湍流提升火焰条件矩封闭模拟

采用k-ε-g湍流模型、23步反应机理和径向平均条件矩封闭(Conditional Moment Closure)CMC技术, 模拟了氢气湍流提升火焰结构, 并探讨了火焰稳定机理. 作为针对湍流提升火焰进行耦合CMC模型的多维大涡模拟LES的第一步, 计算考虑了湍流对燃烧的作用, 数值格式采用高精度Padé格式, 推导并采用了基于特征波分析的多组分条件矩Navier-Stokes特征边界条件NSCBC, 本研究暂不考虑热释放对湍流的影响, 模拟集中于火焰提升区域. 与国际上公布的相关实验数据的比较表明, 模型精确地预测了提升高度、Favre径向平均温度和组分浓度. 研究结果表明, 径向平均CMC模型能够较好重构目前仍争议较大的提升火焰稳定机理.     

受损伴流湍流氢气射流火焰的直接数值模拟

采用直接数值模拟DNS的方法对受损伴流湍流氢气射流火焰进行了数值模拟, 采用16步的氢气燃烧详细化学反应机理, 冷的高速H₂/N₂燃料射流喷入热的低速伴随流, 伴随流由贫燃氢气预混火焰燃烧产生, 温度1045 K, 氧量较低. 化学反应源项由主程序在每一时间步长内动态调用CHEMKIN库函数获得. 计算采用消息传递MPI的并行计算方法, 采用12颗CPU在并行计算机上完成. 作为与实验对比的Faver平均结果由DNS瞬态结果做长时间的统计平均后获得. 火焰中涡结构的卷起以及发展过程均能很好地被捕捉, 可以观察到同旋向涡结构之间的相互吸引和反旋向涡结构之间的相互排斥过程, 伴随射流两侧涡结构彼此复杂的吸引、合并、挤压和撕裂过程, 湍流拟序结构由最初的轴对称模式开始向非对称模式演化. 流场中5.67 ms时刻瞬态的H, OH和H₂O分布, 表征了燃料射流自点燃过程中的详细火焰结构. 计算中获取的火焰抬升高度为9d ~ 11d, 与实验结果相吻合. 计算发现由OH和H粒子表征的火焰锋面中, 在火焰锋面转角位置, 燃烧过程得到强化, 可能与火焰面的拉伸以及较长的停留时间有关. 从湍流强度的分布曲线来看, 火焰的传播应该是从两侧向中心发展的. 这里的DNS结果可以作为今后发展更准确通用湍流燃烧模型的参考.     

应用耦合映象格子模型模拟Rayleigh-Bénard对流中的结构形态

应用耦合映象格子(CML)模型对Rayleigh-Bénard对流(RBC)的结构形态作了数值模拟. 在展高比较小(L/d=5)的情况下, 数值模拟再现了实验中观察到的流动由层流过渡到软湍流再过渡到硬湍流的主要特征以及水平截面内的胞状结构. 在展高比较大(L/d=30)的情况下, 数值模拟成功地再现了近年来在实验中发现的螺旋-缺陷混沌和靶标型结构. 同时证实, 对于Pr=1的流体, 在偏离平衡态的初始阶段的同一参数范围内, 大展高比RBC中的理想直涡卷和螺旋-缺陷混沌是相互竞争的两个吸引子, 而初始条件对于形成这两种结构形态中的哪一种起决定性作用. 对于Pr=4的流体, 大展高比RBC中的结构形态主要呈靶标形, 其尺度和分布形态亦显著地取决于初始条件.     

气固两相流动中颗粒扩散的转捩现象

不引入任何湍流模型, 采用有限容积方法对三维气固两相湍流射流进行了直接数值模拟, 着重考察湍流结构的转捩行为对不同Stokes数颗粒扩散的影响. 为了得到高精度的结果, 同时降低计算量和存储量, 对气相流体控制方程组的求解采用分步投影算法, 对时间积分采用低存储、三阶精度的Runge-Kutta积分格式; 对颗粒控制方程的求解在拉格朗日框架中进行. 流场的统计结果与相关的实验数据吻合良好, 证实了数值算法的可靠性. 对颗粒扩散的研究发现, 展向涡结构对颗粒扩散的影响比较突出. 而在流场的演化过程中, 观察到颗粒扩散的新行为, 即中、小Stokes数的颗粒在流场中的分布出现了 “转捩”现象.     

