基于协同与耗散的能质传输理论

本文聚焦热力学流和力的本构关系,揭示能质守恒方程中热流、质流、功流和动量流的扩散机制,协同方程中热力学力的协同机制,以及平衡方程中热力学流的耗散机制.通过考察多物理场的相互作用,建立流体传热、传质、耗功以及动量传输之间的协同关系.通过分析传输过程的能质耗散,表征热、质、功和动能的传输损失和传递效率.最终提出宏观能质输运统一方程组,架构基于协同和耗散的能质传输理论体系.     

矩形液池中热毛细对流起振过程的数值模拟

本文数值研究微重力条件下浅液池中大Pr数流体(Pr=105.6)热毛细对流的转捩过程.当液池两侧的温度差超过临界温度差时,在液池中会出现热毛细振荡对流.振荡对流的涨落值远小于时间平均值,涨落值表现为从冷端向热端传播的热流体波.起振时,涨落值的胞元分布在液层的中心区域;随着外加温度差的增加,涨落值的胞元逐渐充满液层.本文的结果显示了有限延伸矩形容器液层中热毛细对流及其起振过程与其它类型热毛细对流不同的特征.     

论热红外遥感中的基础研究

指出遥感研究领域中基础研究不足的现状,从机理模型、尺度转换和科学试验３个方面深入论述了热红外遥感基础研究的科学内涵．并以攀登项目“地球表面能量交换的遥感定量研究”的进展,论证了加强基础研究的必要性、重要性和深远意义．     

局地气温与人为热释放关系的模型研究

近几十年来全球变暖的同时,城市局部区域普遍出现了更为突出的气温上升.城市通常是人类社会的中心,研究城市局地气温的变化规律有助于我国进行城市发展规划以减缓城市气温上升、以及更全面的认识气候变暖的原因,并能够为我国提出更合理的国际能源制度提供一定的理论支撑.局地温升与全球变暖的机理有所不同：能源消费产生的热量（人为热释放）在短期内集中于城市区域,会对局地气温产生明显的影响.基于这一观点,本文建立了结构化热力学模型,将城市局地环境划分为Human,Local,Outer三个区域,结合热力学基本定律分析了各区域热量和气温的变化规律,明确了Human区域人为热释放对城市局地气温的作用.研究表明：人为热释放对局地气温的升高起着近似线性的推动作用,人为热释放越强这种推动作用越明显.之后本文对模型研究结论进行了验证,验证研究以国家统计数据为依据,运用线性拟合外推法以及Pearson统计相关方法,对我国各省会城市以往气温与人为热释放数据进行了分析.结果表明：大部分省会城市的气温变化与人为热释放之间基本遵循线性的依赖关系,而且在空间和时间维度上这种线性关系都随着人为热释放的增加而更加明显.统计研究得到的规律与模型结论有着较好的对应,较好的验证了模型研究的合理性.     

热及电场诱导石英玻璃的理论分析

基于实验结果, 归纳了热及电场诱导石英材料的3个基本结论. 在此基础上, 计算了经热及电场诱导块状石英玻璃的二阶非线性光学系数, 并得到了该值与诱导中的外加电压和诱导后产生的非线性层厚度的关系. 理论结果表明：经诱导的块状石英玻璃的二阶极化率χ⁽²⁾ 和二次谐波效率h 分别与外加电压成平方根和平方关系. 经一般热及电场诱导后, 块状石英玻璃的χ⁽²⁾ 为0.2~1.6 pm/V. 当热及电场诱导石英玻璃近似达到稳定状态后, χ⁽²⁾ 随着诱导时间的延长而减小. 理论结果与实验报道相当吻合.     

金属/非金属间界面热导的飞秒激光瞬态热反射法测量

搭建了飞秒激光泵浦-探测瞬态热反射测量系统,利用该系统测量Al/SiO2,Al/Si,Au/SiO2,Au/Si四种样品的界面热导.测量结果表明,对于同一种金属薄膜,基底热导率越低,金属与基底间的界面热导越小.通过引入DMM模型中的声子透过率,初步解释了实验结果.     

