表面缺陷基态模孤子的性质及其临界行为

表面缺陷基态模孤子的性质在实现全光控制方面有重要的应用。基于非线性薛定谔方程,利用虚时间变换、非线性松弛法以及分步傅里叶算法等数值方法对具有半无限缺陷光格子的克尔型非线性介质中存在的基态模的特性进行了详细研究。研究结果表明:对于吸引型半无限缺陷光格子,表面缺陷基态模只能分布于缺陷处,而对于排斥型半无限缺陷光格子,表面缺陷基态模既可以分布于缺陷处,也可以分布于其他格子通道处;每个系统参数存在着一个临界值,当其他参数保持不变的情况下,这个系统参数的数值大于或小于其临界值时,表面缺陷基态模将能或不能分布于缺陷处。从物理机制方面看,光格子与光束诱导的非线性折射率之间的竞争导致了这种临界行为的出现。     

液滴在粗糙固体表面上的铺展特性

本文建立了粗糙固体表面上液滴铺展过程的理论模型并采用了格子Boltzmann方法进行数值模拟,研究了粗糙与光滑表面上液滴铺展过程的形貌变化。研究结果表明,无论表面光滑还是粗糙,液滴都沿着半径方向逐渐铺展,整体首先呈帽形,随着时间的推移,液滴在表面铺展成一平面。粗糙表面与光滑表面铺展特性间的差异主要在于粗糙表面液滴受到粗糙元干扰,其铺展形状随时间推移由圆形向八边形过渡.粗糙元间隙的增大导致液滴润湿半径增大,液滴厚度沿半径方向变化梯度降低。     

Ground-State Properties of Superfluid Fermi Gas in Fourier-Synthesized Optical Lattices

By employing the balance condition between the lattice potential and the interatomic interaction, we study the ground state solutions of superfluid Fermi gases in Fourier-synthesized （FS） optical lattices. The average energy of the ground state, the atoms number, and the atom density distribution of the Fermi system are analytically derived along the Bose–Einstein condensation （BEC） side to the Bardeen–Cooper–Schrieffer （BCS） side. We analyze the properties of ground state solutions at both the BEC limit and unitarity in FS optical lattices. It is found that the relative phase α between the two lattice harmonics impacts greatly on the properties of the ground state of the superfluid Fermi gas. Especially in the BCS limit, when α=π/2, the average energy presents an exponential form with the increase of the potential depth of the lattice harmonics v2. Meanwhile, there exits a minimal value. Moreover, due to the Fermi pressure, the atom density distribution at unitarity is more outstretched than that in the BEC limit. The average energy at unitarity is apparently larger than that in the BEC limit. The properties of the ground state solution exhibit very different behaviors when the system transits from the BEC side to the BCS side.     

相同尺度下气泡与复杂壁面的耦合特性研究

采用格子Boltzmann方法(LBM)建立了气液固三相耦合的动力学模型,研究了相同尺度下上浮气泡与复杂壁面的相互耦合作用.首先,基于黏性流体理论,通过构建一组格子Boltzmann(LB)方程来描述气液两相的运动,并以LB离散体积力的形式计入了黏性力、表面张力和重力.同时,采用LBM中的Half-way反弹模型与有限差分格式相结合的方式进行固壁边界的处理.然后,利用本文建立的模型,对不同特征尺寸比条件下,气泡与考虑边缘效应的平面固壁和曲面固壁的耦合特性进行了研究.研究发现固壁边界条件以及特征尺寸比对气泡的运动和拓扑结构的变化都具有明显的非线性影响.最后,研究了流体属性对气泡与复杂壁面耦合规律的影响.     

疏水表面滑移流动及减阻特性的格子Boltzmann方法模拟

采用格子Boltzmann方法研究了固体壁面对流体的作用强度与其润湿性的关系,在此基础上进一步模拟了疏水表面微通道内的流体流动,获得了润湿性对疏水表面滑移流动及减阻特性的影响规律,证实了疏水表面表观滑移的存在性并揭示了其产生机理.结果表明,疏水性作用在疏水表面的近壁区诱导了一个低密度层,而表观滑移则发生在低密度层上.表观滑移是疏水表面具有减阻作用的直接原因,减阻效果随滑移长度的增大而增大.对于特定的流体系统,滑移长度是疏水表面的固有属性,仅是壁面润湿性的单一函数,而与流动本身的性质无关.     

