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关键词： 非水相泡沫   层状液晶   表面张力   体相黏度  

摘要： 非水相泡沫在食品,油气田开发以及多孔材料等领域有着广泛的应用。然而,非水相发泡的难度和极差的稳定性,制约着相关工程作业的发展。表面活性聚集体由于其高有序性,高密度的特性在泡沫领域中得到广泛关注。因此,本文以SDS、SDBS为主剂,甲酰胺、癸醇、甘油为非水相,制备不同体系的表面活性聚集体,并在非水相溶剂中进行起泡实验,探讨表面活性聚集体对非水相泡沫形成的影响,得出以下结论:1、表面活性聚集体的制备。(1)在SDS/癸醇/甲酰胺相图中,可形成一个癸醇含量较高的聚集体相区,在SDS/癸醇/甘油相图中,聚集体相区为一个靠近甘油角的窄长区域,而在SDBS/癸醇/甲酰胺相图中,聚集体相区为一个向甲酰胺角大幅度伸展的区域;(2)偏光显微镜研究表明,表面活性聚集体均表现为典型的层状液晶偏光织构;(3)流变学研究表明,层状液晶属于非牛顿流体,有屈服值,剪切-稀释及弹性体流变行为,并且SDS或SDBS的含量越高,临界应力越大,层状液晶的结构越稳定。2、非水相的泡沫性能。(1)起泡性方面,在SDS/癸醇/甲酰胺体系与SDBS/癸醇/甲酰胺体系中,甲酰胺泡沫性能优于癸醇泡沫性能,甲酰胺泡沫最大含气率分别为80.24%、75.49%,癸醇泡沫最大含气率分别为70.93%、55.75%;SDS/癸醇/甘油体系非水相起泡性较差,甘油发泡体积为14～18.9 m L,癸醇发泡体积为3～7 m L;(2)稳定性方面,泡沫半衰期随层状液晶含量的增加而增加。当层状液晶含量为60%时,在SDS/癸醇/甲酰胺体系与SDBS/癸醇/甲酰胺体系中,甲酰胺泡沫半衰期分别可达6 h 54 min、8 h 36 min,癸醇泡沫半衰期可达150 min、174 min,而在SDS/癸醇/甘油体中,当层状液晶含量为60%时,甘油泡沫半衰期可达76 h,癸醇泡沫半衰期可达18 h 13 min。3、表面活性聚集体对非水相泡沫形成的影响归因于层状液晶相。(1)层状液晶相可吸附在气-液界面表现出良好的表面活性,降低非水相的表面张力;(2)层状液晶相可提高非水相的体相粘度,延缓了液膜间的排液,并且体相黏度的提高增强了液膜强度与刚性,降低了聚并与粗化现象的发生;(3)层状液晶相在Plateau通道富集,表面压增加,加强了Gibbs-Marangoni效应,使形成的气泡得以稳定,有利于泡沫的形成。

关键词： 微力传感器   固-液动态耦合   表面张力   弯曲和失稳   尺度效应  

摘要： 微力传感器是研究微尺度材料力学性能、表征微尺度结构动态液-固耦合作用力的关键实验装置之一。目前尚无价格低廉、精度高、量程宽的商用微牛级力传感器及相关测试分析系统。本文基于扭秤原理研制了一套分辨力在微牛量级的力与位移自动测试装置,应用该装置对浸润物体的表面张力和微梁的弯曲与失稳尺度效应进行了实验研究。本文的主要研究工作如下:(1)基于扭秤原理研制了一套微牛级力与位移测量系统。该系统包含微力传感器、直线电机、试样平台和基于Lab VIEW语言开发的测控软件。微力传感器的测量分辨力为0.035μN,测力范围为0.1～70000μN,位移测量精度为0.1μm。设计了多种加载方法,以满足不同实验的需求。(2)对仿水黾腿部细长圆柱体压入水面过程和水面上两圆盘间相互吸引或排斥的现象(“麦圈效应”)进行了实验研究。在细长圆柱体压入水面实验研究中,制备了超疏水二氧化硅混合液,试样喷涂混合液后,涂层的表面接触角可达158°。测量得到0.2～1.0 mm直径细长圆柱体喷涂二氧化硅超疏水涂层前后压入水面过程的表面张力-入水深度(F-h)曲线。研究发现当细长圆柱体直径从1.0 mm减小到0.2 mm时,单位体积表面张力F/V增加为原来的14倍以上。在“麦圈效应”实验研究中,用尼龙12材料3D打印制作了7种不同尺寸(半径6～12 mm)的圆盘。测量得到7组圆盘在分离过程中的表面张力-位移(F-D)曲线。研究表明圆盘间表面张力随半径增大而增大,随位移增大而减小。随着圆盘压入水面深度的增加,表面张力先减小后增大。(3)对微梁的弯曲和失稳过程尺度效应进行了实验研究。分别测量了镍微梁弯曲和失稳过程中的载荷-挠度(F-δ)曲线。在弯曲实验中发现,随着微梁厚度从100μm减小到5μm,其等效刚度增加为原来的5.3倍,存在明显的尺度效应。在微梁的失稳实验过程中,观察到了轴心失稳和偏心失稳两种失稳形式,发现3μm和5μm厚度镍微梁的临界失稳载荷是经典临界欧拉力的2.7倍以上。

