能源领域过程工程的多尺度模拟及分析

目前商业模拟软件多采用单一尺度的方法预测反应设备中的多相、多过程耦合问题时存在严重的误差。例如，当模拟循环流化床装置时，商用计算流体力学（CFD）软件严重高估物料循环通量，误差可达一个数量级。这样的模拟结果将会使操作者误判反应器的操作状态，相应的调控将产生错位。对此，近年来发展的多尺度方法及其模拟技术为解决预测准确性问题提供了可能。多尺度方法将实际过程先进行尺度分解，然后建立不同尺度上的物理模型，最后再用微观尺度封闭介观结构尺度行为，或者直接建立模型（或稳定性条件）关联不同尺度的行为。中科院过程所在多尺度研究领域具有二十年的积累，提出了以稳定性条件为特征的EMMS多尺度模型，以虚拟粒子为特征的微观尺度PPM模型，以图形卡GPU为平台的异构并行计算模式等等，并在不同层次和尺度的模拟方法上（如DEM、MD、CFD、LB等）皆有长期积累。     

电离层多尺度变化对无线电波传播的影响机理研究

1项目简介本项目属于电离层电波传播理论与应用基础研究的前沿课题,在国家自然科学基金重大项目等多个课题的支持下,致力于研究电离层多尺度变化对无线电波传播的影响机理和效应分析方法,开展了电离层媒质电磁特性的长期变化趋势、随机不均匀电离层电波传播理论,以及电离层变化对无线电系统影响的评估方法等研究,取得了重要的科学发现和创新性成果,为认识电离层多尺度变化对无线电波传播的影响机理提供了关键的传播理论基础和新的发现现象;建立了强起伏复杂随机媒质高阶统计矩求解方法,为研究电离层多尺度变化对无线电系统的影响及其对策提供了理论基础.     

量子自旋阻挫体系与量子自旋液体

量子自旋液体是量子磁性系统中的新型物质形态,一般认为这种新物态源于阻挫相互作用。由于强烈的量子涨落导致基态呈磁无序状态,其低能激发不是通常的自旋波,而是分数化的自旋子和演生的规范涨落。经过几十年的积累,量子自旋液体在分类理论、数值计算和材料合成、物性测量等方面取得了丰富的成果。在国内,实验方面在三角晶格上的自旋轨道耦合材料YbMgGaO_4、笼目晶格上的材料ZnCu_3(OH)_6FBr和ZnCu_3(OH)_6FCl、六角晶格上的Kitaev材料α-RuCl_3等阻挫系统的研究中取得突破性进展,部分达到国际领先水平;理论方面,在计算笼目格子海森堡模型的基态、刻画具有自旋轨道耦合的阻挫模型的相图、构造非对易自旋液体模型、建立自旋液体低能有效理论等方面也取得重要进展。由于强关联系统的复杂性,自旋液体领域仍然有很多重大问题尚未完全解决。另一方面,鉴于这一领域的重要性,我们需要集聚力量、协同合作,在材料、实验和理论上取得新的突破,推进相关领域的持续性发展。     

“环境诱发情绪异常”神经机制的多尺度成像方法研究

人类情绪会受到外界环境特别是光环境的影响,如光照周期长短的变化会导致季节性情感障碍患者出现忧郁或躁狂的症状,因此环境诱发的情绪异常也逐渐成为广泛关注的科学问题。本项目围绕视觉细胞感知外界光环境变化与大脑皮层下与情绪相关的核团间直接投射神经环路的结构与功能这一关键科学问题,基于同步辐射、稳态强磁场等大科学装置,发展从活体、器官、组织、细胞、分子等多尺度、多维度成像及数据整合方法,并应用这些方法解释视网膜直接投射至情绪相关核团的直接神经环路,为"环境诱发情绪异常"分子机制、疾病诊疗提供科学依据。项目研究进展包括:(1)研制了小动物活体成像的系列线圈;建立了优化弛豫、扩散检测等 MRI方法;建立了多模态影像数据处理的软件工具包;开展了情感障碍模型大鼠 MRI的研究。(2)升级和完善了多种显微成像技术,包括超分辨 STED 系统、软 X 射线相干衍射实验平台与光电关联成像技术;利用电镜成像技术解析了多种超微结构;筛选了可作为X射线敏感探针的纳米材料并在细胞成像中应用。(3)建立了基于真空紫外光源的质谱成像系统;构建了抑郁症小鼠模型;完成了小鼠脑片的初步成像;搭建了基于荧光寿命检测的显微成像设备;鉴定了近红外视觉相关神经环路。(4)建立了复杂生物体系的多尺度理论模型和计算方法;开发了复杂生物体系光谱模拟方法;建立了多尺度实验数据集成分析方法;研发了多模式成像探针。     

