格子Boltzmann方法在电流体动力学中的应用: 均匀电场中液滴的变形和失稳

均匀静电场中液滴变形问题是电流体动力学的重要基础内容, 用格子Boltzmann方法研究此问题是一个崭新的领域. 基于Peng等人提出的可以得到高液气密度比和低液相压缩性的单组分两相格子Boltzmann模型, 采用本文提出的液相和气相统一的介电常数与密度的关系式, 对均匀静电场中二维绝缘液滴在绝缘媒质中的变形问题进行了数值模拟. 结果表明, 本研究采用的方法可以很好地模拟出液滴形态变化及其规律, 特别是液滴的失稳射流现象, 并得到电场中绝缘液滴变形问题的重要特征参数——临界介电常数比和临界电场强度. 这些结果与相关的理论和实验符合较好, 表明格子Boltzmann方法在研究存在多相的电流体动力学问题上具有独特优势和很大潜力.     

天体物理和空间物理中辐射磁流体动力学数值模拟研究现状与展望

宇宙中超过99%的重子物质都是等离子体,磁场在其中广泛存在且与等离子体相互作用.另外,辐射也往往对于这些等离子体的动力学起着重要影响.因此,完整描述这些等离子体的基本物理规律依赖于辐射磁流体动力学.由于非线性以及物理上多尺度耦合的特征,数值模拟在求解辐射磁流体动力学方程中起着重要的作用.近年来,由于技术及软硬件的快速发展,数值模拟的作用越来越显著,已经与观测、理论一起,发展成为了3种主要的研究方法.本文综述辐射磁流体动力学的数值模拟在天体物理(包含太阳物理)以及空间物理领域的研究现状,并对未来的发展进行展望.     

压力对高分子液-液相转变行为的影响

高分子研究在实际应用和基础研究方面不断发展, 压力对高分子转变行为的影响越来越受到人们的重视. 在理论研究方面最成功的处理方法是把自由体积和体系的自由能或状态方程结合在一起, 从而定量地推导出不同压力下的临界温度和χ(Flory-Huggins 相互作用参数), 代表性的结果为Sanchez-Lacombe状态方程和SAFT状态方程; 大多数实验结果表明高分子体系的临界温度随压力的增加而升高, 即对于在降低温度时发生相分离的UCST高分子混合体系升高压力会降低体系的相容性, 而对于LCST体系(高分子混合体系在升高温度时发生相分离)压力能提高高分子体系的相容性. 我们最近就压力作用下具有UCST行为的高分子体系实验结果发现, 有的体系相分离温度随压力增加而升高, 有的体系随压力增加而降低, 还有的体系随组成的不同既有升高也有降低的现象, 我们根据实验现象结合Sanchez-Lacombe 格子流体理论对这一实验现象给出了理论解释.     

用分子力学的方法计算高分子构型和能量

分子力学(Molecular mechanics)方法是结构化学的理论研究方法之一。该方法对有机化合物的结构计算、生成热计算及构型研究已被许多实验证明是极为成功的。然而分子力学在高分子方面的应用尚不多见,其原因不仅由于高分子的原子数目众多而已有的程序所     

基于水溶性导电高分子材料的高灵敏度生物传感器

导电高分子材料是一类重要的有机高分子材料，目前已经在很多领域发挥了重要作用。水溶性导电高分子材料在荧光生物传感器中的应用是高分子材料科学与生物科学交叉的重要组成部分。导电高分子材料具有很高的光能采集效率和荧光特性，同时又具有“分子导线”功能。利用导电高分子材料的光能采集与电子/能量传递作用实现在荧光生物传感中的信号倍增效应可以有效地提高传感检测的灵敏度，并可以实现以此为基础的高灵敏度生物传感器。本论文对水溶性导电高分子材料通过电子传递或能量传递作用实现在基因、抗体、酶等方面的检测应用进行了综述，并探讨了实现固相传感和芯片化检测的可能性。在对已有工作进行总结的基础上，讨论了这一领域的主要研究方向。     

