The mathematical theory of molecular motor movement and chemomechanical energy transduction

The mathematical formulation of the model for molecular movement of single motor proteins driven by cyclic biochemical reactions in an aqueous environment leads to a drifted Brownian motion characterized by coupled diffusion equations. In this article, we introduce the basic notion for the continuous model and review some asymptotic solutions for the problem. (For the lattice model see [17,47].) Stochastic, non-equilibrium thermodynamic interpretations of the mathematical equations and their solutions are presented. Some relevant mathematics, mainly in the field of stochastic processes, are discussed.     

活塞型声源几何平均声压的声强计算方法

采用p-p法计算声强时,算术平均算法计算常规声压平均存在高频区误差较大、测量效率低等不足。针对这一情况,提出应用几何平均计算声压的方法,并以活塞声源为例,对两种声压计算方法得到的声强误差进行对比分析。结果表明：几何平均声强误差曲线随△r／r的变化更明显;随△r增大,两种计算方法测量频率上限均下降;与算术平均算法相比,几何平均算法更适合于宽频测量,且该算法计算机运算时间短,测量效率和测量实时性高。该研究提供了一种更为理想的声强计算方法。     

Effects of anodic oxidation for combustion chamber on heat transfer of the piston in an aero-engine

The effects of an anodic oxidation coating on piston temperature distribution and thermal stress are investigated by establishing an inverse heat conduction problem in the form of an optimization problem in an aero-engine. A thermal analysis is carried out for both coated and uncoated pistons at 2100 rpm under 50 and 100% of full load. Specially manufactured metal plugs (templugs) were installed in both kinds of pistons to measure the temperature of every survey station. The effect of the secondary motion of the piston and piston ring on the lubrication oil film was taken into consideration in determining the heat transfer coefficient. There was reasonable agreement between the numerical method and experimental measurement, shown with an error analysis using a third-order polynomial fit technique. Research results showed that the maximum temperature of the anodic oxidation coated piston head increased to 298.5°C and 309.6°C under 50 and 100% of full load, respectively. In addition, there was a temperature reduction in the skirt for the coated piston in contrast to the temperature for the uncoated pistons under 50 and 100% of full load. The temperature distribution and thermal stress in the pin boss were then analyzed. The results indicated an increase of maximum temperature; however, the maximum thermal stress decreased for the anodic oxidation coated piston in the pin boss. Furthermore, a 200-h durability test was performed, proving the thermal load of the piston with anodic oxidation coating would not damage the piston. Also, the effect of the anodic oxidation coating technique on aero-engine emissions was investigated. The anodic oxidation coating for the aero-engine combustion chamber slightly improved CO and HC under 50 and 100% of full load.     

氟金云母陶瓷车削中脆性材料切削热传导理论模型的研究

通过分析可加工陶瓷切削温度变化规律,提出脆性材料在车削中存在着两个不同的温升阶段,反映了切削系统存在的热传导及热积累效应。根据热传导基本理论,建立以刀具-工件接触点为移动热源的脆性材料切削热传导理论模型,结合微元法量化脆性材料车削中的热量分配,采用能接近实际车削中温度场变化形式的镜像热源原理,求解脆性材料切削温度的二次跃迁值。用PCD(聚晶金刚石)刀具车削氟金云母陶瓷,进行切削验证实验,结果表明,脆性材料切削热传导理论模型能够较准确地求解切削温度的二次跃迁值,并反映陶瓷等脆性切削温度场的变化趋势。     

微乳化生物质燃油的往复运动摩擦学特性研究

采用发动机活塞环-缸套摩擦磨损试验台,研究了微乳化生物质燃油在活塞环-缸套摩擦副往复运动过程中的摩擦磨损特性.借助扫描电子显微镜及附带的能谱、X射线光电子能谱仪等分析测试手段考察了磨痕表面形貌及元素组成与含量、主要元素化学状态,探讨了摩擦磨损机理.结果表明,在微乳化生物质燃油润滑条件下,活塞环-缸套之间的摩擦系数和它们的磨损量均随着往复运动频率增加而增大,微乳化生物质燃油减摩性较0^#柴油好,耐磨性比0^#柴油差;摩擦磨损的机理归于微乳化生物质燃油中的极性基团如羧基（—COOH）易于吸附在摩擦副表面起到边界润滑作用,而乳化燃油中酸性物质在摩擦过程中加大了对摩擦表面的腐蚀,同时摩擦表面形成的Fe₂O₃氧化膜在摩擦力作用下脱落并充当磨粒,从而使磨损加剧.     

