基于自适应有限元法的纯物质三维枝晶生长模拟

基于高性能计算特性的自适应有限元方法,较大尺度地求解三维相场模型,定量模拟纯物质三维枝晶的凝固过程,研究过冷度、各向异性系数等相场参数对三维枝晶的影响.结果表明:过冷度和各向异性系数越大,三维枝晶生长速度越大,侧向分枝越发达,二次枝晶间距越小,并得到与结晶理论相一致的枝晶生长规律.此外,在CPU耗费时间上自适应有限元方法比均匀网格方法降低一个数量级,并且当系统尺寸越大时越能体现出自适应有限元方法的优越性,为大尺度多场耦合相场模型的模拟提供便利.     

相场法模拟过冷熔体枝晶生长的界面厚度参数的取值

研究了用相场法模拟纯物质过冷熔体枝晶生长过程中,界面厚度的取值对模拟结果可靠性的影响及影响界面厚度取值的因素;然后,在选取合理界面厚度取值的基础上,计算了不同过冷度下纯镍过冷熔体枝晶生长的速度并与实验进行了比较.研究表明:为了获得可靠的计算结果,界面厚度的取值应足够小;合理的界面厚度的取值由过冷度、各向异性、界面动力学、热扩散系数等参数综合决定;在选取合理界面厚度的基础上,模拟结果与实验吻合,证明界面厚度足够小时可获得可靠的模拟结果.为相场法模拟过冷熔体枝晶生长时的界面厚度参数的取值提供了依据.     

枝晶生长的傅里叶谱相场模拟

用傅里叶谱方法求解相场模型,并运用该方法对聚合物结晶过程中出现的枝晶生长形态进行数值模拟。通过数值模拟与已有实验结果对比,模拟结果与实验结果基本吻合,验证了傅里叶谱方法求解相场模型的可行性。与有限差分法对比,傅里叶谱方法的运用,简化了对某些运算算子的演化。     

复合电子发光薄膜中非晶二氧化硅层的电流密度计算

给出了一个用来计算复合电子发光薄膜中非晶二氧化硅层的电流密度的力学模型，利用此模型和蒙特卡洛模拟，可以得到电子在不同的电场下通过非晶二氧化硅层时所需要的时间，然后给出了一些参数的经验值，计算得到了与实验基本相一致的理论结果。     

稀释晶场中最近邻弱交换相互作用对重入现象的影响

利用有效场理论研究了稀释晶场中混合自旋Blume-Capel模型纳米管系统的重入现象,得到了系统的重入现象与稀释晶场取值概率、晶场和外壳层与内壳层格点间最近邻交换相互作用的关系.结果表明:取值概率、交换相互作用和晶场强度等诸多因素相互竞争,使系统表现出比恒定晶场作用的Blume-Capel模型更为丰富的磁化行为:负晶场...     

流场下格子-动力学晶体生长的模拟

在常规的相场方法中,耦合格子玻尔兹曼方法,采用新建立的格子-动力学耦合模型模拟不完全结晶的聚合物(ipp)枝晶在流动下的生长。使用多松弛的格子玻尔兹曼方程替代温度场方程,在其中耦合流场,并通过Fortran语言对格子-动力学耦合模型进行求解,规避了传统相场法需要高分辨率场精确解决固液界面的难点的同时,研究了在不同流场流速,界面厚度,驱动力参数下的聚合物(ipp)结晶形貌。结论显示:流速越快,顺流方向枝晶的生长越迅速;增加界面厚度,晶体生长加速;驱动力参数增大,晶体生长速率增加。     

基于光测法的晶种量对结晶动力学影响研究

为进一步探究晶种添加量对于结晶动力学尤其是生长动力学的影响,以KNO3-H2O溶液为模型体系,结合光测法开展了添加晶种的间歇冷却结晶动力学实验.通过测定可反映结晶固相信息的体系透光率的变化曲线,结合溶液质量比和相对过饱和度等实测数据,借用前期所建的模型方程,拟合得到了结晶体系的成核与生长动力学参数.在此基础上,运用回代计算的方法,考察并分析了晶种添加量对于结晶成核与生长动力学的影响.结果表明:随着晶种添加量的提高,结晶体系的成核效应逐渐减弱,生长效应逐渐增强,晶体产品的粒度更趋于均匀;同时,单个晶体的线性生长速率却有所下降,从而导致产品的平均粒度减小.     

