一种优化的交错变网格有限差分法及其在井间声波中的应用

提出了一种优化交错变网格有限差分算法, 并在二维速度-应力关系的弹性波方程中实现. 利用频散关系守恒准则构造了四阶精度的差分算子, 该算法属于连续变网格方法, 不需要在精细网格和粗糙网格之间进行插值. 将优化算法的数值结果与解析解及八阶规则交错网格差分算法进行了比较, 验证了该算法的精度. 与基于Taylor展开的变网格有限差分算法比较可知, 优化算法的频散特性较好, 在数值模拟中可使用更粗糙的网格. 将提出的优化算法应用于复杂的井间声波模型. 该数值实例表明, 优化算法可以节省大量的计算内存和计算时间, 同时具有优良的稳定性.     

各向异性双重孔隙介质有效应力定律

通过对双重孔隙介质有效应力的研究, 建立了各向异性双重孔隙介质线弹性变形的有效应力定律. 并在此基础上, 分析了横向各向同性及结构各向异性、固体材料各向同性时的有效应力定律形式. 通过对该有效应力定律进行以下两种简化: (1) 简化成各向同性双重孔隙介质有效应力定律; (2) 简化成各向异性单重孔隙有效应力定律, 并将简化后的模型分别与已有的模型相比较, 说明该模型的合理性.     

双重孔隙介质有效应力定律

通过对双重孔隙介质有效应力的研究, 建立了各向异性双重孔隙介质线弹性变形的有效应力定律. 并在此基础上, 分析了横向各向同性及结构各向异性、固体材料各向同性时的有效应力定律形式. 通过对该有效应力定律进行以下两种简化: (1) 简化成各向同性双重孔隙介质有效应力定律; (2) 简化成各向异性单重孔隙有效应力定律, 并将简化后的模型分别与已有的模型相比较, 说明该模型的合理性.     

纳米结构光子吸收特性的强化及调控

等离激元纳米结构具有很强的光子散射和吸收性能,在光热转换、光化学转换和光电转换等领域有重要应用.本文采用时域有限差分方法(FDTD)对金属/介质、介质/金属纳米结构的光子吸收特性进行模拟,讨论了各层相对厚度对不同组合形式纳米结构光谱特性的影响.金属表面等离激元共振效应的激发,产生强烈的近场效应,使得散射和吸收性能显著增强.通过调节粒子尺寸和各层厚度,可以实现共振吸收强度和共振位置在较宽波段范围的有效控制.同时,讨论了金属、介质两种材料的不同组合形式对光谱特性的影响,相比于金属/介质核壳结构,介质/金属复合结构的光谱特性调节作用更强.控制SiO 2/Ag核壳结构各层相对厚度,可以实现光子吸收特性在宽波段范围内的调节和控制,在光热转换领域将有重要应用.     

近垂直共轭断层在地震中的动态激活:来自2023年土耳其Mw 7.6地震的启示

地表破裂迹线、有限断层反演和余震分布均表明, 2023年土耳其Mw 7.6地震具有复杂的多段破裂特征,尤其在西侧存在一对在同震中被激活的近垂直共轭断层.根据经典断层力学理论,在均匀应力、脆性变形和小应变条件下,很难同时激活两个近垂直共轭断层.为了调查该现象,我们通过数值模拟二维情形下断层上的地震破裂过程和断层外介质的弹-塑性变形,来研究近垂直共轭断层在地震中的激活情况.模拟结果表明:(1)近垂直共轭断层在地震中并非同时被激活,而是在应力传递的作用下依次发生破裂,即二者间存在因果触发关系;(2)在一定夹角范围内,共轭断层均可能在地震中被动态激活,但具体的激活程度依赖于断层的几何构型和摩擦性质;(3)当前一个断层在交界处存在障碍体而非保持连续均匀时,与之成近垂直关系的后一个断层更容易被触发.这些结果从动力学角度为理解2023年土耳其Mw 7.6地震的主震破裂过程和余震分布提供了参考.由于在许多观测实例中(包括本次土耳其地震)后一断层的触发都发生在前一断层的拉张象限,我们推测正应力的动态释放在其中扮演了关键角色并且断层上的有效摩擦系数不能太低,从而不再需要援引高孔隙水压、低断层摩擦系数或者韧...     

