亚大气压六相交流电弧等离子体射流特性研究:实验测量

以临近空间高超声速飞行器以及航天器再入大气环境飞行过程"黑障"问题的研究为背景,进行了多相交流电弧放电实验装置的物理设计,建立了六相交流电弧等离子体实验平台(MPX-2015),在背景压力为500 Pa的亚大气压条件下获得了最大直径和长度分别达到14.0 cm和60.0 cm的等离子体射流.研究了工作气体流量、真空腔压强、电极间距以及弧电流等因素对等离子体自由射流和冲击射流特性的影响规律.结果表明:在实验参数范围内,真空腔压强对等离子体的射流特性影响最为显著,等离子体自由射流的长度和直径以及冲击钝体条件下的鞘套有效工作长度和厚度均随着压强的降低而增大;提高沿电极环缝注入的工作气体流量或弧电流亦有利于等离子体鞘套尺寸的增加.上述工作有助于进一步开展临近空间飞行器与其周围复杂介质环境间复杂的气动热效应和"黑障"问题的研究.     

亚大气压六相交流电弧放电等离子体射流特性数值模拟

以临近空间高超声速飞行器和航天器再入大气环境飞行过程中其表面产生的高密度非平衡态等离子体为研究对象,基于本研究组所建立的多相交流电弧放电等离子体实验平台(MPX-2015),开展了非平衡态氩等离子体射流特性的二维数值模拟研究.在亚音速条件下二维、非平衡数值模拟所得到的计算结果与实验测量结果符合良好.超音速条件下的数值模拟结果表明,随着真空腔压强的降低,等离子体射流流速明显增大,覆盖钝体头部的等离子体鞘套的厚度先减小,而后又增加,鞘套的空间均匀性以及等离子体向钝体表面的总传热量均显著降低,而钝体头部的局部电子数密度则增大.数值模拟结果为在MPX-2015上开展超音速条件下的实验研究提供了理论指导.     

基于气体放电等离子体射流源的模拟离子引出实验平台物理特性

离子引出过程是原子蒸气激光同位素分离中非常重要的物理过程之一,而其中关键的等离子体参数(等离子体初始密度和电子温度等)均会对离子引出特性产生影响.基于千赫兹电源驱动的氩气高压交流放电等离子体射流源,建立了离子引出模拟实验平台-2015 (IEX-2015),开发了用于诊断氩等离子体参数的"碰撞-辐射"模型,对等离子体射流区的电子温度和电子数密度等关键参数进行了测量.结果表明,电源输入功率和驱动频率以及工作气体流量均会对等离子体射流区的电子温度和数密度产生影响;在真空腔压强为10~(-2)Pa量级下,射流区电子数密度和电子温度的可调参数范围分别为10~9—10~(11)cm~(-3)和1.7—2.8 e V,这与实际离子引出过程中的等离子体参数范围相近.在此基础上,开展了不同引出电压、极板间距和电子数密度条件下初步的离子引出实验,所得到的离子引出电流变化规律亦与实际原子蒸气激光同位素分离中的离子引出特性定性一致.上述研究结果验证了在IEX-2015上开展离子引出模拟实验的可行性,为后续深入开展离子引出特性的实验研究准备了良好的条件.     

布朗运动理论及其在复杂气候系统研究中的应用

文章将从非平衡态统计物理发展和应用的角度,介绍德国科学家哈塞尔曼荣获2021年诺贝尔物理学奖的研究工作——基于布朗运动理论,建立了描述气象(天气)影响气候长期演化的随机气候学模型,并建立了寻求影响气候主因的最优指纹方法,从而能够分辨出人类活动和自然界局部改变对气候这一复杂系统的影响。哈塞尔曼的工作本质上是理论物理在实际复杂系统领域的成功应用,他采用的基础物理方法——布朗运动理论是我国杰出女物理学家王明贞和其导师乌伦贝克在20世纪40年代基于爱因斯坦的工作发展起来的^[1,2]。文章将介绍布朗运动理论的发展及其相关的非平衡统计物理思想的当代发展,以展示哈塞尔曼如何把相关的物理理论巧妙地用于气候长期预测的实际应用研究：(1)建立了快变的局部“气象”变量涨落通过耗散涨落关系影响缓变的整体气候变量的基础理论;(2)通过最优指纹方法,寻找局部“噪音”和外驱动力影响气候演化的关键要素。     