用改进的Wollaston激光剪切干涉法研究溶液薄膜的结晶过程

报道了一种采用激光干涉法观测低温保护剂(CPA)溶液降温结晶过程的方法.对传统的Wollaston棱镜剪切干涉光路进行改造,并与半导体制冷装置相结合,建立了一套实时观测和记录CPA溶液薄膜降温结晶过程的实验系统.从实验记录可以直接得到降温过程中相界面的产生和移动过程;并且可通过干涉条纹分析进一步研究结晶过程中溶液的温度场和浓度场.以此实验系统为基础,可分别研究降温速率和CPA初始浓度等条件对结晶过程的影响,为了解低温保存过程中溶液结晶的物理机理提供了有力的实验基础.     

基于自适应有限元枝晶自由生长相场模型模拟

利用相场模型模拟了过冷熔体中单个完整等轴枝晶在凝固过程中的生长和形貌演化,采用自适应有限元方法求解相场模型的控制方程,研究了在计算域较大、界面层厚度较薄的情况下各向异性和过冷度等物理参数对枝晶形状和生长的影响.结果表明:过冷度越大,枝晶间竞争越激烈,生长速度越慢;各向异性系数越大,枝晶沿选定方向生长的趋势越强,生长速度越快,二次枝晶间距越小,侧向分枝越发达. 与有限差分方法(FDM)相比,采用自适应有限元法(AFM)在CPU计算时间和存储空间均降低了一个数量级,并且系统尺寸越大,自适应有限元法优势越明显,便于更大尺度多场耦合相场模型的数值模拟.通过比较均匀网格法和以往的晶体生长数值模拟实验,证明了自适应有限元法的准确性、高效性和鲁棒性.     

Ca(OH)_2–H_2O–CO_2系统气液反应结晶数值模拟

在实验的基础上建立理想混合假设下Ca(OH)_2–H_2O–CO_2系统气液反应结晶模型.此模型包含气液物理吸收与化学吸收模型、结晶动力学模型以及气泡与晶体的粒数群体平衡模型.为解决模型刚性问题,采用高阶矩量分类法对粒数群体平衡模型进行矩变换并离散,采用高阶向后差分算法对方程组进行求解.通过实验数据对结晶动力学模型中的未知参数进行回归,得到与实验结果高度相符的反应结晶模型,为深入了解气液反应结晶机理提供理论依据.     

一维正方准晶垂直于准周期方向穿透的抛物线裂纹问题

研究一维正方准晶材料中垂直于准周期方向穿透的抛物线裂纹问题.通过广义保角映射将物理平面的抛物线裂纹外映射到数学平面中的单位圆内,得到声子场和相位子场的应力分量在像平面的复表示,以及抛物线裂纹尖端的应力强度因子.当参数取特殊值时,所得结果与Griffith裂纹的结果一致.     

土体热力学本构模型的分析与验证

分析介绍了Collins提出的土体热力学模型.该模型不仅结构简单,满足热力学原理,且通过参数的不同取值,可得到包括修正剑桥模型在内的不同屈服面的形式,具有较大的适应性和灵活性.基于微细观力学原理,深入分析了模型参数的物理意义,并导出了模型的应力应变关系.编制了该模型的点积分程序,选用具有强减缩特性的淤泥质软黏土的偏压固结不排水三轴试验结果,通过对试验结果的模拟,验证了模型的适应性与有效性.     

基于Debye 分解的岩石电性与孔渗参数关系探讨

随着油气资源的深入开发与勘探难度的加大,常用的地震等声学方法已不能满足精准预测储层的要求,因此利用岩石的电学参数准确预测储层参数的方法越来越受到重视.通过岩石物理实验测量了碎屑岩、碳酸盐岩、变质岩的复电阻率、孔隙度与渗透率,基于Debye分解模型计算了岩样理论的相关激电参数,结合Archie公式与Kozeny-Carman方程预测了岩样的理论孔渗参数.根据理论模型与实测数据的拟合,确定了三类岩样预测模型待定系数的最佳取值范围,获得了模型拟合系数,最终得到了孔渗预测的相关经验公式.研究结果对于帮助岩石物理建模和指导油气勘探开发部署具有积极的理论意义和应用价值.     

