛的关注和研究.近年来,原子厚度的二维无机铁电材料的研究取得了突破性进展,因而备受关注,然而二维有机铁电材料的设计与研究却鲜有报道.本文基于密度泛函理论方法设计了一种以环丁烯-1,2-二羧酸(cyclobutene-1,2-dicarboxylic acid, CBDC)分子为结构单元的二维单层有机铁电分子晶体.由于CBDC分子晶体内部氢键的链状排布,导致其块体呈现出明显的层状结构,计算发现内部的氢键链使得CBDC分子晶体块体具有各向异性的剥离能,因此有望由沿着剥离能最低的(102)晶面进行机械/化学剥离而获得相应的单层有机铁电分子晶体.理论计算预测CBDC (102)分子晶体单层的面内自发极化约0.39×10–6μC/cm,可与部分无机同类相比拟.计算表明CBDC (102)分子晶体单层具有较高的极化反转势垒,且对外加单轴应力的响应较为敏感. CBDC (102)单层有机铁电分子晶体的高面内自发极化以及易被界面调控的极化反转势垒使其可被应用于轻质无金属及柔性铁电器件.     

基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型

提出了一种基于等效弹性模量的微裂纹-超声波非线性作用多阶段模型.该模型将微裂纹微观层面的界面几何特征和宏观层面的界面相对运动统一为介观单元弹性模量的变化,利用等效弹性模量表征损伤区域的"应力-应变",然后利用分段函数来描述微裂纹-超声波非线性相互作用,最后通过有限元仿真对波动方程进行求解,验证了模型的有效性,获得了超声波在经过微裂纹后传播的非线性波动规律.仿真结果表明本文提出的模型相比于双线性刚度模型、接触面模型,能更好地体现一个谐波周期内超声波经过微裂纹损伤区域时波形会发生畸变.同时,仿真实验还分析了裂纹倾角、裂纹长度和超声波激励幅值对超声波经过微裂纹后产生的二次和三次谐波的幅值的影响.最后,对比分析了该模型的仿真计算结果与实验测试结果,表明本文提出的多阶段模型与实验测试均能较好地体现微裂纹-超声波非线性作用产生的二次谐波信号,且结果基本一致,验证了模型的有效性.该模型为开展超声波非线性效应定量检测微裂纹提供了一种新的仿真手段.     

基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法的流固耦合算法研究

针对流固耦合问题,发展了基于浸入边界-多松弛时间格子玻尔兹曼通量求解法(immersed boundary method multi-relaxation-time lattice Boltzmann flux solver,IB-MRT-LBFS)的弱耦合算法.依据多尺度Chapman-Enskog展开,建立不可压宏观方程状态变量和通量与格子玻尔兹曼方程中粒子密度分布函数之间的关系;采用强制浸入边界法处理流固界面使固壁表面满足无滑移边界条件,根据修正的速度求解动量方程力源项;结构运动方程采用四阶龙格-库塔法求解.格子模型与浸入边界法的引入使流固耦合计算可以在笛卡尔网格下进行,无需生成贴体网格及运用动网格技术,简化了计算过程.数值模拟了单圆柱横向涡激振动、单圆柱及串列双圆柱双自由度涡激振动问题.结果表明,IB-MRT-LBFS能够准确预测圆柱涡激振动的锁定区间、振动响应、受力情况以及捕捉尾流场结构形态,验证了该算法在求解流固耦合问题的有效性和可行性.