液体爆炸分散过程中界面破碎的实验研究

设计了一种有上下平面约束的液体爆炸分散装置, 通过阴影照相获得气液界面破碎形态变化的时间序列, 并应用平面激光诱导荧光(PLIF)得到了径向膨胀液体环内诱导的荧光照片. 采用二维图像处理、分形几何和数值模拟相结合的方法, 较系统地分析了实验结果. 最后, 讨论了液体环及其气液界面运动数学模型建立中的问题.     

侧壁作用下浮力反应射流的数值模拟

运用三维非定常直接数值模拟方法研究了近区浮力反应射流. 所考虑的物理问题是燃料射流垂直进入氧气环境进行燃烧化学反应, 对两个含有侧壁作用且具有不同喷嘴形状的算例进行了数值模拟: 一个为墙角/圆形射流, 另一个为墙角/方形射流. 数值计算表明: 浮力驱动下的反应射流自然演化生成大涡结构, 并在下游转变为湍流状态. 数值计算同时表明: 由于旋涡变形更为强烈, 墙角/圆形射流的卷吸作用大于墙角/方形射流的卷吸作用.     

湍流的相干结构

对湍流问题的研究在经历了一个多世纪之后,进步是有目共睹的,从完全随机到多尺度再到相干结构,这一主线基本上囊括了百年来对湍流问题的研究,特别是湍流模式在解决工程实际问题中所发挥的巨大作用.但是我们也应该认识到,至今湍流问题在理论上并没有得到完全解决.结构的概念在湍流问题中的提出大大推动和加深了研究者们对湍流的认识.     

中性大气边界层中风力机的湍流演化及叶根载荷分析

针对一台外场试验风电机组,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)耦合致动线模型的方法,构建了中性大气边界层和风力机风轮的气动耦合求解模型,模拟风力机在中性大气边界层中的流场.通过连续小波分析、频谱分析和相关性分析,研究了中性大气边界层中风力机前、后的湍流演化过程及其与叶根载荷的相关性.研究发现,自然来流从风轮前1D(D为风轮直径)处运动到后1D处时,大气中的湍流强度逐渐增大;在风轮平面处出现了较强的小尺度湍流结构,这些小尺度的湍流结构在向下游运动过程中不断耗散,并在风轮后1D处能量基本耗散殆尽;叶尖位置处的高频湍流出现频率约为1.82 Hz,此频率正好与叶片通过频率相对应.风力机的叶根挥舞载荷对大气中的湍流结构响应明显,低频湍流结构对叶根挥舞载荷的低频段影响显著,高频湍流结构对叶根挥舞载荷的高频段影响明显;叶尖高频湍流结构相对于叶根高频湍流结构,频率更高,能量更大,其对叶根挥舞载荷高频段的影响更为明显;同时,叶尖高频湍流与叶根挥舞载荷的高频部分表现出了一致的周期性变化规律.     

受损伴流湍流氢气射流火焰的直接数值模拟

采用直接数值模拟DNS的方法对受损伴流湍流氢气射流火焰进行了数值模拟, 采用16步的氢气燃烧详细化学反应机理, 冷的高速H₂/N₂燃料射流喷入热的低速伴随流, 伴随流由贫燃氢气预混火焰燃烧产生, 温度1045 K, 氧量较低. 化学反应源项由主程序在每一时间步长内动态调用CHEMKIN库函数获得. 计算采用消息传递MPI的并行计算方法, 采用12颗CPU在并行计算机上完成. 作为与实验对比的Faver平均结果由DNS瞬态结果做长时间的统计平均后获得. 火焰中涡结构的卷起以及发展过程均能很好地被捕捉, 可以观察到同旋向涡结构之间的相互吸引和反旋向涡结构之间的相互排斥过程, 伴随射流两侧涡结构彼此复杂的吸引、合并、挤压和撕裂过程, 湍流拟序结构由最初的轴对称模式开始向非对称模式演化. 流场中5.67 ms时刻瞬态的H, OH和H₂O分布, 表征了燃料射流自点燃过程中的详细火焰结构. 计算中获取的火焰抬升高度为9d ~ 11d, 与实验结果相吻合. 计算发现由OH和H粒子表征的火焰锋面中, 在火焰锋面转角位置, 燃烧过程得到强化, 可能与火焰面的拉伸以及较长的停留时间有关. 从湍流强度的分布曲线来看, 火焰的传播应该是从两侧向中心发展的. 这里的DNS结果可以作为今后发展更准确通用湍流燃烧模型的参考.     

岩石破裂断面的分维研究

地震的发生往往使岩石破裂形成断层面,其与地表交线称断层主迹线.一般认为它们具有分形结构,可用分维来定量描述断层线或断层面偏离直线或平面的复杂程度.     

能否发展关于湍流动力学和颗粒材料运动学的综合理论?

