分形——它的应用与进展讲座：第三讲 在分形上的反常输运

一、“蚂蚁在迷宫中” 输运(包括扩散、电导、摩擦……)理论是物理、化学、生物等学科中非常关注的课题.非平衡态统计力学给出了一些理论方法,一般称为经典输运理论.这里要讨论的是在无序系统或分形上的输运规律,这些规律与经典理论有很大的区别,它们会带来许多反常的行为[1,2].例如,流体在裂缝或多孔介质中的反常扩散,在玻璃体及大分子中的反常弛豫以及在逾渗集团上的电导等.德然纳曾形象地把这类问题称为“蚂蚁在迷宫中”.为了方便起见,先讨论在分形上的扩散.对于分形我们可以选用有规分形,如谢尔宾斯基镂垫(Sierpinski gasket)、海绵(sp…     

分形结构纳米复合材料热导率的分子动力学模拟研究

提出了一基于Sierpinski分形结构的Si/Ge纳米复合材料结构,以调控纳米复合材料的热导率.采用非平衡分子动力学方法模拟研究了分形结构Si/Ge纳米复合材料的导热性能,给出了硅原子百分比、轴向长度以及截面尺寸对分形结构纳米复合材料热导率的影响规律,并与传统矩形结构进行了对比.研究结果表明,分形结构纳米复合材料增强了Si/Ge界面散射作用,使得热导率低于传统矩形结构,这为提高材料的热电效率提供了有效途径.Si原子百分比、截面尺寸、轴向长度皆对分形结构纳米复合材料热导率存在着重要影响.纳米复合材料热导率随着Si原子百分比的增加呈先减小后增加的趋势,随轴向长度的增加则呈单调增大趋势.     

非线性科学国际新刊──《混沌、孤立子和分形》创刊

近年来,非线性科学的理论和应用研究异常活跃、混沌、奇怪吸引子、分形和孤立子等新概念、新术语成了科学界最热门的话题.为了适应该学科的发展,迅速及时以及全面集中地反映这一领域的最新动态和最新成果,英国著名的培格曼出版社(Pergaman Press pld,He-adington Hill Hall,Oxford 0X3 OBW,UK)于1990年创办了新刊:《混沌、孤立子和分形》(Chaos,Solitons and Fractals).混沌理论的创始人费根鲍姆(M.J.Feigcnbaum)、耗散结构理论的创始人普里高津和分形理论的创始人曼德尔布罗特(B.B Mandelbrot)等许多著名科学家被聘为该刊的名誉编…     

煤多相燃烧分形增长模型的初步研究

本文运用分形理论对煤的多相燃烧过程进行了探索性研究。根据分形动力学的概念认为；煤的多相燃烧中，反应面积的分形增长有DLC模式和KLC模式，一般情况是这两种模式的迭加。模型还引入了孔洞的合并及煤种的影响因素，初步提出了较有通用意义的燃烧模型。该模型把对碳焦的表面分形与燃烧速率的计算结合起来初步揭示了碳焦结构对燃烧过程的影响。     

亚波长分形结构太赫兹透射增强的机理研究

利用太赫兹时域光谱(terahertz time domain spectroscopy,简称THz-TDS),研究了亚波长金属分形结构在THz波段的透射增强特性.分别从实验和理论两个方面,研究了铜箔上各级分形结构THz透射增强现象的产生机理.结果表明,在低频区的透射增强主要是由低级分形线中电子运动的共振引起的,而高频区的透射增强则主要由高级分形线中电子运动的共振引起的.从而将这种透射增强效应归结为分形结构中电子的共振辐射,即分形结构的局域共振效应. 关键词： 分形 太赫兹 透射 共振峰     

火灾烟雾颗粒凝并分形特性研究

火灾烟雾颗粒因布朗运动由初期的主粒子凝并形成大颗粒的凝团结构，其外形呈现出分形特征，根据分形理论对火灾烟雾颗粒凝团结构进行分析研究，采用场发射扫描电镜对多种材料的烟雾颗粒图像进行测试，通过对烟雾凝团图像进行处理，获得了火灾探测中常见的多种材料的分形维数和分形系数，给出了烟雾颗粒的主粒子粒径，并对其影响因素进行了对比分析，为火灾烟雾探测中颗粒凝并分形特性研究提供有益的探索. 关键词： 火灾 烟雾 颗粒 凝并 分形     