应力波作用下岩石类孔隙介质变形破坏与能量耗散机制的数值模拟研究

通过CT扫描、X射线衍射和物理实验等方法获取了天然砂岩的孔隙结构参数、矿物组成和物理力学性质,研制了具有与天然砂岩相同的孔隙结构特征和基体性质、但孔隙率不同的岩石类孔隙介质的物理模型．利用孔隙介质物理模型的CT扫描图像和MIMICS构建了具有不同孔隙率的孔隙结构三维有限元模型．通过设定应力波动理论假设的条件模拟了孔隙介质SHPB冲击破坏过程,分析了波动应力作用下岩石类孔隙介质的动力学响应、应力传递模式和变形破坏机制．研究表明：利用孔隙介质三维有限元模型可以直观定量地分析应力波传播过程中岩石类介质内部孔隙和基体的应力、应变状态及变形破坏机制．一定压强和波速的应力波传播过程中,孔隙率低于15％的岩石介质内部的孔隙未发生明显变形,变形主要体现为孔隙周边基体的微塑性（剪切变形）和开裂（横向拉应变）,以及孔隙周边开裂区域的相互连通．剪应力使基体单元产生微塑性,拉应力使基体单元开裂．孔隙周边基体单元的破坏及相互贯通主要是由于基体单元的横向拉应力或拉应变超过材料的极限值．模拟得到的孔隙介质的应力波传播规律、变形与破坏模式以及能量耗散性质与物理模型的实验结果相吻合．本文研究为解析岩石类孔隙介质的复杂多变动力学响应的内在机制、应力传递模式、变形破坏与致灾机理提供了参考．     

沿岸流不稳定运动对边缘波影响的实验研究

利用小波变换分析了1:100和1:40平直斜坡不规则波条件下沿岸流不稳定运动对边缘波的影响;沿岸流不稳定运动在垂直岸线方向和沿岸线方向时空变化特性;坡度对沿岸流不稳定运动的影响;沿岸流不稳定运动在实验室内的可重现性.结果表明:边缘波可以和沿岸流不稳定运动同时在垂直岸线方向和沿岸方向存在.在垂直岸线方向边缘波(波动周期20 s)的能量分布比沿岸方向更加明显,并且不会和沿岸流不稳定运动(波动周期100 s)有能量交换.而在沿岸方向,边缘波(波动周期20 s)的能量不再像垂直岸线方向更加周期性的出现,而且还和沿岸流不稳定运动(波动周期100 s)的能量有交换,特别是在均值沿岸流最大值附近.在时均沿岸流最大值附近,沿岸流不稳定运动获得能量的时间最早,而从这个位置向向岸和向海方向则开始逐渐延后;从地形影响角度看,坡度增大使得沿岸流不稳定运动在垂直岸线和沿岸方向的能量增强,并且在沿岸方向增大的程度要大于垂直岸线方向的.通过实验结果分析,相同实验条件下沿岸流不稳定运动有一定的可重现性.     

隧道长度对高速列车交会压力波的影响研究

高速列车隧道交会空气压力波的幅值对于车体结构及气密强度设计有非常重要的意义．我国的工程条件下需要对该工况对应的最不利隧道长度以及隧道长度对列车表面压力变化幅度的影响进行估计．本文通过理论分析研究了隧道压力波的形成和峰值影响因素,推导了压力极值对应的最不利隧道长度关于列车长度、运行马赫数的表达式．同时研究了隧道长度对最大负压值变化趋势的影响,并得出了负压极值快速变化所对应的临界长度区间．随后建立了二维的隧道交会数值模拟方法,并对典型工况下不同长度隧道内的列车交会进行了计算,其结果很好的验证了理论分析的预测表达式,证明前述表达式能够有效地应用于实际工程设计当中．     

焊接热输入对MIG焊接熔池行为的影响

MIG焊接热输入包括焊接电弧热流和熔滴带入熔池的热焓量两部分. 根据电弧物理的基本原理和熔滴与熔池作用过程的物理本质, 建立了电弧热流密度在变形熔池表面以及熔滴热焓量在熔池内部的分布模型. 采用数值模拟技术研究了MIG焊接电弧热流密度分布、熔滴热焓量分布模式、焊接熔池几何形状、温度场及流场的相互影响规律, 并对计算模型的可靠性进行了实验验证.     

