孤子形隆起的形成机制的实验研究

垂直激励下的颗粒物质的隆起和对流是一个有着广泛应用而又十分复杂的现象。尽管人们根据实验观察和分子动力学模拟对其形成机制已经提出了各种推测和解释:有些把它归结于有限容器的垂直壁对水平方向运动的制约作用,有些则依赖于容器底部的振动的空间调制或垂直壁与颗粒物质的摩擦作用。这些机制各自都存在一定的局限性,或者说,有着各自的适用范围。显然,这些形成机制原则上不能用以解释最近发现的孤子形隆起现象。因为它发生在垂直激励的窄长槽中,是一个一维无限边界的问题,与矩形容器两头的垂直壁并无关系。相反,其表面的形状很像人们在水波和点阵实验中发现的孤立子波。本文的目的在于利用实验手段揭示孤子形隆起和对流的动力学形成机制。     

混合对流的流动与传热特性

混合对流在工程应用中大量存在,有重要研究价值。前人局限于自然对流、混合对流、强迫对流流动区域的划分和整理对流换热准则关系。本文以混合对流流动与传热相似为目标,从控制方程出发,导出了描述混合对流的特征参数,阐述了混合对流特性,介绍了其在模型实验中的应用。     

具有周期结构的垂直激励系统中颗粒物质隆起的形成和输运

在外加垂直激励条件下, 存在周期底部结构的槽中, 实验观察到颗粒物质隆起的形成和输运. 槽的底部结构有两种. 一种为由10个矩形凸起构成的周期状. 外加激励较弱时, 槽中形成多个小隆起, 其个数与底部凸起的个数相同, 并且小隆起均位于底部凸起上方, 与底部凸起一一对应. 外加激励较强 时, 颗粒系统随着外加激励参数的变化呈现3种不同的状态, 单个大隆起、大隆起加小波浪和大隆起加剧烈波浪. 实验测量了这3种状态对频率f和加速度G 的依赖关系. 为了研究出现波浪现象时隆起内部的输运情况, 在隆起中掺入示踪颗粒, 用高速相机记录其运动轨迹, 观察到隆起的内部存在着局部对流, 而这是平底槽中所没有的. 另一种底部结构为单一台阶状, 实验观察到隆起向台阶方向输运的现象, 我们认为气压差是该现象产生的主要原因.     

含源汇非定常对流扩散问题紧致四阶差分格式

对流扩散乃流体流动与传热传质的基本过程。作为提高其数值模拟可靠性的根本途径,对流扩散方程的高精度数值方法愈受重视。其中紧致差分(compact difference)以其实用、省时和高整体精度等特性倍受青睐。Dennis四阶紧致格式,一维情况可推广至非定常问题,但处理较繁;更为遗憾地是其格式未能充分反应对流的“迎风”效应,不适用于对流占     

导热和自然对流对石蜡定向熔化特性的影响

相变散热器在有效保障功率瞬变、间歇性工作电子器件安全运行方面具有极大潜力.针对现有相变散热器性能亟需进一步提升的问题,本文通过改变加热位置和添加泡沫铜,实验探究了石蜡在导热+自然对流、导热、导热增强+自然对流抑制以及导热增强4种作用条件下的定向熔化特性.研究发现,在导热和自然对流同时作用条件下,石蜡的温度经历缓慢上升、极速上升、缓慢波动和继续上升4个阶段,自然对流的作用可将相变散热器的有限保护时间从导热作用时的483 s延长至4400 s.虽然添加泡沫铜能降低石蜡内部的温度梯度,但会延长自然对流作用的起始时间、缩短作用时长以及削弱作用强度,导致自然对流的作用权重比从8.1降至0.72,有效保护时间仅提升80 s.因此,采用相变材料(phase change material, PCM)散热器冷却低热流密度的电子器件时,应优先强化工质熔化过程中的自然对流,随着热流密度的增加,再逐渐强化其导热性能.     