分形──它的应用与进展 第一讲 分形测度与多重分形

编者按：自从７０年代曼德勃罗特提出分形理论以来，它成了一个热门的课题，不论是理论方面还是应用方面都得到了迅速的发展．本刊从１９８６年开始介绍这方面的文章［１－３］以来，现在仍不断地收到许多读者的来信来稿，有的是报道他们的工作成果，有的是希望本刊能介绍一些分形的新进展．为此编辑部委托几位同志来组织这个专题系列，其目的是帮助读者了解这个领域中的新进展和它的广泛应用．科学在迅速发展，我们国内在分形方面的科研也正在蓬勃兴起．因而这个专题系列就会有两个不足之处，一个是介绍的内容有限，它只可能是沧海一粟，不能完全满足读者的要求；另一个是不能立即列出具体的专题目录．我们衷心希望广大读者能提出建议和要求，协助我们一起来办好这个专题．     

基于多个无标度区的多重分形分析方法

用计算机模拟生成了多重分形结构,通过对比分析结构的解析多重分形谱和配分函数法计算得到的多重分形谱,总结出多重分形谱可以描述结构在某一无标度区内生长规律的特性,发现结构的各个无标度区都具有研究价值,针对传统方法不能充分利用数据的缺陷,提出了基于多个无标度区的多重分形谱计算方法.     

基于科赫分形的新型超材料双频吸收器

本文提出了一种基于科赫(Koch)分形结构的新型超材料双频吸收器,其由二阶科赫分形阵列、介质层和金属背板三部分组成.通过利用分形结构的空间填充性,其单元尺寸在相同吸收频率下相对于具有正方形谐振结构的传统吸收器有近17.5%的尺寸缩减.与传统实现多频工作的组合法、层叠法不同,该型吸收器的双频特性来源于科赫分形曲线在电磁波激励下呈现出的两种不同的谐振模式.而且由于结构上具有旋转对称性,该型吸收器对入射波的极化方向不敏感,在横电波、横磁波大角度入射时仍能保持较高的吸收率.文中采用等效介质理论对该型吸收器进行了分析,测量结果与仿真结果取得了较好的一致性.     

分形基底上刻蚀模型动力学标度行为的 数值模拟研究

为探讨分形基底结构对生长表面标度行为的影响, 本文采用Kinetic Monte Carlo(KMC)方法模拟了刻蚀模型(etching model)在谢尔宾斯基箭头和蟹状分形基底上刻蚀表面的动力学行为. 研究表明,在两种分形基底上的刻蚀模型都表现出很好的动力学标度行为, 并且满足Family-Vicsek标度规律. 虽然谢尔宾斯基箭头和蟹状分形基底的分形维数相同, 但模拟得到的标度指数却不同, 并且粗糙度指数 α与动力学指数z也不满足在欧几里得基底上成立的标度关系α+z=2. 由此可以看出, 标度指数不仅与基底的分形维数有关, 而且和分形基底的具体结构有关.     

石墨泡沫新材料导热的分形模型

新型导热材料石墨泡沫具有很好的热物理性质。本文在实验获取这种新型多孔材料的基础上,建立了基于分形理论的材料结构和导热模型,采用热阻法给出了石墨泡沫材料的等效导热系数的关系式,计算了石墨泡沫的剖面孔隙面积分形维数和等效导热系数.     

密封界面微孔结构的三维分形重构技术与泄漏特性

基于分形粗糙表面的三维数值重构技术,对界面微孔结构的分形表征进行详细研究,并应用分形多孔介质输运理论构建界面泄漏机理模型,建立微观形貌与宏观泄漏率之间的理论关系式.用有限元分析法对单粗糙峰的接触变形进行模拟,获得最大孔径的变形位移,实现微观接触力学与微观泄漏模型的有效耦合.应用所提出的预测模型对金属垫片泄漏率进行计算,结果与已有实验结果相吻合.由预测模型可知,粗糙表面分形维数、特征尺度系数以及变形位移量对微孔几何结构影响显著,是影响界面泄漏率的关键因素.     