由岩石电性和弹性参数求取地层储层参数

储层参数的准确求取可为提高油气储层预测与评价的精度、减少勘探开发的风险提供帮助。通过基于Auto Scan-Ⅱ和Auto Lab-1000平台的岩石物理实验获取了低孔致密泥质砂岩岩石的弹性及电性参数,对地层的孔隙度、渗透率、饱和度等储层参数的转换关系进行了详细的研究与分析,认为由电阻率与孔渗饱三种储层参数的连接更加紧密,同时得到了针对W-S公式胶结系数取值的最佳范围,这些研究成果可以为储层参数的确定及储层预测与评价提供可靠的岩石物理依据。     

煤岩Holmquist-Johnson-Cook本构模型参数研究

以淮南潘谢煤田13-1煤层煤岩基本物理、力学实验为基础,通过拟合三轴实验、Hopkinson压杆实验和Hugoniot实验数据,得到了煤岩的极限面参数、率效应参数和压力参数的取值,总结出一套获取煤岩HJC模型参数的方法。基于所确定的参数,运用LS-DYNA有限元软件,对煤岩SHPB实验进行了数值模拟验证,结果表现出较好的一致性。此外,通过保持所确定的参数不变,仅改变单一关键参数的方法对煤岩SHPB试验进行数值分析,得到了极限面参数A、B对煤岩动态性能的影响规律。数值模拟的结果表明参数确定方法是有效的,所确定的参数能较准确反映煤岩的动态性能,可为煤岩动载数值计算提供帮助。     

相场法模拟中取向与热扩散参数对Ni-Sn合金枝晶形貌的影响

利用相场模型与温度场进行耦合的控制方程来模拟Ni-Sn二元合金凝固过程中的枝晶生长情况。依据热力学定律、自由能泛函与熵泛函原理,建立Ni-Sn合金相场和温度场耦合的模型。用相场法模拟合金在非均匀温度下枝晶生长过程和枝晶生长形貌的情况。对形成的图像进行对比,研究各向异性强度参数与热扩散参数对枝晶生长形貌和生长速度的影响。模拟研究表明：在非均匀温度场下,当各向异性强度参数增大时,枝晶的生长速度会随之增大,并且二次支臂的生长数量也会增加。此外,当热扩散参数增大时,枝晶的生长速度会随之减小,枝晶主干变细,并且二次支臂的生长数量会有明显减少。     

基于GPU的流动影响枝晶生长相场方法

将自适应压力迭代法修正的Sola算法与相场模型相结合,建立过冷熔体在强迫流动状态下枝晶生长的Sola-相场模型.针对传统方法求解多场耦合相场模型时存在的计算量大,计算时间长,计算效率低等问题,提出基于CUDA+GPU软硬件体系结构的高性能计算方法.以高纯丁二腈(SCN)过冷熔体为例,在CPU+GPU异构平台上实现了存在流动时凝固微观组织演化过程的并行求解,并对基于CPU+GPU平台与CPU平台的计算结果及计算效率进行比较.结果表明,当计算规模达到百万量级时,与CPU平台上的串行算法相比,在CPU+GPU异构平台上达到了24.39倍的加速比,大大提高计算效率,并得到与串行计算相一致的结果.     

蒸发结晶系统传热传质规律的研究

工业蒸发结晶是一个复杂的多相传热与传质过程,其传热传质规律直接决定着晶体的成核和生长,并最终决定产品的粒度分布。根据双步结晶理论,对蒸发结晶的成核和生长动力学进行分析,建立了成核和生长的理论模型。该模型准确描述了蒸发结晶的生长规律,对其中参数的求取和分析可以确定结晶的控制步骤。研究以氯碱工业中烧碱提纯单元NaCl蒸发结晶为例,通过对模型参数的求取,分析NaCl蒸发结晶过程的控制步骤。结果显示,在高温和低流速下,NaCl结晶受扩散过程控制。从而以扩散控制理论为基础,建立了NaCl蒸发结晶的传质传热模型。综合考虑了温度、流速、过饱和度、晶体粒度对结晶粒度分布的影响规律,建立了涵盖各个参数的数学模型。结合粒数衡算,进行了模型计算,得到结晶粒度与操作参数的关系。模型计算结果与实际结果吻合良好,表明该模型可以很好地表示蒸发结晶过程中各操作参数对结晶粒度分布的影响规律。     

块石胶结充填颗粒离析机理

通过建立块石颗粒采场运动模型得到充填后采场的块石颗粒离析分布状态。该模型将颗粒的运动分为2个阶段,通过力学分析得到颗粒在关键节点的运动状态,最终得到颗粒水平运动距离的解析表达式。采用此模型对影响离析的相关因素进行分析计算。计算结果表明:通过调整块石最大粒径和充填井倾角等参数,可以达到控制块石颗粒离析程度的目的。研究结果可以应用于矿山块石充填技术的研究。     

基于ADAMS对栽植器滑道工作稳定性的仿真分析

对钵苗在滑道上的运动进行了仿真分析和虚拟试验,同时还进行了与物理样机的试验对照,通过单因素试验及试验分析,表明虚拟试验与物理样机试验结果比较接近,证明了滑道模型建立的合理性,参数选择恰当.从中得到了滑道倾角的取值范围,对设计物理样机有一定指导意义.