多时间步长结冰数值模拟方法研究

时间步长是影响飞机结冰数值模批精度的重要参数之一。本文通过求解雷诺时均N-S方程，湍流模型采用k-ε两方程模型，获得空气流场，求解水滴运动轨迹方程获得水滴撞击特性，基于Messinger热力学模型求解能量和质量守恒方程计算冰形。并采用扇形分区法，更新机翼前缘结冰区网格，保持网格拓扑结构不变，实现多时间步长结冰数值计算。比较了采用单时间步长法争多时间步长法对翼型表面结冰增长数值模拟的计算结果，并与冰风洞试验数据及LEWICE预测数据进行对比。在此基础上，计算分析了不同时间步长对部件表面的结冰冰形的影响。结果表明，只有采用多时间步长法进行飞机结冰数值模拟方是有效的，并且存在一个合适的时间步长，既满足计算精度要求，又能提高计算效率。     

渤海海冰孔隙率对单轴压缩强度影响的实验研究

针对2009～2010年冬季渤海出现的异常冰情,在辽东湾东岸某港区外潮沟采集海冰,加工成冰样;在控温精度0.1℃的条件下,对117个柱状冰冰样沿平行冰面方向加载,测试冰样的单轴压缩强度、密度、盐度.试验温度分别是？4℃,？7℃,？10℃,？13℃和？16℃,加载应变速率在10？6～10？2s？1,覆盖了冰的韧性破坏、韧脆过渡和脆性破坏区域.试验结果支持宽应变率范围内单轴压缩强度随孔隙率的变化曲面.由此得到冰力学行为转折点随孔隙率变化的定量表达;实现了描述单轴压缩强度在不同破坏行为下的统一数学表达式;此外,还推断出2009～2010年渤海异常冰情不会导致渤海海冰单轴压缩强度设计值的调整.     

超温水体蒸发系数通用公式的研究与应用

在环境参数可控风洞中对影响蒸发的风速、水气温差、水温、相对湿度等物理量进行系统试验。试验结果表明蒸发系数取决于风速的强迫对流和水气温差的自由对流。分析试验数据得到了水面蒸发系数的建议公式和相应的水面散热系数公式以及附加蒸发系数公式。用参数变幅很大的天然水体和受纳废热水体的实测资料和研究成果检验了建议公式的通用性。建议公式已为DL／T5084-98《电力工程水文技术规程》及GB／T50102-2003《工业循环水冷却设计规范》推荐应用于计算水面蒸发、水面散热及附加蒸发。     

冷铜表面上水滴冻结时的变形

研究了水滴和花生油液滴在冷铜表面的冻结过程. 实验中观察到水滴冻结时与冷表面接触的底面形状不变, 但在垂直于底面的方向上发生明显生长. 冻结的末尾阶段水滴顶部出现小的突出, 但花生油冻结时几乎不发生形状变化且无突出产生. 提出了对此现象的解释, 认为形状变化和突出的形成是冻结过程中相变造成的体积膨胀和表面张力共同作用所致. 采用这一理论建立了相应的数学模型, 计算出的水滴冻结后的形状与实验结果能够很好地吻合. 对实验中观察到的液滴突出部霜的生长快于其他位置的现象进行了分析.     

三圈冻结法在淤泥质土深基坑工程的应用

以往的冻结法在淤泥质土及特殊工程土体中,由于所需的冻结温度低、冻结扩展速度慢、形成冻结壁的强度低等原因,在施工时容易出现片帮、底鼓、突水、涌砂等事故.轻则影响工程进度,重则造成严重的经济损失.针对此类问题,提出了用三圈冻结法优化淤泥质土深基坑开挖的方案,并应用大型数值模拟软件ADINA进行模拟分析.对普通冻结法、连续桩及三圈冻结法等围护结构的位移进行了对比,得出三圈冻结法围护结构不仅最大位移小,而且位移随深度变化平稳.     

基于SHPB试验的高速铁路CRTSⅡ型CA砂浆动态性能

采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验研究了高速铁路CRTS II型水泥乳化沥青砂浆(CA砂浆)的动态力学性能,并建立了CRTS II型CA砂浆的动态本构关系模型.结果表明:随着应变率的增大,CRTS II型CA砂浆峰值强度逐渐增加,但增加速率随应变率的增大而减小,当应变率从44.17增加至54.79 s-1和从54.79增加至108.47 s-1时,峰值强度分别增加了初始峰值强度的52.28%和7.5%,弹性模量随应变率的变化规律性较差;应变率越大,破坏时的贯通裂纹越多,碎裂程度越大;CRTS II型CA砂浆的比能量吸收随着应变率的增大而增大.所建立的动态本构模型拟合曲线与试验曲线具有较好的一致性.     