分形介质的传热与传质分析(综述)

本文论述了分形介质的分形理论和数学基础,并简要综述了用分形理论和方法研究分形介质的传热与传质特性(如多孔介质的渗透率、热导率以及池核态沸腾换热)方面目前所取得的研究进展,最后扼要展望了用分形理论和方法进一步研究分形介质的传热与传质的可能的若干课题和方向。     

分形多孔介质导热数值模拟分析

本文基于分形理论构造了不同类型的分形结构来模拟多孔介质,采用有限容积法对其导热问题进行了数值模拟计算,详细分析了基质导热系数、孔隙流体导热系数、孔隙率等因素对其有效导热系数的影响规律.结果发现有效导热系数与基质导热系数、孔隙流体导热系数大致分别成幂函数关系,有效导热系数与孔隙率大致成指数函数关系.并把数值模拟分析结果与文献中的经验公式进行了对比分析,为其提供了数值验证.     

分形粗糙面合成孔径雷达成像研究

研究了分形粗糙面的成像问题. 分形粗糙面能够较好的逼近真实环境, 采用带限形式的Weierstrass-Mandelbrot函数建立了分形粗糙面几何模型, 对分形粗糙面参数的选取进行了讨论. 对大尺度粗糙面散射问题提出了一种基于大面元的Kirchhoff近似方法, 采用面元模型来计算粗糙面总的后向散射场以及每一个面元的后向散射场, 并对面元的尺寸选取进行了研究, 通过与解析解进行对比证明了该方法的正确性. 在分形理论建立的确定性粗糙面几何模型与面元的Kirchhoff方法获取的散射场的基础上, 采用正侧视条带式成像模式, 并选用距离多普勒算法对不同分形参数的粗糙面进行合成孔径雷达(SAR) 成像模拟, 结果显示从SAR像中可以清晰地观察到不同分形参数对粗糙面几何轮廓的影响. 该研究包括了从环境模型、电磁模型到SAR成像技术在内的完整的分形环境SAR像模拟过程, 仿真结果显示出分形环境的SAR像特点, 这对基于分形理论的自然环境的遥感探测以及参数反演具有一定的理论支撑作用.     

准分形结构光子晶体滤波器层厚误差容限

为了研究准分形结构光子晶体滤波器制作过程中引入的层厚误差微扰对其性能的影响,并得出准分形结构光子晶体滤波器的层厚误差容限,通过向正负折射率介质层加入不同的层厚微扰,分析了含负材料准分形结构光子晶体滤波器制作过程中的层厚微扰对其性能的影响.得到透射峰移动随介质折射率、介质层层数和层厚微扰大小的变化规律.对每层加入随机几何层厚微扰的情况进行了仿真,得到透射峰移动位置的统计图,并分析了透射峰位置统计数字特征随随机微扰的变化趋势.总结出含负材料准分形结构光子晶体滤波器在密集波分复用(DWDM)通信系统中的随机几何层厚误差容限为0.01 nm.     

RIKEN介观器件腔中粒子输运过程的混沌性质及分形自相似结构研究

研究了粒子在RIKEN介观器件中的输运性质, RIKEN器件的理论模型是二维Sinai台球的一种, 是研究粒子逃逸曲线混沌性质和分形规律的理想模型之一. 采用逃逸曲线定性比较和分形维数定量计算两种方法, 得到了开口宽度、腔长、拐角位置、圆弧半径等器件参数对逃逸曲线混沌区域分布的影响规律. 结果发现逃逸曲线中存在分形自相似结构, 揭示了粒子在RIKEN介观器件腔中输运过程存在的混沌性质, 并首次运用"眼式结构"分析和相似比比较等方法对分形自相似结构进行了验证. 关键词： 介观器件 混沌性质 分形自相似 分形维数     