自然界和工程应用中遇到的流动绝大部分是湍流问题.湍流流动中包含了不同尺度的旋涡,如何准确地定义湍流仍十分困难,湍流动力学的理论体系仍尚未完成.颗粒流是固相颗粒以气相或液相为载体的流动,缺乏普适的本构方程,处理颗粒运动时无法将微观的颗粒尺度与宏观的流场尺度分开.本文介绍了湍流和颗粒流的基本特性、研究的理论和方法,分析了湍流和颗粒流研究所面临的挑战.     

一个新的考虑流线曲率修正的两方程湍流模式

自70年代前期Launder等基于唯象理论提出了广泛采用的K-ε两方程模式以来,湍流模式在解决自然界和工程实际中的流动问题发挥了重要作用.在可以预见的将来,两方程湍流模式在工程湍流计算中仍将继续扮演重要角色.Launder等人的模式人们通常称之为标准的K-ε两方程湍流模式,它适用于预测简单的各向同性湍流问题.为了使该模式能适用于复杂湍流如分离流的计算,人们对其进行了不同形式的修正.本文借鉴Leschziner与     

不可压湍流燃烧大涡模拟的分步投影方法

通过对Ma<<1的湍流燃烧过程物理现象的分析, 从数学和物理上讨论了低Ma数湍流燃烧的“不可压”性质, 在此基础上采用改进的不可压湍流燃烧数值模拟的分步投影方法对甲烷-空气平面射流扩散火焰进行了大涡模拟. 该方法不需对密度进行预估而是直接显式求得, 仅需对动量方程进行一次投影即可实现对N-S方程的显式求解, 计算量小, 求解效率高, 在Ma<<1的变密度有反应或无反应湍流流动的细观数值模拟中具有明显优势. 甲烷-空气的化学反应采用简化的四步反应机理模拟, 应用动态亚格子模式及动态相似模式分别模拟湍流流动的亚格子项及化学反应速率的亚格子项. 计算结果得到了射流扩散火焰中瞬态发展变化的涡运动以及涡-火焰相互作用的细节结构.     

表征孔隙及颗粒体积与尺度分布的两类岩土体分形模型

以Sierpinski垫片和Menger海绵模型为基础, 提出了由孔隙体积分形模型、颗粒体积分形模型及孔径或粒径分布分形模型组成的两大类岩土体分形模型, 指出了模型间的内在联系. 通过比较与分析, 发现该两类岩土体分形模型能将国内外岩土体分形模型统一起来, 从而形成了两类统一的模型. Katz对砂岩的实验结果表明砂岩的分形特性可采用第一类分形模型表示, 以软黏土微观孔隙数据为基础, 证明了软黏土满足第二类分形模型.     

混沌和分形的普适常数的物理意义

混沌吸引子普适常数包含哪些物理内容?或者说,分形维数的物理意义是什么?这是目前混沌与分形理论发展过程中人们关心的重要问题,因为这一问题的解决与建立混沌控制的理论框架和分形的动力学机制之间有直接联系.本文根据拓扑思想重建了一种能态动力学系统,并在该系统中能量“分级极值”结构的前提下,对混沌和分形的基本特征进行讨论,其结论是把混沌和分形的普适常数的物理意义归于“能级变化率”的概念.     

恒定横流中圆孔射流的分维特征

应用平面激光诱导荧光技术测量了在恒定横流中圆孔射流的分维数。研究了分给 和动量比的关系、分维数的变化和射流断面高程及稀释度的关系,比较了多孔射流和单孔射流的分维特性。     

湍流中的多态现象

湍流是自然界最普遍的流动现象之一,被称为是经典力学中最后的难题之一.经典的湍流理论都假设湍流是各态遍历的,也就是说虽然瞬时流场的性质可能受初始流场影响很大,但是其统计平均量却是不依赖于初始流场的.各态遍历理论是湍流理论与建模的基础.然而,近些年一些实验和数值模拟的结果表明:部分湍流问题里存在多湍流态现象,即在同一组参数下可能存在不唯一的统计结果和流动结构.本文回顾已经报道过多态现象的Rayleigh-Bénard对流(Rayleigh-Bénardconvection,RBC)、 vonKármán流动(vonKármánflow,VKF)、Taylor-Couette流动(Taylor-Couette flow, TCF)、球形Couette流动(spherical Couette flow, SCF)、Taylor-Green驱动下的旋转湍流(rotating homogeneous turbulence with Taylor-Green forcing, TGF)以及作者研究的展向旋转平板Couette流动(rotating plane Couette flows, RPCF).在每个问题上,都将一一介绍流动问题的定义、多态现象出现的条件、形态等.在这些多湍流态问题里,有一些流动是由于不同的初始流场引起的不同流态(例如VKF,TCF,SCF,TGF和RPCF);而另一些流动则是在同一种初始条件下,随着时间的推移,流动会在不同流态之间自发切换(例如RBC).最后,还对湍流中的多态问题展开一些讨论和展望.     