海洋生态系统储碳过程的多尺度调控及其对全球变化的响应研究进展

海洋储碳机制及其对全球变化的响应是当前全球变化研究领域的重大科学问题,也是薄弱环节和难点所在,如何阐明典型海洋生态系统固碳过程和储碳机制,评估全球变化的影响,并进一步探寻古海洋沉积记录及其与现代过程的关联,建立海洋典型生态系统沉积碳库变动与全球变化联系仍是当前全球变化研究的核心问题。针对这一重要科学问题,国家重点研发计划"全球变化及应对"重点专项"海洋生态系统储碳过程的多尺度调控及其对全球变化的响应"项目,围绕核心主题"固碳过程-储碳机制-酸化影响-碳库变动"开展了系统的研究。近两三年来研究工作取得若干显著进展,较系统地阐明了西太平洋中低纬度边缘海浮游植物群落的时空格局、多样性特征与演变机制,深入揭示了海洋酸化抑制固氮束毛藻固氮和生长及其机理,揭示了南海珊瑚钙化对气候变化和海洋酸化的响应,为进一步深入阐明海洋生态系统储碳的调控机制及其对全球变化的响应这一科学问题奠定了良好的基础。     

高性能大功率LED研究进展——973计划“高性能LED制造与装备中的关键基础问题研究”项目成果简介

半导体照明取代传统照明仍受制于光效低、成本高、寿命短等问题。这些问题反映在制造领域体现为制造缺陷、核心设备、高效散热、可靠性等关键问题。由深圳清华大学研究院牵头承担的973计划项目(2011CB013100),围绕3个科学问题,设置了大尺寸同质衬底生成及缺陷控制原理与装备实现、大尺寸超硬衬底晶圆平坦化中低缺陷、高效去除的新原理与装备实现、6吋及以上大尺寸外延晶圆的跨尺度制造技术和MOCVD核心装备及探索多场耦合下反应腔的几何构造和气体输运方式与工艺参数的关系以及参数检测控制方法、封装装备执行系统的多参数耦合设计及高加速度复合运动生成、LED精简热模及型跨尺度热输运系统集成制造、LED复合过应力加速寿命试验方法及可靠性制约因素耦合规律等方面的研究内容。目标为面向220 lm/W的高性能高可靠的LED制造,揭示LED发光效率、可靠性与制造缺陷及制造因素的关联规律,建立新原理装备、新方法,突破关键技术瓶颈,奠定支撑新一代LED制造技术和产业发展的理论和技术基础,为我国在LED制造装备领域实现跨越式发展,成为国际LED制造的主要生产和创新中心提供支撑。本文从项目研究背景、相关基础理论研究进展以及关键设备研究进展等方面进行全面论述。     

纳米金属多层薄膜的塑性变形不稳定性及疲劳损伤机制

多层薄膜广泛应用于集成电路芯片、各种微/纳传感器及微电子机械系统中。大量的研究表明,当这些材料的几何尺寸减小到亚微米甚至纳米尺度时,会表现出诸多不同于块体材料的物理性能。特别是其力学性能已不能够完全采用传统块体材料的理论与模型进行描述与评价。因此,澄清具有纳米尺度的多层薄膜材料的力学行为及其尺度效应是目前微/纳米系统中有待解决的小尺度器件材料的可靠性问题。根据经典的Hall Petch细晶强化理论,减小材料内部的晶粒尺寸可以显著提高材料的屈服强度。为此,近年来人们通过不同的制备和加工手段获得了超细晶和纳米晶材料…     