钠层对重力波响应的模拟研究

把时变的非线性、可压缩动力学重力波模式、二维中高层大气光化学模式、二维钠层光化学模式以及国际参考电离层模式(IRI-95)相结合, 建立了钠层对重力波响应的二维时变模式. 模式中考虑了光化学反应产生的非绝热效应以及重力波对大气化学反应以及对化学成分输运的影响. 模式在水平方向利用拟谱方法, 对垂直方向和时间采用有限差分方法, 并利用FICE方法对模式求解. 给出了模式模拟的初步结果. 计算表明重力波的传播可造成钠层强烈的扰动, 改变钠层的分布, 其扰动传播的计算结果与观测相一致.     

孔隙介质中应力波传播机制的实验研究

采用活性粉末混凝土和聚苯乙烯材料研制了具有与天然砂岩相似孔隙分布特征和物理力学性质的孔隙体模型,通过不同孔隙率模型的SHPB冲击实验和CT扫描实验观察和分析了孔隙体中应力波的传播特性以及传播过程中内部孔隙和固体介质的变化．研究表明：1）孔隙率显著影响应力波的传播特征．相同应变率时,孔隙率越大,反射波幅越大、波峰越多、透射波幅越小;孔隙率降至5％时反射波接近于单峰;应变率越高上述现象越明显;2）孔隙体的能量耗散率WJ／W1随孔隙率增加而线性增加,WJ／W1对应变率较敏感;3）应力波传播性质和能量耗散行为的差异与孔隙的演化机制有关．孔隙率低于10％时内部机制表现为固体介质破裂或形成新孔隙,应力波能量主要被消耗形成新开裂面或新孔隙,原有孔隙变形不大．此过程中应变率对改变孔隙形状的作用不明显;孔隙率高于15％时孔隙演化机制与应变率有关,低应变率时仍以固体介质开裂或形成新孔隙为主,但新增开裂面或新孔隙的数量相对较少;高应变率时内部结构变化同时存在固体介质开裂和孔隙变形两种机制,其中孔隙变形占较大比例,应力波能量大部分被消耗于孔隙变形,表明只有在高孔隙率和高应变率条件下内部孔隙才会发生明显的变形．孔隙离心率e可以较好地刻画应力波作用下孔隙的变形．     

基于互补理论的非连续变形分析方法

常规的非连续变形分析法(DDA)采用“开-闭迭代”来处理块体之间的接触, 在此过程中引入虚拟弹簧并假设其刚度(罚因子). 不恰当的刚度值会导致数值计算方面的问题. 为了避免引入罚因子, 同时也回避“开-闭迭代”, 本项研究将DDA在一个时步内的分析重提为一个混合互补问题, 并采用路径牛顿法(PNM法)进行求解, 通过算例的应用表明该方案是可行的.     

不同真空度下多层隔热组件传热性能的实验研究

针对月地高速再入返回飞行器在轨面临长期中真空环境的特殊挑战,热控设计需要评估不同真空度下多层隔热组件的传热性能差异.采用一维绝热型边界测试方法,对5单元、10单元、15单元与20单元多层隔热组件,在0.001~10000 Pa开展了传热性能的实验研究.根据测试数据,计算了不同真空度下的当量导热系数,在整器热分析模型中优选当量导热系数来计算整器温度水平,并利用正样热平衡试验和在轨温度遥测值验证了该方法的正确性.本文的测试结果不仅可为返回器提供基础数据,还可成为多层隔热组件不同真空条件下航天器热设计、热分析的重要依据.     