热磁对流氧浓度传感器感应机理的实验

氧浓度分析仪被广泛地用于各行各业中,热磁对流氧浓度传感器具有使用寿命长、测量准确度高等优点.它巧妙地利用热磁对流现象引起传感器壁面温度的变化来感知氧气浓度的变化.但是由于热磁对流现象较为复杂,其感应机理尚不明确,为了进一步提高热磁对流氧浓度传感器的测量精度,有必要对其感应机理深入研究.本文通过实验的方法研究了两块方形磁铁构成的非均匀磁场作用下薄壁圆管中顺磁性气体在其中的传热特性.实验结果表明:圆管壁面温度在磁场的作用下较无磁场时有明显的降低,且随着热流密度的增大,管壁温度降低得越明显,管壁温度与热流密度成线性关系;随着热流密度的增大,热磁对流现象引起的平均速度及对流换热系数均增大;氧气浓度每增加10%,管壁温差降低0.12℃,即氧气浓度越高热磁对流现象越明显;所研究系统对于氧气浓度的分辨率约可达0.08%.     

重力对流与布朗运动并存时悬浮粒子的碰并率

自1917年Smoluchowski工作以来,人们对纯对流碰并与纯布朗碰并已有许多了解.但对两种运动并存时的碰并问题却一直很少研究.1964年Swift与Friedlander提出可加性假设,认为两种运动对碰并的影响彼此相互独立,其碰并效果线性可加.从求解完整的对分布方程出发,在一组特定的参数下(即粒子大小比λ=1/2,密度差比r=1,对流项与势力项比Q_(ij)=10~4),我们在1990年弱重力对流与强布朗运动耦合碰并的工作,1991年弱布朗运动与强对流耦合碰并的工作,都初步地说明了可加性假设没有理论根据.在以上工作基础上,使用内插方法,我们现在第一次得到了无因次碰并率Nu从低Pèclet数(Pe,对流项与布朗项的比),经过中Pèclet数到高Pèclet数的完整的变化图象.并且得到该图象与λ,γ两参数     

两种不同结构的混合流体局部行波对流斑图

通过流体力学基本方程组的二维数值模拟,探讨了长高比?=20的矩形腔体中有较强Soret效应的混合流体对流中的局部行波的形成及含有缺陷的局部行波的动力学特性.当分离比?=?0.60时,在分叉曲线的鞍结分叉点附近相对Rayleigh数为r=1.926~2.074的范围内,出现了无缺陷局部行波.然后,随r逐渐增加,系统由无缺陷局部行波过渡到含有缺陷的局部行波并在r=2.075~2.224的范围内形成稳定的含有缺陷的局部行波.局部行波对流的宽度随r增加而增加,并在r=2.075处随着对流斑图的转变突然加宽.再随r增加,含有缺陷的局部行波失去稳定,对流控制整个腔体并演化成有缺陷的行波.有缺陷的局部行波是我们发现的新型对流结构.有缺陷的局部行波的形成依赖于局部行波的对流宽度.在具有缺陷的局部行波存在范围内,这种缺陷出现的周期随r增大而增加.     

溶菌酶晶体生长过程中固腋流动体系的流体特性

在用批量法生长溶菌酶晶体的过程中，使用粒子图像测速技术观测晶体生长固／液体系的宏观速度场，使用长工作距离显微镜测定了晶体（110）面的法向生长速率和晶体周围溶液的局域速度场．实验结果表明，固／液体系的平均流速、最大流速以及单个晶体周围的局域流速均具有起伏特性．基于蛋白质晶体的对流一扩散模型，计算了有效浓度边界层厚度δeff,界面溶质浓度Gi以及特征速度V.计算结果表明，在实验条件下，溶菌酶的晶体生长过程主要由表面动力学控制，浮力对流在质量输运中的份量很小，但随着过饱和度的增加，质量传输的份额有增大趋势．计算结果还表明，浮力对流所产生的剪切力的量级为10^-21 N，远小于溶菌酶分子间的键力，因此浮力对流产生的剪切力不会对溶菌酶晶体生长产生很大影响．     