激光熔覆再制造零件中超声传播及缺陷检测数值模拟

激光熔覆再制造零件在具备优良性能的同时,其弹性性能呈现出声学各向异性,为声学检测带来困难,深入研究各向异性激光熔覆层及基体材料中超声波的传播特性,可以为这类再制造零件的超声无损评价提供重要的理论依据.本文建立了激光熔覆再制造零件中超声传播及缺陷检测数学模型,通过计算获得了Fe314激光熔覆再制造涂层、45钢基体两层介质中超声波探头辐射声场的分布特征.研究结果表明:材料的各向异性对入射声场的影响程度与材料的慢度值有关,声束的偏转方向由慢度面的法矢量决定,声束的聚焦、散焦行为由慢度面的曲率决定.应用建立的模型模拟了激光熔覆再制造零件中横通孔、裂纹缺陷的回波信号.比较了数值模拟与实验测量结果,二者的幅值和相位都具有很好的一致性,有效验证了本文所建立的超声检测数学模型的正确性.     

基于格子Boltzmann方法的复杂多孔介质内双扩散效应的对流传热传质机理研究

基于TD2G9不可压格子Boltzmnann模型, 通过引入第3个分布函数表征浓度场的演化, 并在标准演化方程后附加源项, 构造了用于模拟多孔介质内在多物理场(浓度场, 温度场)下交叉耦合效应的自然对流传热传质格子Boltzmann模型. 基于非平衡态不可逆热力学的基本原理, 引入Boussinesq假设, 在考虑了耦合扩散效应的基础上建立了可用于描述多物理场耦合效应下的自然对流传热传质的控制方程. 采用提出的格子Boltzmann模型结合多孔介质构造算法从孔隙尺度对规则以及随机多孔介质内双扩散效应的自然对流传热传质过程进行了模拟, 研究了不同瑞利数Ra, 不同孔隙率下的多孔介质内传热传质特征, 考察了温度梯度等因素对多孔介质内传质过程的影响, 创新地从孔隙尺度对多孔介质内的耦合对流扩散过程的传热传质机理进行了研究.     

回转筒颗粒表面流的分子动力学模拟和连续理论

在考虑颗粒非弹性接触、滑动摩擦和滚动摩擦基础上发展了分子动力学模拟的算法, 实现了中高速(Fr = 0.1~0.2)回转筒内颗粒流的离散模拟. 回转筒内颗粒流由表面活性层和下部柱塞流区组成, 颗粒在活性层的停留时间约为柱塞流区的1/3~1/2, 对称线上活性层和柱塞流区的厚度比为0.57~0.61, 因而推断颗粒流动处于Rolling-Cascading过渡模式. 对称线上MD模拟的速度分布与正电子放射性测量实验结果十分吻合. 在模拟和实验结果基础上发展了连续理论: 柱塞流区内颗粒运动并非完全随着筒壁刚体转动, 而是存在着塑性蠕变, 这种速度变化过程符合指数函数规律; 而活性层内颗粒流动则符合简单的Couette切变流动分布. 最后探讨了颗粒温度和颗粒相对浓度分布的内在机理.     

GPS测定的尼泊尔M_w7.9和M_w7.3级地震同震形变场

2015年尼泊尔M w7.9和M w7.3级地震致灾范围包括尼泊尔、印度北部、巴基斯坦、孟加拉和中国藏南地区,地震应变应力调整将对震区和邻区的地震活动产生不同程度的影响.尼泊尔境内的GPS连续观测数据、"中国大陆构造环境监测网络"GPS基准站和地震应急流动站观测数据计算结果揭示了尼泊尔地震的静态和动态同震形变场.对M w7.9级地震,尼泊尔境内近场静态同震GPS水平位移最大为1.89 m,距震中100~400 km的中国藏南地区观测到几毫米到几十厘米的静态水平位移,毗邻尼泊尔的聂拉木县最大形变54.0 cm.M w7.3级地震静态同震形变最大为2 cm,局限在震中附近200 km范围内.距震中约2000 km内的GPS基准站均记录到M w7.9大震明显的动态形变信号,高频GPS动态形变幅度与地震破裂方向有关,位于破裂方向上的测站动态形变幅度明显大于其他方向的测站.用弹性半空间位错模型正演模拟了震区和青藏高原南部格网点上的同震形变,并分析了地震应变影响,认为尼泊尔地震对中国藏南地区产生一定程度的拉张型应力变化,需要持续关注.     