关键词： 压气机静子   封严泄漏   容腔优化   尺寸效应   流场结构   流动损失  

摘要： 发动机转静子之间的封严泄漏问题是影响发动机性能的重要因素,先进的封严技术成为众多学者的研究热点。以某七级轴流压气机第二级静子为研究对象,采用数值模拟方法开展了基于静子上游容腔优化设计的平面叶栅泄漏特性研究。对比分析了有无肋片结构的流场结构、总压损失及叶片载荷,研究了进气攻角及进气马赫数变化对增加肋片结构后的流动影响。研究发现,增加肋片后,进入上游容腔的通道二次流减少,通道二次流的发展变得复杂,泄漏流流出上游容腔后贴近下壁面流动;出口总压损失下降4.53%,叶根处叶片载荷增大,叶根角区流场恶化得到缓解。随进气攻角增大,泄漏流在通道内的影响范围逐渐增大,发生流动分离的位置也逐渐靠前,正攻角时低能流在叶根处堆积,流场性能恶化。进气马赫数增加时,泄漏流发生分离的位置逐渐提前,25%截面总压损失逐渐下降,100%截面总压损失逐渐增大,马赫数增大到0.7,叶片前缘附近出现局部激波。为了解肋片结构的尺寸效应,采用正交设计方法研究了肋片与上游容腔出口距离d,肋片高度h,肋片底宽w,肋片顶宽t及肋片倾角α五个尺寸参数对封严效果的影响。就总压损失系数而言,各尺寸参数影响主次为:h>α>d>t>w,h影响高度显著,α影响显著,其它参数影响不显著;就泄漏流量而言,各尺寸参数影响主次为:α>t>d>h>w,α影响显著,其它参数影响不显著。肋片尺寸参数最优组合为:d=1.9mm、h=5.5mm、w=0.85mm、t=1.15mm及α=10°,较无肋片结构叶栅出口截面总压损失系数下降4.36%,泄漏流量下降64.28%。随着肋片高度或肋片倾角增加,各S3截面的总压损失系数逐渐下降,泄漏流量占比也逐渐下降。从开槽处理,倒圆处理,堆叠结构三个方向对上游容腔结构进行了改型设计。开槽处理可破坏流动连续性,且开槽位置对流动性能的影响较大,容腔右侧端壁开槽时叶栅出口截面总压损失系数下降0.114%,综合来看,开槽处理方案封严性能提升效果不明显。倒圆处理可改变容腔内的流场结构,容腔右侧端壁拐角处倒圆角的效果较好,可使叶栅出口截面的总压损失系数下降0.395%。堆叠结构中各截面总压损失系数均降低,流场结构发生变化,流动性能得到明显改善,三角形堆叠结构及弧形拐角堆叠结构中叶栅出口截面的总压损失系数下降分别为2.72%和3.11%。