活性粉末混凝土热物理性质的研究

通过高温试验获得了不同钢纤维掺量RPC的热传导、热扩散、比热容和热膨胀等热物理性质,分析了RPC热物理性质随温度和钢纤维掺量变化的规律,并与普通高强和高性能混凝土的热物理性质进行了对比.建立了RPC热物性参数随温度和钢纤维掺量变化的经验关系.利用传热学和固体物理方法分析了RPC传热过程与热传导性质变化的微观物理机制,推导了RPC的比热容和热膨胀系数的理论表达式,利用理论模型定量地分析了温度和钢纤维对RPC比热容和热膨胀性质的不同影响,并给出了判别条件,理论预测与试验观测相一致.     

气相爆轰波马赫反射过驱动马赫杆演化过程的实验研究

为了研究过驱动爆轰波的动力学特性,特别是胞格尺寸与诱导宽度的比例关系随过驱程度的变化规律,本文对三维胞格爆轰波楔面马赫反射中过驱动马赫杆的演化过程进行了实验研究.楔块表面过驱动马赫杆波阵面的演化非常复杂,其胞格尺寸呈现出明显的三阶段模式,即在楔面顶点附近是大尺寸胞格,经过一段强化过渡距离后,快速出现非常细小的胞格,然后...     

热致变色LSMO 光栅结构表面的热辐射特性研究

本文旨在研究具有一维光栅结构表面的热致变色材料La_0.825Sr_0.175MnO₃(LSMO) 的热辐射光谱特性及其随结构和温度变化的规律. 首先利用K-K 关系得到LSMO 在不同温度下的介电常数, 然后利用时域有限差分方法分析计算对应不同参数的结构表面光谱发射率. 研究发现, 由于光栅结构激发的微腔谐振效应, LSMO结构表面的光谱发射率呈现出选择性增强的特征. 光谱发射率随结构参数的变化情况表明, 通过合理选择光栅的结构参数可以得到想要的辐射增强特性. 平均发射率随温度的变化表明, 相比于光滑表面的LSMO 而言, 具有光栅结构表面的LSMO 的表面发射率有了比较明显的增强, 另外热致变色特性有了明显的改善.     

青藏高原雅江-班公-怒江缝合带的热红外遥感研究

在对青藏高原热红外遥感研究中,发现热异常的区域变化与前人结论不符.过去认为青藏高原南部的雅鲁藏布江缝合带温度高,北部低;而作者的研究结果是班公-怒江缝合带地区高,雅鲁藏布江缝合带次之,藏北最低.作者将青藏高原雅江-班公-怒江缝合带地区作为研究示范区,开展青藏高原陆面温度场、计算地表比辐射率和野外地表层钻孔测温与数据处理等研究,探索热红外遥感与构造热动力学关系的机理;取得了4点结论,获得了青藏高原热动力学研究的新成果.     

等离子体-吸波材料-等离子体夹层结构的电磁脉冲防护性能研究

提出了一种用于电子设备防护高功率电磁脉冲的等离子体-吸波材料-等离子体夹层结构. 建立了该结构的电磁波反射/透射模型, 结合放电产生等离子体和常用吸波材料的特征参数, 采用时域有限差分方法计算了夹层结构的电磁波透射特性. 结果表明, 在相当宽的频率范围内, 夹层结构对电磁波衰减作用明显优于等离子体和吸波材料层单独存在时作用效果的累加. 所提出的模型和相关结果对于电磁脉冲防护具有指导意义.     

大Marangoni数下液滴热毛细迁移的 数值研究

采用轴对称的非定常模型对大Marangoni数下的液滴热毛细迁移问题进行数值模拟研究, 采用界面追踪方法, 发现无量纲的液滴迁移速度会随着Marangoni数的增大而减小. 数值模拟结果与神舟 4 号飞船实验中的结果进行了比较, 得到一致的变化趋势. 同时, 这也是第一次在大Marangoni数范围下利用数值模拟的方法证实该实验现象.