SiO_2气凝胶对废水中硝基苯的吸附性能研究

选用疏水型SiO2气凝胶作为吸附剂,研究SiO2气凝胶对废水中硝基苯的吸附性能,考察溶液的pH值、温度、吸附时间、SiO2气凝胶添加量等因素对吸附率的影响,并结合Freundlich等温吸附方程,探讨SiO2气凝胶对溶液中硝基苯的吸附规律和吸附机理.结果表明,最佳吸附条件为温度25℃,pH8.35,SiO2气凝胶的添加量为3.33 g/L、振荡时间为30 min,此时疏水型SiO2气凝胶对废水中硝基苯的吸附率可达68.76%,吸附容量可达7.29 mg/g.SiO2气凝胶对废水中硝基苯的吸附性能与气凝胶的疏水性、有机溶液比表面积以及气凝胶的结构特性有关.     

CBERS-02卫星CCD相机资料定量化反演水体成分初探

采用定量化水色反演方法, 在现场测量数据的基础上, 针对CBERS-02 CCD波段, 建立了水体成分反演算法. 利用已校准的CCD辐亮度数据, 针对不同的海区, 采取了邻近清洁水体点和同日MODIS气溶胶参数的大气校正方法得到了水体定量化遥感的基本参数遥感反射比. 利用遥感反射比和所建立的反演算法, 获得了水体悬浮泥沙、叶绿素浓度分布. 悬浮泥沙的反演结果比较满意, 而叶绿素的结果不够理想, 因为遥感器的波段较宽和信噪比较低.     

巢湖水体颗粒和溶解有机碳浓度的时空动态变化及其来源初探

为探索巢湖水体中颗粒有机碳(POC)和溶解有机碳(DOC)浓度的时空变化规律及其来源,于2014年7月到2015年6月,采用野外采样与室内分析相结合的方法,对水体中POC、DOC进行为期一个水文年的监测,发现巢湖西半湖水体中DOC、POC含量要高于东半湖,夏季最高冬季最低,DOC占总有机碳(TOC)含量的55%以上;通过对颗粒有机物C/N比值与POC浓度变化趋势进行分析,发现巢湖东半湖水体中POC主要来源于陆源输入,而西半湖则主要来源于内源,即水生植物的分解。据此可以推断,颗粒有机物C/N比值可以用于示踪巢湖水体中POC的来源。     

三峡水库172.5m蓄水过程对香溪河库湾水体富营养化的影响

2008年9月至11月,三峡水库分两阶段蓄水至172.5m水位,通过分析蓄水过程中水库干流及支流库湾的水流、水温、浊度、营养盐等的跟踪监测数据,研究了2008年三峡水库汛末蓄水过程对支流库湾水体富营养化的影响.研究表明:三峡水库水位最大日升幅可为2.38m;三峡水库干支流主要通过异重流形式进行水体交换,支流水流呈显著的异向分层流态;三峡水库蓄水过程可以缩小水库干支流之间的水温、浊度、营养盐、pH值等因子差异;蓄水过程中,干流水体稳定系数始终较小,支流水体稳定系数明显降低;导致香溪河库湾叶绿素a浓度在蓄水期间降低的主要原因是蓄水过程增强了水库干支流间的水体交换程度、降低了支流水体分层程度并增加了支流悬沙的含量;蓄水前三峡水库干、支流水体均呈中富营养化状态,蓄水后干、支流水体均呈中营养状态;三峡水库蓄水过程对支流库湾的营养盐具有补给作用,增大了支流库湾蓄水后产生水体富营养化的风险.     