关键词： 表面张力   Gurtin-Murdoch理论   椭圆柱压头   椭球压头   解析解  

摘要： 表面效应通常在材料的机械性能实验测量中发挥重要作用,薄膜的表面变形对压痕实验的结果有着显著的影响,因此研究薄膜的表面张力对表面变形的影响至关重要.在本文中,运用Gurtin-Murdoch的表面弹性理论解释表面对弹性层-基材系统的压痕行为的影响.结合克尔模型和Gurtin-Murdoch理论,推导出压痕力-位移关系的解析表达式.本文主要研究内容如下:（1）研究了粘合在刚性基板上的弹性层的平面应变压痕.对不同椭圆柱压头的压痕试验进行了分析和比较,通过有限元模拟验证了理论解决方案的正确性.还检查了表面效应对压头形状的依赖性,即其椭圆长轴和短轴之间的比率.此项工作不仅有助于理解软材料压痕行为的尺寸效应,而且为机械测量测试的设计提供了指导;（2）理论上研究了轴对称压头与弹性层的压痕,考虑了弹性层与刚性基底为滑动边界条件和粘接边界条件的两种情况.通过引入了轴对称椭球压头检查了表面效应对压头形状的依赖性,并用有限元数值模拟进行了验证;（3）从理论上研究了圆柱压头作用下具表面张力弹性梁的平面应变压痕问题.采用Kerr方法将应力函数展开为薄膜厚度的幂级数,结合边界条件得到对称分布式载荷作用下的表面压力分布和法向挠度之间的微分表达式.通过贝蒂互斥定理建立了接触区尺寸、压痕深度、测量力的解析关系.这项工作有助于理解微尺度材料压痕行为中的表面张力效应,为机械性能压痕测试技术提供参考.

关键词： 深度学习   密度泛函理论   分子动力学   钙钛矿   缺陷效应  

摘要： 钙钛矿具有吸光效率高、载流子迁移距离长等优点,是一种具有发展潜力的光伏材料,它的大规模应用可以有效解决化石燃料的大量使用而造成的环境污染和能源危机问题,但是钙钛矿材料稳定性较差是制约其工业应用的主要因素。虽然在高温和缺陷下的失稳已有相关报道,但是多是现象层面的研究,其内在的失稳机制仍不清晰。因此明确钙钛矿材料生产制备中的缺陷对稳定性的影响机制具有重要意义。针对钙钛矿材料的缺陷问题,本文结合密度泛函理论和深度学习两种方法,构建基于深度学习的势函数模型,以CsPbI和CsPbBr两种典型的无机钙钛矿材料为例,采用一种全新的深度势能分子动力学方法从理论上计算了它们在不同温度和缺陷条件下的原子扩散和结构变化。同时,采用实验方法研究它们在高温下的失稳机制,并验证深度学习势函数的准确性。基于此理论和实验研究揭示钙钛矿材料的缺陷失稳机制,为提升钙钛矿材料稳定性提供理论指导。首先,对CsPbI和CsPbBr原子位置和晶格常数进行随机扰动,分别产生4800和3600个初始构型,并对其进行200 ps的第一性原理分子动力学模拟,截取其中50%的结构作为深度学习建模的训练集。然后通过深度神经网络拟合,得到CsPbI和CsPbBr的深度势能模型。随后,与第一性原理和经典势函数对比验证其精度和效率。最后采用这两个深度势模型分别对CsPbI和CsPbBr在300-1300 K下的16种完美晶格模型以及1200 K下的96种缺陷晶格模型进行深度势能分子动力学模拟。本文通过大量的分子动力学模拟,分别研究了体系大小对模拟结果的影响、完美晶格在高温下的失稳机制以及不同缺陷种类和缺陷浓度对其稳定性的影响。同时采用的实验手段,研究CsPbI和CsPbBr在高温下的稳定性,以此与模拟结果对比。结果表明,至少需要3600原子和0.25 ns才能得到精确的模拟结果。通过CsPbI和CsPbBr不同温度下均方位移、径向分布函数和X射线衍射的分析,得知无缺陷晶格CsPbI和CsPbBr的失稳温度分别为1160 K和1180 K。CsPbI在高温下的失稳主要是由Pb-I键的断裂以及Cs原子和I原子扩散导致的。CsPbBr在高温下的失稳则主要是由Pb-Br键的断裂和Br原子扩散导致的。通过高温下Cs原子和Pb原子配位数分析,得知CsPbI和CsPbBr最终的分解产物分别为Cs I、Pb I和Cs Br、Pb Br。对缺陷效应的模拟得知,随着缺陷浓度的增加,CsPbI和CsPbBr的热稳定性在下降。体相缺陷中,Cs原子缺陷对CsPbI和CsPbBr稳定性影响最大。当Cs原子缺陷浓度小于0.32%时,不会对CsPbI稳定性产生影响,而Pb原子缺陷和I原子缺陷对应的该临界浓度值则为0.96%。CsPbBr中Cs原子、Pb原子和Br原子缺陷对应的临界浓度值则为0.96%、0.96%和2.5%。表面缺陷中,I原子缺陷对CsPbI稳定性影响最小,Br原子缺陷对CsPbBr稳定性影响最小,实验结果表明,CsPbI在605 K会发生一次相变,而CsPbBr会分别在340 K和415 K发生两次相变。CsPbI和CsPbBr的失稳温度分别为706 K和854 K,这分别与缺陷效应模拟结果中缺陷浓度为9%和6%模型的失稳温度一致。二者在完全分解之前均会先经历熔融态,最终的分解产物分别为Cs I、Pb I和Cs Br、Pb Br。实验结果与模拟结果均一致,验证了模拟结果的准确性。

