基于均匀形核的金属液滴凝固过程

研究了均匀形核的金属液滴凝固过程,应用渐近分析法求得金属液滴内晶核生长数学模型的渐近解,分析了表面张力、界面动力学参数、初始晶核尺寸和过冷度对晶核界面生长速度、晶核半径以及液滴凝固时间的影响.在一定的过冷条件下,表面张力和界面动力学参数显著减缓了晶核界面生长速度.在凝固开始的很短时间内晶核界面生长速度迅速上升,当速度上升到最大值后,随着晶核半径的增大,界面生长速度逐渐减慢,表面张力和界面动力学参数对晶核生长速度的作用也逐渐减小.过冷度越大,液滴凝固时间越短.经过在开始的瞬变凝固阶段之后,温度场从设定的初始分布迅速地调整为由过冷度、表面张力、界面动力学参数等所确定的特定温度分布.     

基于均匀形核的金属液滴凝固过程

研究了均匀形核的金属液滴凝固过程,应用渐近分析法求得金属液滴内晶核生长数学模型的渐近解,分析了表面张力、界面动力学参数、初始晶核尺寸和过冷度对晶核界面生长速度、晶核半径以及液滴凝固时间的影响。在一定的过冷条件下,表面张力和界面动力学参数显著减缓了晶核界面生长速度。在凝固开始的很短时间内晶核界面生长速度迅速上升,当速度上升到最大值后,随着晶核半径的增大,界面生长速度逐渐减慢,表面张力和界面动力学参数对晶核生长速度的作用也逐渐减小。过冷度越大,液滴凝固时间越短。经过在开始的瞬变凝固阶段之后,温度场从设定的初始分布迅速地调整为由过冷度、表面张力、界面动力学参数等所确定的特定温度分布。     

用原子力显微镜研究温度和接触界面对THF水合物形貌的影响

天然气水合物的表面形貌和性质一直是水合物研究领域的基础科学问题,它不仅制约人工环境下油气管线内水合物颗粒间聚集以及颗粒与管壁接触并阻塞管道的程度,而且还影响自然环境下水合物与沉积物骨架颗粒间接触关系以及相应的内聚力和摩擦角.本文首次运用原子力显微镜(AFM)对不同温度和不同界面合成的四氢呋喃(THF)水合物进行了表征,分析了温度和接触界面对其表面特征的影响.结果表明:在气-液界面自由生长的多晶THF水合物,生长温度越低,晶粒尺寸越小并更容易出现不定形水合物.晶粒界面的横截面呈"V"字形,其宽度和深度随生长温度降低而减小.在固-液界面受限生长的多晶THF水合物,其表面形貌和粗糙度除了受生长温度影响外还与接触的固体介质有关.当生长温度较高时晶粒尺寸较大,晶粒界面清晰可见;但生长温度较低时接触介质表面性质会影响二者分离后水合物表面形貌,如会出现微孔洞等结构且粗糙度变大,观察不到晶粒界面.这一发现对解释水合物沉积物残余强度特征与机制具有重要启示意义.     

考虑连接界面局部非线性的动力学分析方法

连接界面上存在的多尺度、多物理场等复杂行为是引起结构阻尼和刚度非线性的主要原因。针对连接界面上典型的刚度软化、迟滞非线性行为,采用Iwan模型模拟连接结构进行力学建模,并推导了含有非线性连接的动力学微分方程。然后,采用时频交替方法求解非线性动力学方程在周期性激励作用下的稳态响应,并与数值积分方法计算的响应进行对比,最后研究了不同激励频率对连接界面非线性特性的影响。结果表明:Iwan模型能够较好地描述连接界面的刚度软化、迟滞特性,时频交替方法能够更加快速精确地求解非线性系统的稳态响应,随着激励频率的增加,位移响应最大值减小,迟滞曲线面积也相应减小。     