黄龙景区钙华沉积对磷酸盐浓度变化敏感性定量研究

为定量研究黄龙地表水中磷酸盐浓度变化对钙华沉积速率的影响,明确景区各景点钙华沉积速率对磷酸盐浓度变化的敏感性大小,于6月下旬~11月上旬,在黄龙风景区5个主要景点设置监测点,定期采集钙华沉积样和磷酸盐水样,利用SPSS统计软件对实验数据进行分析。结果发现,黄龙风景区各景点地表水中磷酸盐浓度与钙华沉积速率皆呈显著负相关性,说明地表水中磷酸盐浓度变化可能已对钙华沉积产生影响。景区各景点钙华沉积速率对磷酸盐浓度变化的敏感性大小依次是金砂铺地、马蹄海、迎宾池、五彩池、争艳池。     

反应动力学参数变化对MOVPE生长GaN的反应路径模拟的影响

在金属有机化学气相外延(MOVPE)生长GaN薄膜的反应-输运过程数值模拟中,反应动力学参数(活化能和指前因子)的选取存在很大的不确定性,从而导致不同的气相反应路径和生长速率.本文对前人采用的反应动力学参数的偏差做了归纳总结,讨论了偏差的来源.在此基础上,本文对垂直转盘式MOVPE反应器生长GaN的反应-输运过程进行数值模拟研究.模拟改变不同的反应动力学参数组合,包括加合物的生成和可逆分解的指前因子、加合物不可逆分解生成氨基物的活化能和指前因子以及三聚物生成的指前因子.通过分析主要含Ga物质的摩尔浓度和对应的生长速率的变化,研究上述反应动力学参数变化对GaN生长反应路径的模拟结果的影响.研究的主要结论如下:(1)不同的指前因子和活化能导致不同的反应路径和生长速率的差异,而热解路径比起加合路径能够更有效地提高生长速率.(2)在不考虑三聚物反应时,预测的生长速率值都与实验值接近.原因在于,输运限制的生长速率取决于含Ga粒子的输运速率,不同的反应路径对含Ga粒子的影响此消彼长,但到达衬底的含Ga粒子的总量变化不大,这也很好地解释了不同文献采用不同的动力学参数模拟都与实验基本吻合的原因.(3)改变三聚物反应的指前因子发现,由于热泳力对大分子的排斥作用,三聚物对生长的贡献很小,生成的三聚物越多,与实验的误差越大.模拟结果澄清了前人在模拟MOVPE生长GaN的反应-输运过程中存在的一些问题,并加深了对GaN生长机理的了解.     

适用于超声速湍流扩散燃烧流动的火焰面模型

为了建立适用于超声速流动的湍流扩散燃烧模型,本文首先分析了火焰面模型应用于超声速流动的物理基础,然后数值模拟了轴对称超声速射流形成的氢气/空气扩散燃烧流场,利用实验数据校正了火焰面模型中重要物理量标量耗散率的模型系数.计算结果与实验数据的对比表明,本文修正后的火焰面模型对超声速湍流扩散燃烧流动的模拟能力是令人满意的.基于火焰面模型理论以及数值模拟结果,本文首次研究了湍流脉动对平均状态方程以及化学反应源项的影响机理,得到以下结论：组分浓度和温度脉动相关项对平均状态方程影响很小;温度脉动会降低水的生成速率,但其影响较小;组分浓度脉动在接近于氧化剂一侧区域增加水的生成速率,而在另外的大部分区域会降低水的生成速率;组分浓度与温度的脉动相关作用会很大程度上降低水的生成速率.     

静电场调制椭球形细胞膜电位和一侧离子浓度的研究

在对静电场与细胞相互作用建模和跨膜电位计算的基础上,基于能斯托公式和玻尔兹曼公式,给出静电场对椭球细胞离子跨膜迁移量影响的分析方法,并就静电场对不同类型椭球细胞离子跨膜迁移量变化的影响进行数值分析.研究发现:静电场在细胞表面不同位置引起的跨膜离子迁移量不同;随外场方向角α、椭球半轴比值ρ增加,静电场引起的细胞膜一侧离子浓度相对无外场作用,其比值的最大值逐渐减少,最大值对应位置θ_(max)逐渐增加;在外场强度、细胞表面积或体积一定条件下,ρ值越大,则对应的θ_(max)值越大;对于含乘性白噪声的静电场,场强度越大、信噪比越小,则离子浓度相对变化量越大.电场影响椭球细胞离子的跨膜迁移量引起细胞介质极化.     

固-液相变强化传热物理机制及影响因素分析

固-液相变过程具有等温或近似等温、相变潜热较大和相变前后材料体积变化较小的特点. 相变材料与热(冷)表面接触, 发生融化(凝固), 可明显强化表面换热. 以一维相变平板在第一类边界条件下的导热为例, 从有内热源的稳态导热与固-液相变传热的相似性出发, 揭示了固-液相变强化传热的物理机制, 提出了分别以稳态和瞬态传热速率为参照的相变传热表面换热强化度的概念, 并推导出相应解析表达式, 讨论了相变过程中影响强化换热的因素及其影响效果.     