甲烷厌氧氧化作用:来自珠江口淇澳岛海岸带沉积物间隙水的地球化学证据

对珠江口淇澳岛海岸带沉积物间隙水中甲烷、硫酸盐、CH4-δ ¹³C和SCO2-δ ¹³C的地球化学参数垂直剖面特征的研究结果显示: 甲烷浓度梯度在硫酸盐还原带底部急剧增大, 而间隙水硫酸盐浓度随深度呈线性降低; 在硫酸盐-甲烷转换带(SMT)中, 甲烷碳同位素逐渐变重, 并引起间隙水SCO₂-δ ¹³C值变为极负.间隙水地球化学参数的变化特征提供了该区域沉积物中存在AOM作用的证据.根据数学模型计算出的三个站位甲烷厌氧氧化速率和硫酸盐还原速率, 可知AOM消耗的硫酸盐占总硫酸盐损耗的比例分别为9.0%, 84%和45.5%, 对应的AOM产生的ΣCO₂占总CO₂的比例分别为4.7%, 72.4%和29.45%.有机质的输入量的大小影响沉积物底部甲烷浓度、扩散通量及SMT分布.较高的有机质输入量一方面有利于加速间隙水硫酸盐通过有机质矿化分解作用损耗, 另一方面引起进入SMT的甲烷扩散通量增大, 使得AOM过程硫酸盐的消耗量相应增大, 结果造成SMT向沉积物表层上移.     

挟沙水流颗粒垂向扩散机理

用封闭的动理学模型分析了天然沙颗粒的扩散系数及升力和颗粒垂向脉动强度梯度对颗粒扩散的影响. 用Einstein &; Chien (1955)资料进行了对比验证. 中、粗颗粒的扩散系数e yy明显大于水流涡粘性系数, 细颗粒的e_yy与近似相等. 在0.03<y/H <0.4的实验量测范围内, e_yy/随y的减小而增大. 升力和颗粒垂向脉动强度梯度在y/H = 0.2以下显著改变颗粒的重力沉降, 在描述近壁区内的颗粒扩散时应该考虑这种影响.     

稀疏波对层流传播火焰干涉作用实验研究

为了揭示稀疏波对甲烷空气预混气中层流传播火焰结构及压力特性等的影响规律, 利用高速纹影摄像、压力测试等实验手段对小型密闭燃烧容器内甲烷-空气预混气中传播的层流火焰与稀疏波的相互作用规律进行了实验研究. 研究结果表明, 当稀疏波作用于层流传播火焰后, 在数毫秒内火焰就由层流燃烧充分发展成湍流燃烧, 其结果使得燃烧面积迅速增大, 压力上升速度加快.     

侧壁作用下浮力反应射流的数值模拟

运用三维非定常直接数值模拟方法研究了近区浮力反应射流. 所考虑的物理问题是燃料射流垂直进入氧气环境进行燃烧化学反应, 对两个含有侧壁作用且具有不同喷嘴形状的算例进行了数值模拟: 一个为墙角/圆形射流, 另一个为墙角/方形射流. 数值计算表明: 浮力驱动下的反应射流自然演化生成大涡结构, 并在下游转变为湍流状态. 数值计算同时表明: 由于旋涡变形更为强烈, 墙角/圆形射流的卷吸作用大于墙角/方形射流的卷吸作用.     

电解质溶液受热破裂降膜的Marangoni效应

采用高精度红外热像仪, 实验研究了电解质Na₂SO₄-H₂O溶液受热破裂降膜的Marangoni效应. 结果表明, 降膜的流向和径向都存在分别由液膜表面温度和浓度分布不均引发的热和溶质Marangoni效应, 并对降膜的传热过程产生了不同的影响. 引入Marangoni数(Ma)和溶液浓度(c₀)参数, 提出了受热破裂降膜Nusselt数(Nu)的关联式.     

由改进的BSW模型研究SEEPS嵌段共聚物的动态黏弹行为

研究了苯乙烯-[乙烯-(乙烯-丙烯)]-苯乙烯嵌段共聚物(SEEPS)熔体的黏弹行为, 求解了一些特征黏弹参数. 并用改进的BSW模型模拟了松弛时间谱, 给出了弹性体SEEPS最长的松弛时间(τ_max). 用时温叠加原理得到的储能模量(G′)-频率(ω)曲线在低w区域出现了明显的“第二平台”. 我们认为, 平台的出现是由于SEEPS长链分子缠结所致. 其中, PS硬段为缠结点, 对大分子链的运动产生拓扑限制作用. 同时研究结果还表明, 可用WLF方程和Arrhenius方程很好地模拟移动因子(α_T)随温度的变化, 黏流活化能(E_a)为127.88 kJ/mol. 计算得到的平台模量(G_N⁰ )为5.646×10⁴ Pa, 缠结分子量(M_e)为49634.     