不同温度环境下加肋土工膜与砂土界面拉拔试验的颗粒流数值模拟

为了研究垃圾填埋场衬垫系统中加肋土工膜与砂土界面特性, 通过对比室内拉拔试验, 运用离散单元法的二维颗粒流程序(2D particle flow code, PFC$^{\rm 2D})$, 模拟了不同加肋高度和温度组合下的加肋土工膜与砂土界面拉拔试验, 得到了加肋土工膜与砂土界面的宏观应力-应变曲线、细观颗粒间位移场和应力场的变化规律. 研究结果表明: 加肋土工膜与砂土界面的拉拔应力明显优于光面土工膜($h=0$ mm)与砂土界面; 界面极限拉拔应力随着加肋高度的增加而增大, 随着温度的升高而减小; 界面摩擦系数随着温度的升高而减小. 还从细观角度(颗粒位移和内部接触力)模拟研究了加肋土工膜与砂土界面拉拔试验. 研究结果表明: 加肋土工膜与砂土界面附近砂土颗粒的位移较大, 颗粒整体向左上方移动, 而肋块后部上方的砂土由于法向应力作用向下运动; 随着温度的升高或者加肋高度的减小, 加肋土工膜与砂土界面附近的颗粒位移变大, 稳定性变差; 拉拔模型内部左侧的接触力较大, 加肋土工膜附近的接触力也较大, 并向上下两边逐渐减小; 随着加肋高度的增加或者温度的降低, 加肋土工膜与砂土界面附近土体内部的接触力明显增大. 研究结果从宏观到细观较全面地描述了加肋土工膜与砂土界面拉拔试验的全过程.     

一类带有界面条件的奇异摄动弱非线性边值问题

研究了带有界面条件的弱非线性边值问题,借助Schauder不动点定理建立带有界面条件的弱非线性边值问题的上下解理论,通过边界层函数法构造形式渐近解,证明解的存在性.     

纳米颗粒间相互作用对油-水界面张力的影响机制

为了研究油-水界面上纳米颗粒的动态吸附过程及其对界面张力的影响,采用耗散粒子动力学模拟方法,建立纳米颗粒在油-水界面物理模型,研究单颗粒的吸附动力学过程及多颗粒相互作用对界面张力的影响机制。结果表明：单颗粒在油-水界面的吸附分为自由扩散、界面吸附、动态平衡3个阶段;单颗粒吸附过程自由能变化远大于颗粒的动能,颗粒吸附可自发、快速进行,且吸附后能稳定在界面上;多颗粒间的相互作用力随颗粒间距离的增大而振荡衰减,这是由颗粒间的溶剂粒子所产生的溶剂化效应所致;当颗粒间相互作用为引力时,界面张力增大,当颗粒间相互作用为斥力时,界面张力减小。     

金属铸造过程界面传热系数的测定

通过采集金属铸造过程中铸件/铸型界面上温度的变化曲线,利用有限元分析软件ANSYS模拟了金属铸造凝固过程的温度场,采用非线性估算法,求解了以铝合金为铸件材料的铸件/铸型间的界面传热系数,发现了该界面传热系数随时间的变化规律.计算结果表明:在金属铸造过程中,铸件-铸型界面传热系数随着凝固时间的增加迅速下降,随后下降变得缓慢,凝固结束后趋于稳定.铸型厚度增大对界面传热系数有很大影响,随着铸型厚度的增加,界面传热系数减小.     

铝/铜复合界面金属间化合物

冷轧复合板轧制后要进行一定的热处理以加强界面的结合强度,但同时也带来一定的问题如在界面形成不利于界面结合的化合物,本文对冷轧制备的铝/铜层状双金属片进行了研究,得到了不同退火温度和退火时间下扩散热处理后界面金属间化合物相的生长规律,初步建立了金属间化合物形成的动力学模型.     

三层密度分层流体界面内波三阶Stokas解的研究

以小振幅波理论为基础,利用摄动方法研究了三层密度分层流体的界面内波,给出了各层流体速度势的三阶渐近解及界面内波波面位移的三阶Stokes波解.结果表明:界面内波波面位移的三阶Stokes波解描述了界面波的三阶非线性修正及两界面波之间的三阶非线性相互作用;波速不仅取决于波数和各层流体的厚度,而且还与波幅有关.     

过冷纯熔体中晶体生长平界面的稳定性分析

具有匀速运动平直界面的一维凝固系统,一经扰动其界面将不再为平面。Mullins-Sekerka在假定扰动波长远远小于热扩散长度与液固界面满足局部平衡条件的基础上,推出了M-S色散关系。在界面上也存在着动力学的作用,即界面的稳定性也依赖于动力过冷。文章在界面上考虑动力学影响,应用渐近分析理论继续分析过冷纯熔体液固界面的稳定性。结果表明,非快速凝固系统的液固界面不会绝对稳定。     

Study on flow characteristics of solid/liquid system in lysozyme crystal growth

During the process of lysozyme protein crystallization with batch method,the macroscopic flow field of solid/liquid system was observed by particle image velocimetry(PIV). Furthermore,a normal growth rate of(110) face and local flow field around a single protein crystal were obtained by a long work dis-tance microscope. The experimental results showed that the average velocity,the maximal velocity of macroscopic solid/liquid system and the velocity of local flow field around single protein crystal were fluctuant. The effective boundary layer thickness δeff,the concentration at the interface Ci and the characteristic velocity V were calculated using a convection-diffusion model. The results showed that the growth of lysozyme crystal in this experiment was dominated by interfacial kinetics rather than bulk transport,and the function of buoyancy-driven flow in bulk transport was small,however,the effect of bulk transport in crystal growth had a tendency to increase with the increase of lysozyme concentra-tion. The calculated results also showed that the order of magnitude of shear force was about 10-21 N,which was much less than the bond force between the lysozyme molecules. Therefore the shear force induced by buoyancy-driven flows cannot remove the protein molecules from the interface of crystal.     