花簇分形无标度网络中节点影响力的区分度

大量研究表明分形尺度特性广泛存在于真实复杂系统中, 且分形结构显著影响网络上的传播动力学行为. 虽然复杂网络的节点传播影响力吸引了越来越多学者的关注, 但依旧缺乏针对分形网络结构的节点影响力的系统研究. 鉴于此, 本文基于花簇分形网络模型, 研究了分形无标度结构上的节点传播影响力. 首先, 对比了不同分形维数下的节点影响力, 结果表明, 当分形维数很小时, 节点影响力的区分度几乎不随节点度变化, 很难区分不同节点的传播影响力, 而随着分形维数的增大, 从全局和局域角度都能很容易识别网络中的超级传播源. 其次, 通过对原分形网络进行不同程度的随机重连来分析网络噪声对节点影响力区分度的影响, 发现在低维分形网络上, 加入网络噪声之后能够容易区分不同节点的影响力, 而在无穷维超分形网络中, 加入网络噪声之后能够区分中间度节点的影响力, 但从全局和局域角度都很难识别中心节点的影响力. 所得结论进一步补充、深化了基于花簇分形网络的节点影响力研究, 研究结果对实际病毒传播的预警控制提供了一定的理论借鉴.     

基于科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器

太赫兹滤波器是太赫兹通信、太赫兹成像和太赫兹检测等太赫兹应用系统中不可或缺的功能器件。按照不同的分类方式,滤波器有不同的种类,常见的按照选频功能可分为高通滤波器、低通滤波器、带阻滤波器和带通滤波器。为了实现在太赫兹波段的滤波效果,世界各地的研究人员利用不同的结构、材料和控制方式实现了功能各异的太赫兹滤波器,但是考虑到设计的器件要应用到太赫兹系统中,成本低廉、结构简单、性能优越的太赫兹滤波器一直是研究人员的追求。分形概念自提出以来在很多研究领域都有了快速发展,但是在太赫兹波段的应用还不是很常见,特别是应用于太赫兹功能器件的设计。引入分形中科赫曲线的概念设计并制备了一种新型的太赫兹带通滤波器,该滤波器是在金属薄膜上刻蚀出科赫曲线分形结构,当太赫兹波垂直入射到该滤波器时候实现了在太赫兹波段的窄带滤波。在滤波器的设计过程中,追求理论与实验相结合,首先在电磁仿真软件中建立科赫曲线分形结构滤波器模型进行计算,探究分形结构应用于太赫兹波段进行滤波的可行性,在进行多次计算之后得到优化后的尺寸和结构,然后根据优化后的尺寸加工出科赫曲线分形结构太赫兹滤波器样品,并且将样品放在太赫兹时域光谱系统中进行实验测量,得到实验数据后与仿真结果进行比较。在仿真中利用了时域有限差分法模拟科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器的传输特性,优化后的仿真结果表明:滤波器的谐振频率为0.715 THz,透射系数能够达到0.92,-3 dB带宽为21.9 GHz,将仿真得到的散射参数进行S参数反演得到了太赫兹滤波器样品的电磁参数,这在理论上分析了太赫兹波在谐振点处产生透射增强的原因。利用飞秒激光微加工系统制备了尺寸优化后的科赫曲线分形结构太赫兹带通滤波器样品,然后使用太赫兹时域光谱系统对样品的传输特性进行测试,对实验得到的时域数据进行快速傅里叶变换之后得到频域数据,再把频域数据进行归一化处理后与之前的电磁仿真结果进行对比,发现实验测得的结果与电磁软件仿真得到的结果较为吻合。     

基于康托尔分形微通道流动与传热的模拟

高密度、 小体积和高集成的电子元器件散热困难, 易造成过早失效, 采用微通道换热器可以实现小体积内高热流的散热, 但流动阻力很大. 为了保证传热效果, 降低流动阻力, 本文提出了一种新型的微通道结构并对其流动与传热特性进行了数值模拟. 首先研究了微通道形状和结构, 模拟结果表明: 进出口截面宽高比为0.8 的矩形微通道的换热效果最好; 并在此基础上提出一种康托尔分型凹槽结构, 研究了有无康托尔分形以及不同分形级数对流动与传热性能的影响, 综合对比发现: 第二级康托尔分形模型 N2 既能保证热阻显著降低, 又能相比阵列结构降低压降, 具有明显的换热优势; 最后对这种康托尔分形结构的凹槽形状, 尺寸及不同方向上的分形进行研究, 结果表明梯形凹槽的下上表面长度比b/a 为0.6 、 流动方向分形比fx 为1 .25 和通道高度方向分形比fy 为1 .5 时换热流动性能最佳.