多相介质诱发柱塞泵内部磨损

 为了突破油水煤浆作为替代燃料发展的瓶颈,解决油水煤浆替代柴油应用于柴油机和固体煤颗粒的存在加剧柱塞泵磨损问题,通过数值模拟和实验测试方法找出多相介质下诱发柱塞泵内部磨损的机制。采用VOF多相流动模型,对颗粒运动轨迹、颗粒与过流表面的相互碰撞过程、固液(煤、油)磨损进行了数值模拟,并试验测试分析。研究结果表明：离散相颗粒的性质(密度、粒径)、混合比例及柱塞运动速度对颗粒运动轨迹及壁面碰撞过程有重要的影响;大粒径、大密度的颗粒运动轨迹向柱塞泵壳体内侧偏移,与其撞击并反弹,易发生多次撞击,对柱塞泵壳体内侧磨损程度大;小颗粒易与柱塞偶件发生撞击,因柱塞偶件表面油膜颗粒一般与其发生一次撞击,冲蚀磨损相对弱些;凸轮速度直接影响柱塞运动速度,速度加剧内部磨损;混合燃料中固体颗粒的体积比增大,对柱塞偶件的磨损加剧,模拟结果与试验结果吻合。     

高超音速流中双楔形翼段的颤振分析及PID控制

在高超音速流中,气动力和惯性力的耦合作用可能导致机翼发生颤振。应用三阶活塞理论计算非定常气动力,建立双楔形翼段的运动微分方程;并采用Runge-Kutta法求解翼段的运动微分方程,得到翼段的时间历程及相轨迹线。设计一种PID控制器,可以通过改变控制面角度来抑制翼段的颤振运动。结果表明,PID控制能够有效地抑制机翼的颤振,使系统运动迅速趋于稳定。     

奇异值曲率谱理论及其在信号处理中的应用

有效奇异值的确定一直是奇异值分解（Singular value decomposition, SVD）中的重要问题,在信号处理时尤其如此。分析了在Hankel矩阵方式下理想信号和噪声的奇异值特点,指出理想信号的奇异值曲线存在一个很大的转折点,而噪声的奇异值曲线则很平坦。进而提出了奇异值曲率谱的概念,利用它来描述含噪信号奇异值曲线上的转折点情况,并提出根据曲率谱最大峰值位置即奇异值最大转折点来确定有效奇异值个数。如果奇异值曲线在曲率谱最大峰值的位置坐标k处是凸出的,则有效奇异值的个数为k;如果奇异值曲线在k处是凹进的,则有效奇异值的个数为k-1,通过信号处理实例证实了这种结论。基于曲率谱的SVD准确地提取到了轴承振动信号中由于滚道损伤引起的调制现象,并据此可靠地判断出了滚道剥落坑总数。     

熵产生最小时不可逆Otto循环热机活塞运动最优路径

给定循环总时间和耗油量的情况下,以存在传热、摩擦等内、外不可逆性的Otto循环热机为研究对象,考虑工质与环境之间的传热分别服从牛顿传热规律q∝Δ（T）和线性唯象传热规律q∝Δ（T-1）,以循环熵产生最小为目标对整个循环活塞运动的最优路径进行了研究.利用最优控制理论得出了两种传热规律下无加速度约束和限制加速度时对应于循环最小熵产生时各冲程活塞最优运动规律及循环总时间的最优分配.限制加速度时各个冲程的活塞运动最优构型均由三段组成,均包含了一个初始最大加速段和一个末端最大加速段.给出了最优构型的数值算例,并与牛顿传热规律和线性唯象传热规律时最大输出功条件下的最优构型进行了比较.计算结果表明优化活塞运动规律后可使热机熵产生减小30%以上,这主要是通过减少功率冲程初始段传热损失引起的熵产生实现的.     

流体静高压原位磁测量的误差研究──（1）漏磁场的影响

 通过五种不同环境分别做原位磁测量和对比，详细研究了13层密绕直螺线管的漏磁通在同步箍紧式高静水压容器内引起的相对误差（Δc₀/c₀）。结果表明：（1）对于空心次级线圈，Δc₀/c₀为-1.90%～-1.27%（400 Hz）或-0.36%～-0.64%（1 000 Hz）。（2）对于钝铁纳米微粉的（Fe-5H）样品，其磁化曲线及起始磁化曲线均为直线，即具有恒磁导率μ。漏磁通过在高压容器内引起的相对误差，Δμ/μ＝3.9%～3.8%，比（2）约大一倍。