深过冷Ni-P共晶合金凝固动力学分析

根据经典的形核和生长理论，通过实验分析了深过冷Ni-P共晶合金的凝固行为．实验发现，深过冷Ni-P共晶合金的凝固组织由粒状的共晶团和棒状的规则共晶所组成．随过冷度的增加，共晶团的组织逐渐细化，同时深过冷熔体晶核生长速率很大，异质形核在凝固过程中起控制性的作用．深过冷熔体的单点形核和长大现象作为特例用以描述界面的生长速率对其凝固组织的影响。     

新型碳化塔重碱结晶动力学及添加剂对结晶影响的研究

以空气－ＮａＨＣＯ３饱和液为介质，在新型碳化塔的模拟塔内，测定了气体流速ｕｇ、液体流速ｕＬ、液相内循环速度ｕｃ、晶浆平均停留时间τ等参数对结晶动力学的影响；重点研究聚丙烯酸钠加入碳化塔后动力学参数的变化规律．按Ｒａｎｄｏｌｐｈ和Ｌａｒｓｏｎ模型计算了结晶成核速率Ｂ０和晶体生长速率Ｇ，并建立了结晶动力学方程．结果表明，添加聚丙烯酸钠，有利于增大结晶颗粒，改善重碱结晶质量．     

粒度分布对赤铁矿浮选的影响

以赤铁矿为研究对象,通过浮选试验、扩展的DLVO(EDLVO)理论和凝聚动力学研究了粒度分布(粒径小于18μm的微细粒比例)对赤铁矿浮选的影响.浮选结果表明赤铁矿的浮选回收率与粒度的大小和分布有关,粗粒(粒径大于18μm)赤铁矿的粒度较大时或粒度分布均衡时(微细粒与粗粒含量接近)浮选回收率较高.EDLVO理论计算表明微细粒赤铁矿与粗粒赤铁矿之间存在吸引力,且吸引力的大小与粗粒粒度正相关;凝聚动力学分析表明粒度分布均衡时颗粒间的凝聚速率较大.这是粒度分布对赤铁矿的浮选回收率产生影响的主要原因.     

多元合金等温凝固相场法模拟

利用由二元合金相场模型扩展获得的多元合金相场模型,以Fe-C-P合金为例,研究界面厚度对枝晶生长的影响.结果表明,随着界面厚度的减小,枝晶生长速度增大,界面推进速度提高,主枝晶臂变细,二次枝晶臂越发达,固液界面溶质扩散层的厚度减小,界面前沿溶质分配系数增大,而界面前沿溶质偏析程度也相应增大;相反,随着界面厚度的增加枝晶尖端生长速度逐渐减小,并呈收敛的趋势.     

微重力下绕汽柱热毛细对流的渐近分析

用渐近线方法求得了微重力条件下绕汽柱稳态热毛细对流的近似解析解,得到了液体区域的温度场,速度场及界面形状的表达式。通过数值模拟、得到了有关无量纲参数对热毛细对流的影响规律。     

界面裂纹尖端场的有限变形分析

采用完全非线性弹性理论，研究了两类不可压缩材料形成的界面裂纹尖端场．通过将裂纹尖端场划分为收缩角区和扩张角区，得到并求解了裂尖场的渐近方程，揭示了应力、应变场所示的奇异特性．     

马氏体相变界面的孤立子特性

运用Peyrard的一维非线性原子链的孤立子模型,讨论了马氏体相界面的运动.在Sine-Gorden势场下,导出相界面宽度,并求得相界面能量,得出其能量随着界面迁动速率增大而增大,从而表明了相变驱动力大的马氏体生长得快.进一步计算出界面的动量及有效质量.最后讨论了界面在外力及阻尼情况下的运动,得出界面的一般运动方程.     

运动气泡近界面上颗粒速度分布的理论分析和实验测量

利用边界层理论和近似分析方法,从流体在界面上的边界层分离问题入手,推导了非定常流动情况下运动气泡近界面附近颗粒的速度分布,其与由数字相关图象处理技术进行的颗粒成像测速所得的实验测量结果比较吻合。