TC-1卫星在近地磁尾(9～13 R_E)探测到的对流型高速流和场向高速流

对2004～2006年期间每年的6～11月(2006年截止到10月),共17个月的TC-1卫星上4s精度的FGM和HIA数据进行了统计分析.统计结果显示:在区域(-14RE相似文献   

西太平洋暖池上空对流对应的前期海温异常

对与热带西太平洋暖池上空的对流活动对应的前期信号分析结果表明，夏季暖池对流强度与前期暖池区域和赤道中东太平洋海温分别呈正、负相关，并与同期的菲律宾以西区域表面温度呈显著的负相关关系，对夏季不同月份暖池对流对应的海温进行了分析，表明6，7月的暖池对流存在暖池区和赤道中东太平洋的前期海温异常信号，尽管整个夏季平均的暖池对流存在前期海温异常信号，但只有初、仲帮（6，7月）的暖池对流存在前期海温异常信号，晚夏（8月）的暖池对流却没有，由此提出暖池、赤道中东太平洋和菲律宾以西之间在前期（前冬和夏季）和同期可能存在不同的相互作用系统。     

化石踪迹话沧桑——从地层古生物资料论青藏高原的隆起

号称“世界屋脊”的青藏高原,面积约230万平方公里,平均海拔4000米以上,是地球上最高、最大的高原。青藏高原的隆起被称为新生代以来发生在亚洲的最大的地质事件。它的隆起对我国西部、亚洲中部、甚至整个北半球的自然界产生巨大的影响。青藏高原为什么会这样强烈地隆起?什么时候开始隆起?隆起的幅度和速度如何?隆起以后对自然界和人类活动有什么影响?这是地学理论研究中举世瞩目的重大课题。     

相变型热驱动微泵泵送特性的实验

对相变型热驱动微泵进行了实验研究，并建立了简化模型，探讨了微泵的泵送机理，实验表明：影响微泵泵送特性的最主要因素是加热条件和散热条件；对给定的系统，对应流量的最大化存在加热电流和加热时间的最佳值；与自然对流冷却相比，强迫对流冷却需要增加加热电流强度才能达到相同的泵送流量，内径200μm微泵的最大流量为33μL/min，最大压头达到20kPa以上，理论分析表明，此微泵的泵送机理主要来自于气体段的气塞作用以及气液间巨大的密度差异。     

对流换热的物理机制及其控制:速度场与热流场的协同

从能量方程出发重新审视了对流换热的物理机制，把对流换热比拟有内热源的导热。热源强度不仅取决于流体的速度和流体的物性，而且取决于流速与热流矢量的协同。流动的存在可以强化换民可以并无实质贡献，甚至能减弱换热。这不仅可以对现有对流换热现象有更深入的理解，而且可发展一系列对流换热控制的新方法，举出了传统热强化和保温等应用方面的实例。     

溶菌酶晶体生长过程中固/液流动体系的流体特性

在用批量法生长溶菌酶晶体的过程中, 使用粒子图像测速技术观测晶体生长固/液体系的宏观速度场, 使用长工作距离显微镜测定了晶体(110)面的法向生长速率和晶体周围溶液的局域速度场. 实验结果表明, 固/液体系的平均流速、最大流速以及单个晶体周围的局域流速均具有起伏特性. 基于蛋白质晶体的对流-扩散模型, 计算了有效浓度边界层厚度δ_eff, 界面溶质浓度C_I以及特征速度V. 计算结果表明, 在实验条件下, 溶菌酶的晶体生长过程主要由表面动力学控制, 浮力对流在质量输运中的份量很小, 但随着过饱和度的增加, 质量传输的份额有增大趋势. 计算结果还表明, 浮力对流所产生的剪切力的量级为10^-21 N, 远小于溶菌酶分子间的键力, 因此浮力对流产生的剪切力不会对溶菌酶晶体生长产生很大影响.     