高影响海-气环境事件预报模式的高分辨率海洋资料同化系统研发

由于国家安全与社会经济可持续发展的迫切需求,MJO、ENSO、IOD和PDO等高影响海-气环境事件的预测一直是一个重要的研究领域。多尺度、多过程的复杂性使这些海气环境事件的预测至今仍然是气候科学最具挑战性的问题之一。由于海洋成分的长期记忆能力,耦合模式海洋成分的预报初始化对它们的预报有非常重要的作用。然而,国内现有的气候预测系统缺乏耦合模式框架下先进的海洋资料同化系统,同化的海洋资料种类也亟待增加。而针对MJO等季节内尺度和PDO等年代际尺度气候变率,现有气候预测系统的研究水平和业务能力更处于薄弱或空白状态,滞后于国际发展水平。针对全球变化的背景,需着重开展耦合模式的海洋资料同化研究,发展全球耦合模式的海洋资料同化系统,从而提高气候预测能力,增强我国气候防灾减灾的手段,提升我国全球变化研究的竞争力和国际地位。基于我国自主研发的海气耦合模式,项目将开展全球和区域多源海洋观测资料同化技术研究,突破耦合资料同化中海洋和大气之间的动力、热力平衡的关键技术问题,发展耦合模式框架下的参数估计和约束系统,研制具有业务化前景的高分辨率海洋模式的耦合同化系统,并开展MJO、IOD、ENSO和PDO等高影响海-气环境事件的综合评估和预测示范应用。     

海洋生态系统储碳过程的多尺度调控及其对全球变化的响应

海洋是地表系统中最大的碳库,在全球碳循环中起着举足轻重的作用,显著影响地球气候系统。生物泵和微型生物碳泵是海洋储碳的两个重要途径,其储碳效率在很大程度上决定了海洋和大气中的碳库变动,是碳增汇的关键过程。本项目目标是阐明海洋固碳过程和储碳机理,诠释海洋酸化对固碳和储碳的影响,建立古海洋沉积碳库变动与全球变化的关联,深入揭示海洋生态系统储碳过程的多尺度调控机理。项目将从现代生物地球化学过程入手,研究不同层级水平上海洋生态系统的固碳过程、储碳机制及其对海洋酸化的响应;并结合不同沉积系统近2000年来的碳库变动,以及工业革命以来高分辨率的海水温度、p H值和碳库记录,探讨海洋碳库变动对自然变化和人类活动的响应机制,阐明生物泵和微型生物碳泵储碳的调控机理。项目的实施将显著提升我国在海洋碳循环和储碳机制研究领域的国际地位,为我国制定应对气候变化和实施海洋碳增汇政策提供科技支撑。     

高温合金材料设计与制备的基础研究

高温合金具有高的室温和高温强度、优良的抗高温氧化和抗热腐蚀性能、优异的蠕变与疲劳抗力和良好的长期组织稳定性，广泛应用于航空、航天、能源、核工业、石化等领域，是国防武器装备和国民经济建设不可或缺的关键材料。经过多年的发展，我国已经初步建立了较为完善的高温合金体系，但在高温合金基础理论研究方面相对薄弱，导致高温合金制备加工中的一些关键技术问题无法取得突破性进展。本项目针对国家重大战略需求以及高温合金科研和生产中存在的技术瓶颈，以铸造、变形和粉末三类高温合金体系为载体，重点开展了高温合金成分设计及强韧化机理、纯净化冶炼及微量元素控制、凝固成形及缺陷控制、材料加工成形与组织性能调控、先进加工制备技术理论体系、苛刻环境下合金损伤机制、高温腐蚀与防护等基础性研究工作。在国内外学术期刊发表论文三百余篇，申请自主知识产权三十余项。