三氟甲烷抑制CH4/O2低压预混平面火焰的实验研究

利用同步辐射分子束质谱对三氟甲烷抑制下的CH₄/O₂低压预混平面火焰的燃烧生成组分进行了实验测量, 通过选择性探测燃烧自由基与反应中间体, 初步研究了三氟甲烷(CF₃H)的化学灭火动力学. 结果表明, 同步辐射分子束质谱方法能够广泛探测到灭火剂作用下的燃烧生成组分, 尤其是反应中间体与自由基. 三氟甲烷灭火剂(CF₃H)在火焰预热区内完全参与反应, 生成了CF₃和CF₂等含氟中间体, 并且CF3将作为主要组分继续参与火焰主反应区内的抑制过程. 由三氟甲烷(CF₃H)生成的主产物氟化氢(HF), H－F键能远大于H－Br键能, 因此十分稳定, 不会参与类似的溴化氢(HBr)对燃烧自由基OH和H的清除反应, 这是造成三氟甲烷(CF₃H)灭火性能低于传统含溴哈龙灭火剂的主要原因.     

细水雾与K类火的相互作用

利用激光多普勒分析仪测量了不同压力下细水雾的粒径和速度, 利用ISO9705全尺寸热释放速率测试仪研究了细水雾与K类火的相互作用. 实验中测量了火焰熄灭时刻食用油内部温度T_fo, 同时利用能量平衡方程计算了火焰熄灭时T_fo的理论值, 发现计算值很好地验证了测量结果. 通过计算火羽流和细水雾的动量, 确定了细水雾熄灭K类火的临界雾滴速度v_wy. 研究表明, 细水雾具有较好的降温作用, 可快速扑救K类火, 抑制复燃, 为细水雾用于K类火灾防治提供了科学的参考依据.     

关联噪声作用下Ising体系的非平衡动态相变

在确定性外场驱动下的TDGL(time dependent Ginzburg Landau)模型中引入加性和乘性关联噪声, 通过模拟计算求解其对应的Fokker-Planck方程的确定外场周期平均解, 揭示了随机关联噪声和确定性驱动外场共同作用下Ising 自旋体系的非平衡动态相变的随机共振特征, 特别是随机关联噪声诱发的reentrant类动态对称性破缺和恢复. 系统地考察了动态序参量Q在由确定性驱动外场振幅h₀, 加性噪声强度A, 乘性噪声强度M以及两类噪声的关联系数λ组成的多参数空间的变化趋势Q~f(h₀, A, M, λ), 并就确定性调制因素和随机性扰动因素对非平衡动态转变的影响进行了分析.     

新疆柯坪地区新元古代晚期地层碳同位素组成及其对比

新疆柯坪地区新元古代晚期海相碳酸盐岩地层的碳同位素测定结果表明: 奇格布拉克组和苏盖特布拉克组上亚组碳同位素组成总体以正δ¹³C值为主, 并且在奇格布拉克组下部出现了一个明显的 δ¹³C正漂移; 在寒武系与奇格布拉克组之间、苏盖特布拉克组上亚组顶部及底部等3个层位出现了3个δ¹³C负漂移. 这些特征与华南三峡地区新元古代晚期碳同位素变化特征相似, 表明苏盖特布拉克组上亚组和奇格布拉克组分别相当于三峡地区的陡山沱组中、上部和灯影组. 其中苏盖特布拉克组上亚组顶部的δ¹³C负漂移对应于三峡地区陡山沱组顶部的负漂移, 而苏盖特布拉克组上亚组底部的δ¹³C负漂移可同陡山沱组中部以及库鲁克塔格地区汉格尔乔克组冰碛岩顶部的δ¹³C负漂移对比.     

氢气-空气-稀释气混合气层流燃烧速度的测定和火焰稳定性分析

利用球型发展火焰研究了常温常压下不同燃空当量比(0.4~4.5)、稀释气(N₂, CO₂和15%CO₂+85%N₂)和稀释度(0, 0.05, 0.10和0.15)时氢气-空气-稀释气混合气的预混层流燃烧速度和马克斯坦长度, 分析了火焰拉伸对火焰传播速度的影响. 研究结果表明: 氢气-空气-稀释气混合气的层流燃烧速度和马克斯坦长度均随稀释度的增大而减小, 火焰稳定性下降, 胞状火焰前锋面出现的半径位置提前. 在同一稀释度下, 层流燃烧速度在当量比为1.8处达到最大值, 马克斯坦长度随当量比的增加而增大. CO₂作为稀释气对层流燃烧速度和马克斯坦长度的影响大于N₂作为稀释气对层流燃烧速度和马克斯坦长度的影响.     