基于图像重建的根系三维构型定量分析及其在大豆磷吸收研究中的应用

植物根系三维构型的定量描述和分析是研究植物根系生长及对养分吸收利用等营养功能的重要手段之一, 但迄今尚无定量测定三维根构型参数的有效方法. 本研究通过数码摄像机旋转拍摄物体获得根系多视角二维图像, 并根据根系基本结构特征, 创建了适合根系等线状物体三维图像的快速重建算法, 重建了植物根系图像, 获得根系三维构型的数字化模型及其骨架. 以此模型和骨架为基础, 获得直径大于0.3 mm大豆根系的主根长、总根长、平均基根角度、根宽深比、介质不同层次根长分布率以及根系在生长介质中不同三维区域的分布率等三维根构型参数, 并分析了这些参数与大豆生物量和磷吸收量等生长指标之间的相关关系. 本研究可以为研究植物根系生长及其营养功能提供一种新方法.     

针孔SPECT成像完全三维图像重建的研究

依托自行研制的一台高分辨率小动物单光子发射型计算机体层成像系统(Micro- SPECT), 开发针孔SPECT成像的完全三维图像重建技术. 该研究包括: 针孔SPECT成像的投影算子推导及其在Radon空间的采样特性分析; 有效的系统几何参数校正方法; 适用于圆轨道和螺旋轨道扫描的三维图像重建算法及定量补偿方法的实现. 为验证开发的完全三维图像重建技术, 进行了相应的计算机模拟成像、模具成像及小鼠成像实验, 并对结果进行了讨论. 计算机模拟和模具及小鼠成像实验显示: 跟基于解析求逆理论的近似图像重建算法FDK相比, 基于统计理论的三维迭代图像重建算法结合有效的系统响应补偿方法, 能够显著地改善重建图像质量和提高系统成像分辨率; 螺旋轨道扫描的针孔SPECT成像技术可以有效地克服常规圆轨道扫描成像的局限性, 扩大成像系统的轴向视野, 提供相对完备的锥形束投影采样空间, 实现高分辨率的全身小动物SPECT成像. 实验结果表明我们开发的完全三维图像重建方法与技术是切实有效的, 达到了预期的目的, 可以较容易地推广应用于多针孔SPECT成像的三维图像重建.     

致密砂岩层系多尺度波耗散规律及双重分形结构模型

了解地层岩石的多尺度非均质性特征对不同频率弹性波响应的影响,对基于地震资料解释与反演地下介质属性至关重要.本文联合采用超声波实验(550 kHz)、声波测井(约10 kHz)和地震勘探(约30 Hz)手段,对鄂尔多斯盆地延长组致密岩石开展观测,估算了不同频率下致密砂岩中的纵波传播速度和衰减.超声波观测结果显示,随着围压增大,孔隙度对衰减的影响有变小的趋势,而黏土含量的影响随围压增大而增大.不同频率范围内,波速和衰减随孔隙度或黏土含量的变化趋势基本一致.测量结果中值及分布特征显示,从超声波到地震频段,纵波速度趋于下降,而衰减却有增大趋势.从超声波到声波频段,速度减小更为显著,中值减小了362 m/s;而测井速度与地震观测结果较为接近.衰减在声波和地震频率之间的差异更为明显.为解释多尺度观测数据,提出了描述孔隙介质中裂隙和黏土尺寸具有自相似分布特征的双重分形结构模型.模型预测与实验结果对比揭示了相关储层黏土包体和裂隙的分形特征.本研究可为进一步解释复杂岩石宽频带波频散和非弹性现象提供理论模型.     

纳米器件空间辐射效应机理和模拟试验技术研究进展

电子器件空间辐射效应是影响航天器在轨长期可靠运行的重要因素之一,一直是国际上抗辐射加固技术领域研究的热点和难点.高可靠、高集成度、高性能、低功耗、低成本是未来新一代先进电子系统发展的必然要求,采用更高性能的抗辐射加固纳米器件是必然的趋势.本文在深入调研国内外研究现状的基础上,分析了纳米器件辐射效应面临的新问题.纳米工艺存在着很多不同于大尺寸工艺的特点,沟道长度缩小到十几个纳米,栅氧化层等效厚度小于1 nm.在工艺上引入了纵向逆掺杂阱或横向晕环掺杂技术,以降低栅极诱导漏极漏电效应;在材料上引入了多元半导体材料、应变硅、锗硅、高k栅介质、金属栅极等,以降低器件功耗;在结构上引入了三维Fin FET结构,以增强栅的控制能力.这种趋于物理极限的工艺特点、新材料和新结构的采用产生了许多新的辐射效应现象和机制,模拟试验技术更加复杂,给抗辐射加固技术研究带来了新的挑战.本文综述了纳米器件辐射效应的研究现状和趋势,重点针对28 nm及以下特征工艺纳米器件辐射效应研究及模拟试验的需求,提出了需要研究的科学问题和关键技术,希望能为纳米器件抗辐射加固与空间应用提供参考.     