耗散粒子动力学方法在生物学领域的应用与研究进展:从蛋白质结构到细胞力学

耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics, DPD)是近年发展起来的一种介观尺度的数值模拟方法,是研究软物质和复杂流体动力学行为的一种重要手段.这种新型介观模拟方法采用粗粒化粒子模型描述具有关联性的原子团或物质团,并通过简单的软排斥作用力描述粗粒化粒子间的相互作用,从而实现更大时间和空间尺度的复杂系统模拟计算,如油/水/表面活性剂体系、聚合物和胶体溶液的化学形态、微观形貌、相分离以及复杂流体流变特性的模拟等.本文首先介绍了DPD方法的理论框架,继而详细综述了DPD方法在生物系统中的应用.具体地,在分子尺度,我们重点介绍了该方法在蛋白质结构及其相互作用、两亲性脂质分子膜的结构与动力学、脂质膜与蛋白分子相互作用、纳米颗粒与脂质膜相互作用等方面的研究现状和研究热点.在细胞尺度,我们归纳了DPD方法在模拟血液微循环系统中血细胞的流动和血液流变学行为等方面的应用进展,包括红细胞的变形及流动,白细胞边聚及黏附行为,血小板边聚、黏附及聚集行为,健康与疾病状态下血液流变学特征,循环肿瘤细胞迁移、黏附及分选富集等.此外,我们总结了用于模拟血细胞变形及血液流动的其他数值模...     

电场作用下电流变液滴的变形及力学行为

外加电场作用下的液滴变形及力学行为是电流体动力学研究的重要内容.基于volume-of-fluid(VOF)方法,将电场力作为源项添加到流体运动的Navier-Stokes方程中,提出了电流体流场与电场双向耦合的数值方法,分别研究了外加均匀电场与非均匀电场作用下,中性漏电液滴和带电液滴的变形/运动及其力学行为.小变形条件下,数值模拟得到的外加均匀电场中性漏电液滴的变形系数接近于理论值,验证了本文方法的正确性.研究结果表明,电场作用下液滴与周围介质物理属性的差异导致液滴表面不同的自由电荷再分配形式及其变形状态;相对于电场方向,中性漏电液滴可能会发生"扁长型"或"扁平型"变形.均匀电场下,中性漏电液滴内部形成稳定的回转运动,液滴不会发生宏观运动;对于存在净电荷的液滴,由于库仑力的作用,液滴不仅会发生变形,同时也会沿电场线方向运动.非均匀电场下,中性漏电液滴与带电液滴都会沿电场线运动,并发生不同的变形.本文所提出电流体流场与电场双向耦合的数值方法为静电喷雾、电泳等复杂的工程电流体动力学研究提供了理论基础.     

力爭在短时間內把高分子科学水平推进到世界的最高峯

在新中国建立以前,高分子这門科学在我国完全是一个空白点。十年以来,科学家們在党的領导下,“改行”向这方面进軍,同时培养了大批新生力量,已經长成了一支相当强大的高分子研究队伍。在建立高分子     

流体动力技术的应用

二千多年来,流体动力工程师和内科医生走过了各自的道路,发展并完善了他们的技能和技术。时间历程与两位科学伟人有关,他俩生活在公元前三、四世纪,分别被公认为流体动力学和医学实践之父。自然,这两位就是阿基米德和希波克拉底。阿基米德是一位伟大数学家,他通过以水所作的各种实验对我们理解流体动力学原理作出了重要贡献。希波克拉底在他的医学实践中发展了内科医生今日仍在遵循的医德规范。     

高分子结构与性能

正高分子科学是研究高分子的形成、化学结构与链结构、聚集态结构、性能与功能、加工及应用的科学.高分子材料是现代工业和高新技术产业的重要基石,已经成为国民经济的基础产业和国家安全不可或缺的重要保证.高分子科学与材料科学、信息科学、生命科学和环境科学等前瞻领域的交叉与结合,对推动社会进步、改善人们生活质量发挥着重要作用.例如:高分子科学与材料科学的学科交叉,建立了以塑料、橡胶和纤维三大高分子合成材料为代表的传统高分子工业;高分子科学与信息科学的学科交叉,产生了以光电磁功能高分子为代表的新兴学科领域-塑料光电子学;高分子科学与生命科学及环境科学的学科交叉,形成了以     