关键词： 客流动线轨迹   轨迹特征提取   多标签分类   深度学习  

摘要： 室内移动对象的动线表示的是人在室内外移动的点连接起来所形成的流线,通常用一段时间范围内某移动对象的室内空间位置变化来表示。本世纪以来,随着航天技术、传感技术和信息网络技术的发展使得定位技术逐步成熟。目前,在室外空间形成了以卫星定位为主的导航技术,如:GPS、北斗导航等;在室内空间则主要依靠传感器和网络技术,如RFID、Wi-Fi和蓝牙技术等。近年,随着室内定位技术的发展,室内交通客流轨迹不再是黑箱研究,能够使人们从室内移动对象轨迹数据中分析和挖掘出满足各类商业活动组织者及管理者的需求信息,如移动对象轨迹预测、室内空间布局优化以及室内交通流拥堵缓解等。但目前交通研究领域的主要关注点仍以室外交通载具的轨迹研究为主,室内的移动对象轨迹分析还处于起步阶段,存在许多科学问题和技术瓶颈亟待解决。因此,本文以室内移动对象为主体,研究其运动轨迹数据,并进行分析建模研究。首先,本文在真实的室内商业环境部属了RFID传感定位设备,收集了大量且详细的移动对象在室内的移动轨迹数据。然后,将移动对象的轨迹信息与其实际商业活动信息相结合,提出带注意力机制的深度学习方法对实验对象进行建模,挖掘移动对象在室内活动的特征,并对结果进行可视化展示和分析。发现移动对象室内活动特征,辅助经济活动决策。本文的主要工作和贡献可总结为以下两点:(1)在一个真实的室内环境中部属了RFID定位设备,收集了详细的室内移动对象动线轨迹数据信息。首先,根据真实的室内环境和收集到的移动轨迹信息,将室内移动对象和其经过的位置进行关联,以时间为序进行连接获得移动对象的动线轨迹信息。其次,为了体现动线轨迹中不能体现的行为信息,将移动对象的轨迹信息和其在室内环境中的商业活动进行关联。如,某对象在某一区域折返多次并停留浏览了某类物品。最后,利用动线轨迹信息和与其关联的活动信息对移动对象进行多标签分类,以挖掘移动对象在动线轨迹活动的特征,并对其结果进行可视化和分析。(2)提出了一种基于序列到序列的多标签分类模型。首先,给出了轨迹数据预处理方法,设计移动对象动线轨迹的特征提取方案获取轨迹特征信息,并从轨迹数据中提取停留时间、往返次数等行为特征。根据某段时间内在室内空间的活动次数,依时间先后构造序列输入变量数据集,并通过序列模型进行多标签分类,该模型在编码和解码中使用了注意力机制来追踪时序输入信息进行全局信息交互,并利用IC-MLP模块传递局部细粒度信息。最后,实验结果与经典的多标签分类模型进行比较,验证了该方法的有效性。