剪切变形下非晶态高聚物的力学行为

基于非平衡态热力学理论，提出了一个适用于不可压材料的新的热粘弹性本构模型．该模型将橡胶弹性理论中的非高斯分子网络模型推广到计及粘性和热效应的情形．通过引入一组二阶张量形式的内变量，建议了一个新的Helmholtz自由能表达式，从而可以用来合理描述内变量的演化规律．根据以上模型，重点研究了热粘弹性材料在简单剪切变形下的力学行为，考察了由于分子链取向分布的变化而产生的“粘性耗散诱导”各向异性，讨论了应变率效应和由于粘性耗散而导致的热软化效应对剪应力的影响．理论预测结果与G’Sell等人的实验数据的定性比较表明了新的本构模型的有效性。     

研究非平衡态物理的“实验室”—重离子深部非弹性碰撞

各种系统由非平衡态向平衡态的演化是自然界的普遍现象,人们对此现象进行了长期的研究.原子核是自然界中已知的唯一的强相互作用的有限量子多体系统.重离子深部非弹性碰撞研究的主要内容是高速碰撞的弹核和靶核组成的系统由强烈的非平衡态向局部平衡演化的弛豫过程.这是70年代在重离子核反应研究中发现的反应机制,它介于核的直接相互作用和复合核反应之间.反应中两核间有一定的重叠,所形成的双核系统有较长的寿命,如10～(-22)—10～(-21)S 系统的集体自由度和单粒子自由度之间通过摩擦、电荷转移、质量转移和角动量转移等不可逆过程相耦合,…     

三维湿蒸汽流动快速准确数值模拟方法及应用

本文以解析化wilson点参数和相对饱和湿度算法为基础,发展了三维粘性非平衡态湿蒸汽流动的快速准确数值模拟方法,模拟了一实际运行机组低压缸初始凝结级内的流动,分析了与非平衡态凝结相关的流动现象。该方法可成为汽轮机湿蒸汽级流动的分析和设计的先进和实用的平台。     

相图及应用

 材料科学是一门重要的研究课题.而相图对于从事材料科学研究者来说,正如地图对于军事家一样重要.相图是一门古老而又年轻的科学.说它古老是因为从一百多年前就开始了相图的研究,说它年轻是指它与渗透到很多自然科学领域中的现代材料科学密切相关.举例说:要想知道怎样使廉价的石墨变成坚硬无比的金刚石?     

在非平衡态热力学的基础上探索建立催化理论的新途径

平衡态热力学一直被认作多相催化理论的基石之一.但是,它并不能概括工作中的催化剂的状态和行为,这主要是这里还发生一些非平衡过程.催化体系常常处于非平衡状态之下,而非平衡态条件下体系的状态和行为,同时取决于体系的动力学和热力学.联系动力学和热力学最一般的关系式并非原来的DeDonder不等式:Ar≥0,而是新的De Donder方程ln r/ r=A/RT.同时发生的总反应之间的热力学耦合对总反应的作用只是形式上的,远不及催化反应链中各基元步骤之间在动力学上的耦合那么重要.通过在动力学方程中引入反应亲和力(热力学位)得到的动力学-热力学结合近似分析,可以用来分析非平衡态的催化反应和催化剂状态.非平衡态热力学在建立多相催化理论中,较之原来的平衡态热力学将能提供更能采纳的和更有意义的物理化学背景.     

分子组装理论基础的探究——现状与机遇

分子组装是在分子以上层次创造新物质、产生新功能的重要手段.提升分子组装过程的可控性和组装体功能性是该领域的核心目标,但由于研究复杂分子组装体系的手段和理论的匮乏,迄今绝大部分研究只能限于了解组装过程始末的“黑箱”模式,这成为该领域的发展瓶颈之一.本文围绕分子到亚细胞层次的分子组装体系及其理论方法与模型,尝试将物质、能量与信息作为度量分子组装研究复杂性的三个维度,从简单到复杂地逐级剖析探讨分子组装的理论研究现状、机遇和突破口.首先,在物质维度上揭示分子组装过程呈现多路径、多阶段和多尺度等复杂性;进而在物质基础上引入能量维度,阐明熵驱动或熵焓互补现象普遍存在于分子组装体系中,并探讨远离平衡态的分子组装体系如何产生时空有序的功能耗散结构;继而在物质与能量基础上引入信息维度,探讨分子组装信息网络中的正、负反馈协同,以及如何促使系统涌现出复杂的生理功能.为了突破分子组装理论研究的瓶颈,似乎亟需建立更大的框架.从物质、能量和信息的三个维度协同研究,有望系统深入认知组装规律,进而建立新理论,发展高效精准的调控手段,提升分子组装体系的复杂性和功能性,并可能为生命科学和软物质科学提供新视角和新方法.