格子Boltzmann方法的工程热物理应用

格子Boltzmann方法在过去的20年里已经发展成为一种有效的数值模拟方法, 它是介于微观分子动力学方法和基于连续介质假设的宏观方法之间的一种介观方法. 该方法与传统的流体模拟方法不同, 它基于分子动理论, 通过跟踪粒子分布函数的输运而后对分布函数求矩来获得宏观平均特性. 基于本课题成员的一些工作, 本文对格子Boltzmann方法在工程热物理领域中研究进展做了简要回顾, 包括: (1) 格子Boltzmann方法的发展简介; (2) 沿着Boltzmann方程 —— Maxwell分布 —— Boltzmann-BGK方程 —— 格子Boltzmann-BGK方程这一主线对格子Boltzmann方法的基础理论和基本模型做了简要介绍; (3) 在格子Boltzmann方法的模型发展方面, 介绍了用于理想气体可压缩流动与传热的耦合双分布函数模型和用于非平衡态气体流动模拟的格子Boltzmann模型. 在格子Boltzmann方法的边界处理方面, 介绍了反弹与镜面漫反射格式及质量修正格式. 在格子Boltzmann方法的计算格式方面, 介绍了显式-隐式有限差分格式, 该格式能够有效地提高计算效率; (4) 在格子Boltzmann方法的应用方面, 着重对其在交变流动、可压缩流动、多孔介质流动、微尺度气体流动及热声中的应用做了详细介绍; 最后指出了格子Boltzmann方法在工程热物理领域中需要进一步研究的内容.     

神经科学家利用蝙蝠寻求解开大脑三维空间导航的秘密

揭开人和动物大脑方位感知与空间导航的秘密,一直是一个令人着迷的问题.科学家通过对大鼠和蝙蝠等动物近50年的研究,使我们对大脑二维(2 dimension, 2D)导航的神经基础有了较清楚的认识.研究发现,在海马和内嗅皮质等脑区有专门的导航细胞,包括位置细胞、网格细胞、边界细胞、头朝向细胞等.这些细胞及它们的"细胞域"可为2D空间导航提供"空间认知地图"或"心灵环境地图"和"指南针".然而,人和大量动物都生活在三维(3 dimension, 3D)空间中,大脑如何完成3D空间环境下的定位和导航?近年来,通过对爬行和飞行状态蝙蝠的研究,发现参与2D导航的那些细胞在3D空间下反应特性和模式均发生明显变化;蝙蝠属于社会性和群居性动物,研究还发现在其海马内存在社交位置细胞和目标方向角调谐细胞,分别负责获取环境中其他蝙蝠位置的踪迹信息以及目标的方向信息.由此可见,脑内这些空间定位细胞构成了导航的神经基础,并经过复杂的功能整合,构成了一个位于脑内的"微型全球定位系统",且在细胞水平上阐释了这种高级认知功能的原理.本文简要介绍了Nachum Ulanovsky等人近些年对蝙蝠大脑3D导航的研究.     

不同构象状态HIV-1 gp120分子运动特征及构象转换能力研究

人类免疫缺陷病毒HIV-1包被蛋白gp120通过与宿主细胞表面受体CD4和辅助受体CCR5/CXCR4发生相互作用而侵染细胞. CD4结合状态的HIV-1 gp120核心与CD4结合前状态的SIV gp120核心结构已经被X射线晶体衍射技术所测定. 但是, 静态的晶体结构不足以阐明gp120动态结构特征及其构象转化能力. 用同源模建技术构建不同功能状态的gp120结构模型并用CONCOORD模拟方法生成它们的结构装配体, 最后利用本质动力学算法提取、分析前4个本征向量所描述的分子运动特征. 结果表明, gp120的主要运动模式表现为内部结构域、外部结构域、桥片层以及V3环之间的旋转/扭曲、绕曲/关闭、延长/压缩运动或这些运动方式的组合, 这些运动模式与受体结合以及HIV-1病毒免疫耐受性有关. 进一步利用本质亚空间重叠算法评估gp120不同构象间的相互转换能力, 结果表明, CD4结合前状态(unliganded) gp120向复合物状态(CD4-complexed)转化的能力强于向移除CD4复合物状态(CD4-free)转化的能力, 而CD4-free gp120比CD4-complexed gp120具有更强的向结合前状态转化的能力. 本研究揭示了gp120动态结构与功能的关系, 并为抗HIV药物设计提供了参考和帮助.     