关键词： 合金团簇   Gupta势   全局优化   算法改进  

摘要： 纳米合金团簇因其卓越的性能而被广泛运用于生物医疗、纳米器械、工业催化等众多领域。作为当下一项十分热门的研究,要了解团簇性能,通常采用的是实验试错法并进行结构表征,但纯粹的实验研究耗时费力、成本极高。因此,团簇结构的理论研究应运而生,为实验提供了有力支撑,将理论研究作为指导实验而得出的团簇结构通常是可靠的。通过算法模拟,不仅可以实现高效,还能有效节省经费,目前已被大量用于对团簇结构的研究当中。但是,理论研究目前还存在两大难题:其一是如何能在大量的局部最小值中寻找到真正的全局最小值,而不落入局部最小值的陷阱之中;其二是当前研究主要集中在小尺寸团簇范围,而对大尺寸团簇的优化十分困难,不管是成功率还是效率都十分低下。本文通过结合Gupta势函数和AIOA算法进行了以下研究:1、运用多体Gupta势函数对Co基Ag和Au掺杂团簇中的原子间相互作用进行了描述,并用AIOA算法进行几何优化,研究了Co-Ag和Co-Au团簇的稳定结构。结果显示Co-Ag和Co-Au团簇均具有核/壳形态的结构特征。其中,Au原子和Co原子分层现象明显,Au原子占据外层,Co原子位于内层。但不同于Co-Ag团簇中Ag原子优先占据二十面体顶点的情况,Au原子更趋向于以相互连接的方式分布到外层。2、使用改进的AIOA-IC-ILS算法优化了三种不同参数下Cu-Pd团簇的最稳定结构。计算基于多体Gupta势函数描述Cu-Pd团簇原子间相互作用力。计算结果显示对于38原子的团簇,三种不同的参数结构差异明显。参数I的Cu-Pd团簇稳定结构类型可分为面心立方截角八面体结构和部分二十面体结构。参数II的团簇稳定结构类型可分为面心立方截角八面体结构和六折叠饼状结构。而参数III的主要构型为无定型结构。3、在基于内核构建的自适应免疫优化算法(AIOA-IC)中加入了拉伸/压缩操作(LP),并结合二元动态格点搜索(BDLS),提出了一种高效的二元团簇优化方法AIOA-IC-LP。该改进算法成功运用于BLJ团簇的优化,结果证明了该方法是有效的。另一方面,利用Gupta势来描述Cu-Au团簇能量,对部分具体代表性的147原子Cu-Au团簇的稳定结构进行研究,结果均为Mackay二十面体结构。总之,该方法可以普遍用于二元团簇的全局优化。

关键词： 陆相含油气盆地   河西走廊   分支河流体系   河流沉积   沉积模式  

摘要： 分支河流体系(Distributive Fluvial System,简称DFS)是描述河流从某一顶点开始进入盆地并呈放射状展布的河道体系。本论文采取多学科相结合的手段,通过运用Google Earth、Global Mapper和Arc Map等遥感图像处理软件以及DEM数据等对河西走廊盆地周缘的249个DFS几何形态参数进行测量与统计,建立了DFS源汇体系的定量数据库。根据河西走廊盆地特殊的盆山耦合构造特征将研究区自东向西分为武威盆地、张掖-民乐盆地、酒东盆地、酒西盆地与花海-金塔盆地5个区域,对各区域DFS发育的河道样式与沉积特征进行了归纳总结,对DFS几何形态参数的相关性进行了定量分析,对造成不同区域DFS几何形态差异与河道样式差异进行了探讨。利用区域对比的方法对比各研究区内DFS的发育规模与特征,总结了河西走廊盆地内DFS的3种河道分布样式和沉积模式。不同区域DFS半径、坡度、面积等几何形态参数有较大差异,在DFS不同位置河道类型也存在很大差异。河西走廊盆地主要发育分汊状辫状河道、单辫状河道以及辫状河转为曲流河等3种河道样式。根据河西走廊盆地内DFS的几何形态参数的相关性分析显示,DFS半径随着高差的增大而增大呈现正相关性;DFS面积随着DFS半径的增大而增大呈现正相关性;DFS半径随着坡度的增大而减小呈现负相关性;DFS面积随着汇水面积的增大而增大呈现正相关性。河西走廊盆地周缘发育的DFS在平面上具有3种河道分布样式:(1)酒东型DFS具有期次性,随着进积作用的继续,DFS顶点会顺着下游方向移动;(2)武威型DFS也叫扇间DFS,DFS末端汇入的小型轴向河流作为大型DFS的边界;(3)张掖-民乐型DFS发育具有阶梯性,在地质构造频繁的地区,DFS末端会被构造隆起阻碍改变河流方向形成汇流,汇流穿过构造隆起携带一些细粒及粗粒沉积物在下一盆地阶梯形成新一级的DFS。河西走廊盆地内发育的DFS可分为3个相带:近端、中部和远端。粗粒的沉积物在DFS近端卸载沉积,河道宽度、河道带宽度和地形坡度较大;随着地形坡度的减小,河道规模向下游减小,更多的细粒沉积物在中部沉积,河道的弯曲度变大,河道宽度也随之减小;在DFS远端,河道宽度、河道带宽度和地形坡度继续变小,河道弯曲度增大,河道在远端会逐渐转为曲流河,末端河流终止于沼泽、沙丘和盐湖。DFS几何形态和发育规律的影响因素表明,DFS走向与盆地构造走向一致,构造作用强烈的地区DFS河道样式主要为单辫状分汊河道;抗侵蚀风化能力差的母岩区域DFS发育规模更大;不同气候和水文条件地区DFS发育样式不同,气候湿润,降雨量大的地区DFS河道发育更为广泛,植被覆盖较广,物源区有积雪覆盖的干旱地区DFS发育规模更大。