芦荟大黄素与人血白蛋白的相互作用

人血白蛋白多种结合位点的存在使其成为许多药物可能的结合靶点. 应用荧光分光光度法、圆二色谱法和分子模拟方法研究了芦荟大黄素与人血白蛋白相互作用的情况. 荧光分光光度法的结果表明分子间的疏水作用是芦荟大黄素-人血白蛋白配合物的主要作用力, 这与分子模拟方法的结果基本一致. 根据Von’t Hoff方程计算所得的焓变ΔH⁰与熵变ΔS⁰分别是&#8722;7.041 kJ·mol^&#8722;1和76.619 J·mol^&#8722;1·K^&#8722;1. 根据圆二色谱的变化对芦荟大黄素与人血白蛋白二级结构的作用进行了量化计算, 数据表明蛋白中α-螺旋的含量明显增加.     

新型钒氧吡唑配合物的合成与表征

在室温条件下, 用相同的原料合成了两种新的以简单吡唑(C₃H₄N₂简写为pz)为配体的不同钒氧配合物, VO(pz) ₄ (SO₄)·H₂O (1)和V₂O₂ (m-pz) (m-OOSO₂)(m-OCH₃)(pz) ₄ (2). 配合物1是单核的以4个吡唑为端配的钒氧配合物; 配合物2是以吡唑阴离子、硫酸根和甲氧基为桥基的三元异桥双核配合物. 对两个配合物进行了元素分析、红外光谱表征, 并用X单晶衍射测定了配合物1和2的晶体结构. 此外, 进行了非等温热分解动力学研究. 配合物1的晶体属于正交晶系, 空间群: Pna2₁, a = 14.547(2) Å, b =10.895 (2) Å, c =11.835 (2) Å; a = b = g = 90°, V = 1875.8(5) ų, Z = 4, R₁ = 0.0485, wR₂ = 0.1092. 对于配合物2: 三斜晶系, 空间群: Pī, a =8.377(2) Å, b =9.928(2) Å, c = 16.527(3) Å, a = 85.54(3)°, b = 80.92(3)°, g = 87.92(3), V =1352.7(5) Å₃, Z = 2, R₁ = 0.1461, wR₂ = 0.4444. 非等温热分解动力学研究表明, 配合物1的第一阶段和第二阶段热分解反应可能的反应机理分别为成核与生长n = 1/3, 三维扩散n = 2. 配合物2第一阶段和第二阶段热分解反应可能的机理分别为化学反应, 三维扩散n = 2.     

沉积物的单体异构和环烷烃碳同位素研究

对抚顺油页岩中异构和环烷烃进行了分离, 研究了单体碳同位素组成特征, 探讨了其生物地球化学意义. 结果表明, 使用5Å分子筛长时间冷络合的方法, 使其饱和烃中异构和环烷烃与正构烷烃完全分离, 满足了GC-IRMS的分析要求. 异构和环烷烃单体碳同位素组成指示了它们主要来自养光合藻类、化学自养细菌(δ¹³C值为&#8722;33.4‰~&#8722;39.0‰)和甲烷自养细菌(δ¹³C值为&#8722;38.4‰~&#8722;46.3‰), 只有高碳数2-甲基-异构烷烃δ¹³C值反映了高等植物的成因. C₃₀ 4-甲基甾烷碳同位素组成最重(δ¹³C值为&#8722;22.4‰), 表明其先质甲藻所利用的碳源或生长条件有所不同. 藿烷异构体之间δ¹³C值的变化规律说明它们异构化过程中富集¹³C的先质优先被异构化. 对甲烷自养细菌成因藿烷的认识揭示了有机质的生物地球化学强烈改造作用和有机碳的循环过程.     

二甲醚发动机的新型可控预混合燃烧

提出一种二甲醚可控预混合新型燃烧(CPC)概念, 探索在发动机上实现无烟与超低NO_x排放的新途径. 采用电控低压喷射系统, 将燃料喷射到预混合室, 并由控制阀控制预混合气的形成及燃烧过程. 以单缸135柴油机为基础设计制作了试验装置. 初步试验表明: 在优化的发动机参数条件下, NO_x排放量低于 65×10^-6, 烟度为零. 燃烧过程分析发现, 控制阀对燃烧过程有着显著的影响, 是实现高效燃烧过程的关键.     

二维伊辛系统远离平衡态的蒙特卡罗模拟

采用能够避开临界慢化困难的短时动力学蒙特卡罗模拟方法, 对二维伊辛模型在非平衡态下的动力学特性进行数值研究. 系统分别从高温无序相和低温完全有序相淬火到临界温度T_C, 采用Heat-bath算法作数值模拟, 计算双时自关联函数A(t, t′), 得到动力学临界指数z≈2.16. 以数值方式证实临界行为存在普适的标度律, 并证实从有序初态开始演化, 临界指数lC完全由静态指数决定: λ_C = β/ν.