Pd/a-Ge双层膜中金属诱导晶化引起的分形

目前,分形的研究已成为国内外普遍关注的问题.对于金属/半导体二元薄膜体系,在金属诱导非晶半导体晶化的过程中,常常出现雪花状的分形结构.见诸文献的有关报道,多为没有化合物生成的金属、半导体共晶系统,例如Au/a-Ge(Si),Ag/a-Ge(Si)和Al/a-Ge(Si)等等.对于有化合物生成的金属/半导体薄膜体系,这种研究报道很少.段建中等曾在Pd/a-Si中发现了分形,分形出现的同时有多种硅化物产生.对于分形形成的机制,已建立了若干模型,其中扩散限制聚集(DLA)模型是很成功的,但DLA模型难以解释金属/半导体二元薄膜体系中分形的成因.吴自勤教授等根据薄膜体系中分形晶化的微观结构观测,提出了由温度场控制的随机逐次成核(RSN)模型,在解释薄膜的分形晶化时十分令人满意.为     

激波与湍流相互作用的实验研究

在超声速湍流混合层风洞中, 以NPLS技术为基础研究了激波与湍流的相互作用, 观察到了斜激波与湍流边界层的相互作用以及湍流混合层中的大涡对斜激波的影响. 所得到的NPLS实验图像不仅再现了复杂的流场结构, 而且不同图像之间还具有时间相关性. 在NPLS图像基础上探讨了激波与湍流相互作用的规律.     

分形几何在植物根系研究中的应用

非线性科学的分支——分形几何近年来发展迅速,它的应用几乎涉及到了自然科学的各个方面,甚至于社会科学.本文从简要介绍分形的基本原理入手,综述了分形几何在植物根系研究中的应用.     

Au/a-Ge双层膜分形晶化的TEM原位研究

对Au/a_Ge双层膜的分形晶化行为在透射电子显微镜 (TEM )中进行了原位观测 .实验证据表明 :分形生长过程中 ,潜热起着十分重要的作用 ,分形枝权的延伸发展 ,是沿着富Ge区连续晶化的结果 .Au ,Ge原子的短程互扩散也同时存在 ,但Au晶粒的聚集 ,抑制了a_Ge向分形区中的p_Ge团簇的扩散 .TEM原位观测的实验事实 ,可以用随机逐次成核 (RSN)模型予以阐明 ,但不排除扩散对分形形成的影响 ,两种机制同时作用于薄膜中的分形晶化 ,可能是分形形成的本质特征     

聚焦电子束诱导SiO_x纳米线表面碳沉积的分形生长

电子束诱导沉积技术已被证实可以实现各种材料的分形生长,但是目前尚未发现聚焦电子束辐照下低维纳米结构表面未受辐照位置的分形生长现象,造成了聚焦电子束诱导分形生长机理研究的空白与片面性.以透射电子显微镜中残留的有机气体分子为前驱体,室温下利用高能聚焦电子束辐照,研究了一维非晶SiOx纳米线表面未受辐照位置碳沉积的分形生长.利用高分辨透射电子显微镜对SiOx纳米线表面非晶碳的沉积过程进行原位观察,发现了SiOx纳米线表面未受辐照位置非晶碳的不均匀沉积及分形生长,并捕捉到了碳沉积分形生长过程的细节.同时对聚焦电子束诱导SiOx纳米线表面未受辐照位置非晶碳的不均匀沉积及分形生长机理进行了深入的探索.     

冬小麦根系形态的分形特征

根系的分枝习性与发育状况构成了一个非规整的复杂形体,在欧氏几何中一直被认为是无序分生结构,难以定量测量.Mandelbrot引入分形概念来描述那些在一定尺度范围具有自相似结构特征的不规整形体,用分形维定义形体的尺度特性.因此,应用分形理论于根系研究,可以加深对根系几何形态性质的认识,提高定量描述根系统形态参数的可靠性.本文提出了表征根系分形特征的数学模型,并应用模型分析了冬小麦根系形态的分形特征.     

金属沿晶断裂表面分维的随机分形研究

近年来,分形几何方法广泛应用于材料断口的定量分析.在材料断裂的理论分析中,分形几何方法也有应用.龙期威提出了金属沿晶断裂的裂纹“∧”形扩展的分形模型.苏辉讨论了晶角θ变化对分形维数的影响.然而,文献[7]在假设θ服从[θ_1,θ_2]上的均匀分布时,却导出“∧”形相似比在[1/2sin(θ_2/2),1/2sin(θ_1/2)]上服从均匀分布的错误推论.本文用随机分形与数值积分方法,分别计算并分析了θ取均匀分布和Gauss分布的分形维.