关键词： spin-1玻色-爱因斯坦凝聚   卡门涡街   无核涡街   反铁磁相互作用   二次塞曼效应  

摘要： 玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate,简称BEC)是指所有原子的量子态都聚集于一个单一的量子态的状态。自从实验上实现以来,BEC就为超流体中量子化涡旋提供了一个清洁且可精确调控的研究平台。卡门涡街是指在一定条件下的定常来流绕过某些物体时,物体两侧会周期性地脱落出旋转方向相反、排列规则的双列线涡。寻找BEC中的卡门涡街对于深刻理解经典流体与超流体之间的关系有重要意义。物理学家相继在标量BEC、双分量BEC以及自旋轨道耦合BEC中通过数值模拟发现了卡门涡街。在spin-1 BEC这样的多组分系统中,外部和内部自由度之间的相互作用使得基态和动力学呈现出一系列更加丰富的量子现象,引起了物理学家的广泛关注和研究。然而,关于spin-1 BEC中卡门涡街的相关报道仍然很少。基于此,本文围绕“spin-1 BEC中的卡门涡街”展开研究。对于spin-1 BEC系统中卡门涡街及其动力学的研究,一般来说,基于平均场近似,可以用三分量的耦合Gross-Pitaevskii(GP)方程组来描述该系统的动力学性质。本文通过对耦合GP方程组进行数值模拟,分别研究了反铁磁spin-1 BEC中移动障碍势的涡旋脱落现象以及三分量BEC中二次塞曼效应对卡门涡街的影响。没有磁场时,用虚时演化法计算出反铁磁spin-1 Na BEC系统的基态,并将基态作为初态,在周期性边界条件下,利用时间劈裂Fourier谱方法进行动力学演化。而考虑二次塞曼效应时,选择耦合GP方程组的一组定态解作为初态进行动力学演化,同样选取spin-1 Na BEC系统进行数值模拟。数值模拟的结果表明,在反铁磁spin-1 Na BEC中,两个组分中出现了无核涡旋模式的不同组合,如无核涡街与无核V字形涡旋对的组合、无核涡街与无核涡街的组合等。涡街的稳定性条件小于经典流体中涡街的稳定性条件。量子化涡旋与密度峰结构都会对障碍势产生拖拽力,由密度峰结构引起的拖拽力很小,且与涡旋引起的拖拽力方向相反。当考虑二次塞曼效应时,由于初态选取的不同,在spin-1 Na BEC的三个组分中均察到了卡门涡街。随着二次塞曼效应的增强,卡门涡街出现的参数区域逐渐减小,说明二次塞曼效应会抑制涡街的产生。同时,二次塞曼效应增强时,涡旋的尺寸也将变小,且涡街的产生将需要障碍势具有更大的速度或者直径。