对流作用下枝晶生长行为的数值模拟

应用一个二维的改进元胞自动机(modified cellular automaton, MCA)－传输耦合模型, 对流场作用下枝晶的非对称生长行为进行了模拟研究. 模型采用MCA技术模拟枝晶的生长, 同时采用一个传输模型对流场和由对流和扩散所控制的质量传输进行数值求解. MCA考虑了热过冷、成分过冷和曲率过冷对枝晶生长的作用, 也考虑了枝晶的择优生长方向和凝固过程中的溶质再分配. 在传输模型中, 采用SIMPLE算法求解动量和质量传输的控制方程. 应用该模型模拟研究了Al-3% Cu(质量分数)合金中单枝晶和多枝晶在不同流动方向的流体作用下的生长规律. 模拟结果表明, 金属液对流对枝晶的生长形貌产生重要的影响.     

超临界CO2在制备PCL/水杨酸甲酯控释体系中的应用研究

本文利用超临界二氧化碳（SCCO2）对生物可降解材料--聚己内酯（PCL）进行溶胀和塑化,进而将其作为携带剂,将水杨酸甲酯嵌入到PCL中,制备含有水杨酸甲酯的PCL多孔材料,即PCL/水杨酸甲酯控释体系,并研究超临界流体条件下水杨酸甲酯的插嵌规律.研究结果表明,PCL对水杨酸甲酯有很好的吸附能力,通过测定所制备的多孔材料PCL/水杨酸甲酯体系的缓释行为,表明其多孔结构对药物分子具有一定的缓释功能,药物分子释放时间最长可达18 h以上.     

超临界CO2池式换热实验与数值模拟研究

超临界传热已进行了广泛研究,但对其现象及机理的认识仍不充分,本文研究了超临界二氧化碳(supercritical,sCO₂)池式传热.实验以长度为22 mm和直径为70 μm铂丝为加热和测温元件,容器压力为8～10 MPa,加热丝热流密度范围为0～1800 kW/m²,显著高于文献中的参数范围.采用变物性层流模型进行流固耦合数值模拟,加热丝附近采用了多尺度网格技术,数值模拟与实验结果吻合良好.发现传热系数h随热流密度q_w的变化呈S形曲线,将h-q_w曲线划分成三个区域.在类临界温度前,因瑞利数Ra随q_w增大而增大,h随q_w增大而增大;当铂丝温度开始超过类临界温度后,由于超临界流体回流效应增强,h继续增大直到获得最大值.随后,由于近壁区类气膜热阻增大,h随q_w增大而减小直到获得极小值.在超过h极小值点后,由于高温下超临界流体导热系数随温度增大而增大,随q_w增大h回复到增大趋势.本文获得了全参数范围内传热系数与热流密度...     

固体火箭喷管烧蚀控制机制的判别

固体火箭喷管喉衬材料的烧蚀是化学反应与传热、传质相耦合的过程．基于气动热力学、热化学动力学和传热学,建立了热化学烧蚀模型;并对H2含量、频率因子、活化能引起喷管内热流场与化学烧蚀的变化进行了数值模拟．计算结果表明：在高温高压燃烧环境下,H2频率因子与活化能的变化引起烧蚀机制的改变,但H2频率因子的变化影响并不明显;固体火箭喷管烧蚀控制机制的判别应由喷管内燃气中H2的含量与烧蚀环境下H2活化能来决定．该研究结果为固体火箭的热防护设计提供参考．     

应用超临界流体技术制备聚苯胺/聚氨酯导电复合材料

采用超临界流体技术和原位聚合法合成了聚苯胺-聚氨酯导电复合材料.本法由超临界流体插嵌技术向聚氨酯基体树脂中引入苯胺单体和后期的氧化掺杂技术组成,扫描电镜、电导率测定和热重TGA实验都显示了导电复合物的合成,并且在低压条件下制备得到的产品具有更高的电导性能.总体上复合材料的电导率在10-4～10-3S/cm范围.     

模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法

主要目的是概述用于模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法.该方法可同时模拟近域介质材料的复杂性和远域介质的无限延伸性.以描述二维和三维弹性和粘弹性固体介质中的波动方程为基础,推导了动力无穷元的质量矩阵和刚度矩阵.所建立的二维动力无穷元模型可同时模拟P波和SV波在该单元中的传播;而所建立的三维动力无穷元模型则可同时模拟P波,S波和Rayleigh波在该单元中的传播.有关计算结果表明:有限元与动力无穷元耦合方法既可从物理概念上、又可从数值方法上较为精确地模拟波在弹性和粘弹性固体无限域中的传播,为解决在科学研究和工程实践中所涉及到的无限域问题提供了一种先进的科学研究工具.     

超临界流体沉积技术在材料颗粒制备中的应用

超临界流体沉积技术是一项用于制备超细微粒的新技术.文中介绍了超临界溶液快速膨胀法,超临界流体抗溶剂沉淀法,压缩抗溶剂等方法在材料颗粒制备中的研究和应用,并对超临界流体技术进一步在纳米材料的制备进行了展望.     

基于预测-矫正技术的超临界流体强迫对流传热能力预测方法

拟临界区剧烈变物性导致超临界流体强迫对流传热特性规律复杂.已有超临界流体传热关联式的预测能力和应用范围难以同时改善.借鉴亚临界两(多)相流分流型预测传热能力的思路,本文尝试提出了基于预测-矫正技术的超临界流体传热能力预测方法.该方法的基础包括可合理表征浮升力效应和流动加速效应强度的无量纲数Bu和Ac,以及一套完善的超临界流体对流传热关联.通过超临界二氧化碳强迫对流传热实验研究,获得了传热数据库(3696组数据),建立了一套(10个)超临界二氧化碳强迫对流传热关联式,并对新建立的传热关联式和新提出的预测-矫正预测方法进行了评价.结果表明预测-矫正计算方法可大幅提高加热段壁面温度预测精度,并有效纠正单一传热关联式预测时出现的粗大偏差.     

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.     

定向凝固界面形态演化及其稳定性的相场法研究

采用B—S相场模型研究了二元合金定向凝固过程中抽拉速度和温度梯度两种凝固参数对界面形态演化、溶质分布、溶质截留及界面稳定性的影响．模拟结果再现了随抽拉速度和温度梯度的变化凝固界面形态发生深胞→浅胞→平界面的演化过程，比较了不同抽拉速度和不同温度梯度下一次间距、沟槽深度以及有效溶质分配系数等参数，预测了高抽拉速度和高温度梯度条件下的绝对稳定性，模拟结果与M—S稳定性理论吻合良好．