三维曲面腔顶盖驱动流的MRT-LBM研究

采用多松弛时间格子玻尔兹曼方法(MRT-LBM)的D3Q15模型分别对长方体腔、圆柱腔、半圆柱腔、旋转双曲面腔、旋转椭球面腔、半球腔以及两种组合腔体的三维顶盖驱动腔流进行数值模拟, 比较分析各腔体内流线分布、流速等值线分布和涡心的发展, 对于典型腔体模拟不同雷诺数下的流动情况。结果表明: 在同一雷诺数下, 曲面边界不仅能消除从边界产生的次涡, 还会导致腔内主涡的分离, 增大中心纵剖面纵向回流速度; “上长方体+下半圆柱”腔内流函数分布与边界贴合度最高。当雷诺数不断增大时, 半圆柱腔内主涡逐渐分离成两个同向涡, “上圆柱+下半球”腔内始终保持着圆柱腔与半球腔内的基本流动特征; 而长方体腔内主涡涡心保持在同一高度, 次涡逐渐增强, “上长方体+下半圆柱”腔内流动愈加规则, 主涡逐渐下沉, 流速等值线分布逐渐趋于中心小、四周大。     

格子Boltzmann方法分析气泡的运动及其相互作用

利用格子Boltzmann方法对气泡在液体中的运动规律及相互作用的气液两相流问题进行了研究;采用了基于自由能模型且适用于大密度比多相流问题的Z-S-C模型,计算模拟了处于不可压缩流体中的气泡在浮力作用下的运动特性;通过算例验证了Z-S-C模型的可行性;研究了不同放置位置两气泡的运动形态及其相互作用情况,分别分析了沿y方向同轴放置的两气泡间距变化对合并过程和沿x方向并列放置的两气泡的间距变化对气泡相互作用的影响。结果表明:两气泡的初始间距在一定范围内时,初始间距对上升过程中气泡间的相互作用具有重要影响;当初始间距超过一定量值时,上升过程中两气泡相互独立,不存在相互作用。     

枝晶生长和气泡形成的数值模拟

本文建立了二维的格子玻尔兹曼方法-元胞自动机(lattice Boltzmann method-cellular automaton, LBM-CA)耦合模型, 对凝固过程中枝晶生长和气泡形成进行模拟研究. 本模型采用CA方法模拟枝晶的生长, 根据界面溶质平衡法计算枝晶生长的驱动力. 采用基于Shan-Chen多相流的LBM模拟气泡在液相中的生长和运动. 在LBM-CA的耦合模型中包含了固-液-气三相之间的相互作用. 应用Laplace定理和模拟气-液-固三相之间的润湿现象对模型进行了验证. 应用所建立的LBM-CA耦合模型模拟研究了气-液相互作用系数对单气泡生长的影响. 发现单气泡的生长速度和平衡半径随气-液相互作用系数的增大而增大. 定向凝固过程中枝晶和气泡生长的模拟结果再现了枝晶的择优生长、 气泡的优先形核位置、气泡的长大、合并、在枝晶间受挤变形以及在液相通道中的运动等物理现象, 与实验结果符合良好. 此外, 初始气体含量越高, 凝固结束时气泡的体积分数也相对较高. 本模型的模拟结果可以揭示在凝固过程中气泡形核、 生长和运动演化以及与枝晶生长相互作用的物理机理.     

格子Boltzmann方法对Rayleigh-Benard流的模拟与非线性分析

本文利用格子Boltzmann方法对不同Ra下的Rayleigh-Benard自然对流进行了数值模拟,得到的Nu与前人的结果一致。数值结果表明,Ra=2000时,格子Boltzmann方法得到了三个静态分岔解,其中一个为非稳定解;在Ra=5×10~5时格子Boltzmann方法得到了类似于周期的振荡解。本文采用插值格子Boltzmann方法,在Ra=2000,取不同插值节点进行计算时,得到了一种非稳态解。