《误差理论与实验数据处理》

近代科学研究的特点之一是更紧密地依靠实验。对实验工作者来说,除实验技木本身外,对实验中荻得的大量数据如何正确处理,是十分重要的一个方面。本书作者根据多年来的经验,并参考国外有关书籍,初步论述了上面所说的问题。作者首先介绍常用的标准单位,然后介绍了各种误差的概念,并区别它们之间的差异,同时明确其实用范围。接着作者讨论了在测量中误差分布的各种情况,即所测数值与真值之间的关系,以及如何从一组观测值中确定一最佳值。对于不能直接测量的数值,作者也阐述了间接测量的方法,以及如何计算由此而产生的误差。本书共介绍三种表示实验教据的方法:列表法,图解法及方程法。列表法是把实验中的自变数与因交数的数值依一定规律一一地对应起来。表的形式一般分定性式、统计式与函数式三种,本书仅介     

人工心脏瓣膜流体动力学

从近年来对天然心瓣和人工心瓣的在体研究结果看来,机械式人工心瓣在心脏循环过程中的闭合机理,仍然是这个领域的一个重大研究课题。这不仅对于评价各种不同形式的机械瓣是十分关键性的问题,而且对于确定整个类型的机械瓣的品质,也是一个十分重要的问题。本文试图从改进心瓣闭合力学效应的角度,发展一种新的机械瓣膜模型。首要的是流体动力学研究。作为一种实际的试验模型,我们从理论和实验方面,研究了一种有铰的双叶翼型瓣。文中提到了对这种瓣型的定常流和脉动流试验。本着改进闭合机理的原则,来设计和发展机械式人工心瓣,看来是有希望的。     

端点附壁自避行走的计算机模拟

自避行走(self-avoiding walk,简称SAW)是一种重要的模型,在数学上与简单随机行走有极大不同。由于已行走的路径不能再次被占据,SAW不再是一种Markov链。因此,一般来说,涉及到SAW的问题往往很难得出严格的解析表达式。然而,SAW模型在物理学、化学、生物学中有广泛的应用。例如在材料科学和生命科学中十分重要的高分子就可以用SAW作为一种基本模型。当一条高分子链的一个端基吸附在某一固体壁上,就可以用端点附壁的随机行走来表示。若高分子链采用SAW作为模型,其行为的预示目前仅限于采用计算机“实验”的方法。本工作在新的计算机“实验”数据基础上,提出了消除奇偶效应的方法,得到了一些新结果。     

厄尔尼诺-南方涛动研究进展

厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o and Southern Oscillation, ENSO)对全球气候都具有重要的影响,如印度洋季风、秘鲁沿岸的渔业生产以及北美的气候等.过去的研究在ENSO的观测、理论、预报和数值模拟等方面都取得了长足的进展,但依然有很多问题尚待解决.本文简要地回顾了过去在ENSO的相关理论、预报、非对称性以及年代际变化、古气候下的变化以及数值模拟方面的研究:首先回顾了ENSO盛行的几组理论,具体包括Bjerknes正反馈机制、延迟振子理论、充放电振子理论、平流反射振子理论以及西太平洋振子理论.其次,系统地总结了厄尔尼诺常用的预报方法以及预报因子(如暖水体积、西太平洋风场、印度洋-太平洋风场的积分及赤道流场等),并讨论了目前预报仍然存在的局限性;非对称性和年代际变化是ENSO重要的特征,本文详细地阐述了这方面的相关研究进展及存在的问题.再次,介绍了关于ENSO的古气候研究目前所取得的成果以及主要结论,并对数值模拟方面仍然存在的问题及ENSO对其他海盆的影响进行了讨论;最后,对上述相关方面存在的不足以及亟待解决的问题进行了探讨和总结.     