高速撞击诱导大梯度纳米结构化高熵合金的力学行为

国防军工与航天领域的防护结构要求材料能经受住弹体或空间碎片的高速撞击,包括处于极低温环境.高熵合金因其特殊的化学结构与优异的综合力学性能,成为新型装甲防护材料研究的新范式.本文通过弹丸高速撞击高熵合金靶板的响应分析,提出了一种通过室温和低温高速冲击制备大梯度纳米晶和纳米孪晶混合结构高熵合金的新方法,并研究了该梯度纳米结构高熵合金的拉伸力学性能以及变形机理.结果表明,大梯度纳米结构从冲击端到自由面,微结构过渡主要为:纳米晶-纳米晶带-高密度纳米孪晶带/高密度位错带/点阵旋转带-稀疏纳米孪晶带/高密度位错带/点阵旋转带-高密度位错-稀疏位错.单纯纳米晶和纳米孪晶混合结构的梯度层厚度达到4 mm,远超传统手段制备的梯度层厚度(小于500μm).相比初态样品,大梯度纳米结构高熵合金的强度提升明显,最高提升390%,塑性仍保持在较大范围内:21%～62%.这得益于大梯度样品“软区”和“硬区”共存,除了较大背应力提供额外强化外,软硬组织弹塑性变形的不同步和断裂发生的不同步也会额外提高力学性能.本研究不仅可为开发块体大梯度纳米结构材料提供新方法,也可为理解高熵合金的抗弹行为并指导装甲防护材料设计提供...     

汶川地震破裂近场震后变形观测及其意义

汶川地震破裂带上的近场震后变形, 是一种震后的蠕滑行为, 而且大部分表现为与同震滑移的方向相反. 地震断层的活动通常划分成震前、同震、震后和震间4个阶段, 反映了一次地震从孕育、发生到结束的整个演化过程, 而不同活动阶段的变形特征反映出不同的应力状态和力学性质. 汶川地震沿龙门山断裂带形成了两条长分别为250和72 km的地表破裂带. 为了了解汶川地震地表破裂带的震后变形特征, 对中央主破裂带上人为破坏较轻的断层崖或断层挠曲崖进行反复测量, 结果显示在19个观测点中, 13个观测点(68%)的断层崖或断层挠曲崖的高度(垂直同震位移)震后降低回落, 平均降低了9.7%; 5个观测点(26%)没有发生变化; 1个观测点(6%)的在震后继续抬升, 抬升了12.8%, 而且该观测点位于中央主破裂带的南西端部. 尽管这种变化中存在着上冲断层盘虚假抬升后压实回落的影响, 但主要是沿汶川地震破裂带发生的震后滑移造成的, 而且大部分震后滑移(68%)与同震滑移的方向相反. 除破裂端部存在同震位移亏损, 弹性能释放不完全外, 其他部位同震位移要么与震间累积达到平衡, 要么过冲产生能量亏损, 揭示了汶川地震的能量可能基本释放完全, 发生7级以上强余震的可能性不大. 此外, 这种震后变形特征还告诉我们, 在进行活动断层构造地貌研究时, 特别是通过断层崖高度(或其他水平位错量)判断断层运动速率和估计古地震事件大小时, 除侵蚀作用产生的误差外, 还需要考虑10%左右来自震后滑移的系统误差.     

基于PT对称的声波超前/延迟线

低损耗、长带宽、时间可控的声波延迟线在音频、射频、声表面波信号处理等领域具有非常广泛的应用,然而设计满足上述三点特性的声延迟线是一项极具挑战性的工作.近年来,量子力学中的宇称时间(parity-time, PT)对称概念被引入到声学系统中,其散射矩阵在特殊点处的实数本征值揭示了声波在此类系统中可实现宽带的无损传输,且传输相位可调.本文设计了一种由一对PT对称的导纳超表面及夹在中间的等效声学介质组成的声学系统,通过设置导纳超表面参数调节其工作机制,从而实现了两类互补的特殊点.其中防反射层模式下的特殊点导致了一种声波延迟线的形成,而相干完美吸收-激“声”模式下的特殊点则用于设计一种罕见的声波超前线.由于此声学损耗-增益超表面在自然界中是不存在的,本文利用可主动控制的电热声碳纳米管薄膜来模拟它.仿真结果表明,PT对称系统是实现低损耗、长带宽且时间可控的声波超前/延迟线的优良载体,其应用可扩展至包括光学、力学、弹性波等诸多波动领域.