对流换热过程的广义热阻及其与(火积)耗散的关系

为了更加直观地分析与优化对流换热过程, 引入了多维传热系统的热流加权平均温度和热流加权平均温差的概念, 并定义热流加权平均温差与总热流的比值为传热过程的广义热阻, 提出了优化对流换热过程的最小热阻原理, 分析了对流换热过程的广义热阻与火积耗散之间的关系, 得出了最小热阻原理等价于火积耗散极值原理的结论. 以恒壁温条件下的二维方腔内对流换热过程为例, 研究了该过程的广义热阻, 讨论了最小热阻原理在对流换热过程分析与优化中的适用性.     

一类对流扩散方程Cauchy问题的概率求解

在力学中广泛地存在对流—扩散问题,对流扩散方程具有重要作用.本文利用鞅的方法讨论了一类非齐次对流扩散方程Cauchy问题:     

TC-1卫星在近地磁尾(9~13 RE)探测到的对流型高速流和场向高速流

对2004~2006年期间每年的6~11月(2006年截止到10月), 共17个月的TC-1卫星上4 s精度的FGM和HIA数据进行了统计分析. 统计结果显示: 在区域(-14 R_E < X <-9 R_E, |Y |< 10 R_E, |Z| < 5 R_E)内, TC-1卫星共观测到的高速流事件共465起, 其中对流型高速流94起, 场向流型事件371起. 对流型高速流和场向高速流有明显不同, 主要表现在: 对流型高速流流场和磁场夹角超过45°, B_x磁场强度小于15 nT较弱, β 的最可几值为0.4; 场向高速流流场和磁场夹角的最可几值为20°, B_x磁场强度的最可几值约为30 nT, b 的最可几值0.1. 对流型高速流主要发生在等离子体片内; 场向高速流主要分布在等离子体片边界层附近. TC-1卫星的观测结果表明, 近地对流型高速流与爆发性整体高速流(bursty bulk flows, BBFs)的特性一致, 说明有相当数量的BBFs是可以进入近地13 R_E以内的. 由于对流型高速流能够更有效的向近地磁尾输运能量, 有可能会对亚暴触发过程产生重要的影响.     

多年冻土区碎石路堤冬季自然对流降温效应的演化机理

通过变渗透率无量纲控制方程的有限元数值方法分析了多年冻土区碎石路堤孔隙空气对流降温效应的发生机理和演化过程. 分析表明, 碎石路堤的对流降温效应是从两个边坡最先开始形成, 逐渐向路堤中间区域发展, 随着等温线偏离热传导温度分布位置的畸变程度不断加重, 碎石路堤冬季对流降温效果也不断增强. 分别给出了在边坡区域和路堤中间区域开始形成自然对流的最小临界Rayleigh数.分析了碎石路堤发生冬季自然对流降温效应的影响因素, 并从理论上明确了抛石护坡、碎石护道是确保多年冻土区路基稳定性的有效工程措施.     

区域气候模式(RegCM3)中积云对流参数化方案在纵向岭谷区的适用性研究

为了检验RegCM3中积云对流参数化方案在纵向岭谷地区5月和夏季降水模拟能力,选取不同积云对流参数化方案,运用区域气候模式模拟了纵向岭谷地区1982~2001年共20年5月份和夏季的降水,并对模拟降水场与实测降水场的关系进行了定量的对比分析.结果表明,从RegCM3对纵向岭谷区20年模拟的总降水量来看,Fritsch-Chappell对流参数化方案对纵向岭谷区5月降水的模拟能力最好,Anthes-Kuo积云对流参数化方案次之;Anthes-Kuo积云对流参数化方案对纵向岭谷夏季降水的模拟能力最好,Fritsch-Chappell积云对流参数化方案次之,但模拟获得的总降水量比实际值稍微偏小.对纵向岭谷地区5月和夏季降水年际变化的模拟结果与对纵向岭谷区20年总降水量的模拟结果相一致.Anthes-Kuo和Fritsch-Chappell积云对流参数化方案比较适合描写纵向岭谷区5月和夏季的模拟积云对流物理过程.