计及恢复、弛豫效应的含杂质超流氦Ⅱ的Landau-Khalatnikov方程

Landau、Khalatnikov建立的氦Ⅱ的流体动力学方程组(L-K方程)是研究氦Ⅱ动力学行为的基本方程。几十年来,由L-K方程导出的各种结果,已受到了实验的验证。但是,随着实验技术的发展,也揭示了L-K方程中的一些固有困难。所谓的“有限几何效应”就是一个重要的方面。实验的结果表明,在相同的条件下,特征长度很小的容器中氮Ⅱ的超流密度要比大     

高分子表面有序微结构的构筑与调控

发展不依赖于传统刻蚀技术, 图案形状、尺寸及表面性质等可以动态调控的微图案化方法是当前国际上的研究热点. 高分子由于可以通过可控聚合调控其预定结构和尺寸, 并且具有易于加工和可以嵌入多种化学功能团等特点, 是制备不依赖于传统刻蚀技术的价廉、高产的微图案化的理想材料. 因而设计具有特定结构的高分子, 利用高分子的丰富相态结构和其在外场等作用下的性质, 发展高分子图案化方法、技术和原理具有重要意义. 本文总结了我们在基于自组装的“自下而上”的高分子微结构的构筑与调控方面取得的成果. 以均聚物和嵌段共聚物为研究对象, 采用纳米尺度的利用嵌段共聚物的微相分离、微米尺度的利用高分子薄膜的去润湿、冷凝的水蒸气液滴为模板以及高分子共混物薄膜的相分离等, 实现了不同尺度的高分子表面有序微结构的构筑与调控, 制备了从微米到纳米尺度的高分子有序微结构, 研究其自组装形成微、纳米图案的影响因素和机理, 掌握了调控图案形态、尺寸、表面性质的规律, 实现了稳定、有序的智能图案的动态设计.     

2009年高分子物理前沿科学问题研讨会在长春召开

由国家自然科学基金委员会化学科学部主办的2009年高分子物理前沿科学问题研讨会于2009年9月21~23日在长春举行. 这次会议是高分子科学学科“十二五”发展战略研讨的系列活动之一, 旨在讨论当前高分子物理科学研究领域中的前沿问题、机遇与挑战以及今后5~10年高分子物理领域研究方向等. 国家自然科学基金委员会化学科学部对这次研讨会的目的和意义, 对研讨会的任务与安排做了说明, 并转达了国家自然科学基金委员会和化学科学部领导有关更加侧重基础、更加侧重人才培养、加强战略研究、引导原始创新和具有重要科学意义的研究, 提高我国国际影响力的有关要求. 与会专家学者从高分子物理学科发展的需要, 就高分子物理领域长期存在而仍未解决的重要科学问题和新的学科增长点, 进行了广泛而深入的研讨, 取得了共识. .....     

高分子的分维研究——粘性分维、降解分维和结晶分维

分形和分维,对于我们已不是陌生的概念。其广泛的应用被充分体现在如雨后春笋般涌现的各种研究报告、专著和评述介绍文章之中。但是,分维在高分子科学中的应用,历史并不悠久。人们最早产生兴趣并展开了大量研究的是高分子的凝胶化问题。究其原因,可能是因为凝胶化(gelation)与凝聚(aggregation)和渗流(percolation)有许多相似之处,人们可以方便地利用一些较为成熟的理论和方法来处理凝胶化这一困惑高分子学家们多年的难题。稍后,以色列学者S·Havlin和D·Ben—Avraham首次研究了高分子单链的分维问题,给出了计算     

手性聚合物与光学拆分——Ⅲ.DL-组氨酸的配位体交换色谱

配位体交换色谱拆分外消旋α-氨基酸的研究,是苏联学者Davankov等早于七十年代初业已开始的,至今这一方面的研究还很活跃。对用于光学拆分的高分子载体来说,如何得到具有手性识别环境的手性高分子是重要的问题。作者曾经做了手性配体聚合物的合成及用其拆分DL-氨基酸的研究。在我们过去的工作中,用手性树脂Ⅰ、Ⅱ的铜(Ⅱ)络合物去拆     

关于人工心脏瓣膜动力学的近期研究

现在在临床上应用的人工心瓣,虽然是可用的,但是不完善的。这和它们的血流动力学流场特性有很大的关系,从而显示出在优化设计人工心瓣以及评价它们的血流动力学特性中,研究有关的流体动力学问题是十分重要的。本文在略述人工心瓣发展的历史背景以后,着重介绍我们在人工心瓣动力学方面的近期研究工作,即双叶翼型瓣的设计,定常流模拟试验,脉动流模拟试验,流场壁面剪应力测试及其他。