定向凝固速率跃迁下平界面处液相溶质浓度变化及界面失稳

单相合金定向凝固时，固液界面处液相溶质浓度会受抽拉速率的跃迁变化而发生较大的改变．理论分析和数值计算结果表明：当抽拉速率从V0跃迁变化到V时，定向凝固系统并不能立即达到抽拉速率V,而是经过一个非稳态凝固过程才能达到矿跃迁加速中，界面处液相溶质浓度呈现小大小的不对称分布，且刚开始时，界面处液相的溶质浓度随抽拉速率跃迁比V/V0，原始抽拉速率V0和温度梯度GL增加而增大，相应的溶质扩散长度随V/V0和GL增加而减小．对于跃迁减速过程，变化情形刚好相反．另外在跃迁加速中，即使合金跃迁变化的抽拉速率仍处于平界面临界失稳速率范围之内，如果固液界面处液相溶质浓度过大，也会使合金凝固的平界面发生失稳现象．上述分析结果在Al-2％Cu合金的数值计算中得到了验证．     

血管冷冻过程中热应力和断裂的分析方法

低温断裂是血管低温保存遇到的重要问题.在降温过程中，特别是水的冻结引起体积膨胀，产生很大的内应力.提出一种分析方法，可用来计算血管冻结过程中的温度场、热应力场和可能发生的低温断裂.用此法对母羊的主动脉进行分析计算，计算结果与实验得到的断裂情况相符.     

低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的结晶度及其影响因素分析

借助非等温结晶动力学理论模型,较为系统地研究了低温保护剂微液滴在液氮表面冷冻过程中的温度和结晶度分布.研究结果表明,微液滴在经历相变温区时,呈现出表面区域结晶度最高,中间次之,中心区域最低的变化规律;且浓度越高,温度和结晶度分布越不均匀,如50%甘油微滴表面区域与中心区域温差为8K,但前者的结晶度大约是后者的41倍,而对于微水滴,两个区域的温差为1.10K,结晶度则相差6倍;微液滴体积对低浓度溶液的最终结晶度没有影响,只是延长了其冻结相变持续时间,如2和8μL20%甘油的相变时间分别约为14.48和19.82s;而对于高浓度溶液,没有明显的冻结相变温区,但呈现出体积越大,结晶度越高的变化规律,如2和8μL50%甘油的结晶度分别约为0.29×10~(-6)和0.80×10~(-6);随着低温保护剂浓度的增大,其相变温度会明显降低(水为273K,20%甘油为250K,50%甘油为225K,Vs55为158K),其最终结晶度也会显著降低,如20%和50%甘油溶液的最终结晶度分别为1和5.61×10~(-7),而Vs55仅有5.70×10~(-16).     

固体火箭发动机喷管烧蚀控制机制判别新方法

合理的固体火箭发动机喷管烧蚀控制机制判别方法能提高烧蚀率计算的精度.基于H2O和CO2与C反应具有不同的化学反应常数,综合考虑了壁面温度和燃气氧化组分浓度对烧蚀率的影响,提出了一种判别烧蚀控制机制的新方法.应用该判别方法对喷管喉忖烧蚀问题进行了数值模拟.计算结果表明,本文采用的计算方法得到的烧蚀率小于按扩散速率控制和双控制计算得到的烧蚀率,且与试验结果更接近.同时指出燃气中由H2O引起的烧蚀率是导致喷管喉忖烧蚀的主要原因.     

Fe^3＋对脆杆藻增殖的影响

采用AGP实验的方法,研究了Fe3 的不同质量浓度对脆杆藻(Fragilaria sp.)细胞增殖的影响.对光密度值和叶绿素a的测定结果显示:Fe3浓度<50 μg/L,脆杆藻的细胞增殖受到抑制.Fe3浓度在50～500μg/L之间时,脆杆藻的细胞增殖明显.Fe3浓度达到1000μg/L时,实验前6 d,细胞密度基本无增长,在7～14 d脆杆藻已适应该浓度,细胞进行分裂,密度增长.第15 d后细胞分裂又处于停止状态.说明Fe3浓度>1000μg/L对脆杆藻细胞的代谢、分裂产生了一定程度的抑制作用.适宜的铁浓度对水体富营养化有促进作用.