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关键词： 含铬高钛型高炉渣   表面张力   粘度   炉渣结构  

摘要： 钒钛磁铁矿是一种含有铁、钛、钒等有益元素的复合矿,其大量地分布在我国的攀枝花-西昌地区、河北承德以及安徽马鞍山地区。根据钒钛磁铁矿矿石中CrO含量的高低,通常将钒钛磁铁矿划分为高铬型钒钛磁铁矿和普通型钒钛磁铁矿。位于我国攀西地区的红铬矿由于矿石中CrO含量较高,属于高铬型钒钛磁铁矿。红铬矿矿石储量高达1.8×10t,但是却迟迟未能得到很好地开发利用,主要原因是红铬矿在高炉中冶炼势必会增加炉渣中CrO含量,对造渣及后续提钒过程产生影响。本文通过理论计算和实验分析相结合的方式对在不同CrO含量下炉渣的表面张力以及不同CrO含量、不同AlO含量和不同“Mg O/CaO”下含铬高钛型高炉渣的物相结构及粘流性质进行了研究,得出了以下结论:(1)CrO对炉渣表面张力影响的研究:随着渣中CrO含量的增加,CaO-Si O-9.25wt.%Mg O-14.7wt.%AlO-22wt.%Ti O-CrO渣系的表面张力逐渐增加。这是由于熔渣组分CrO在1500℃的表面张力最大而Si O的表面张力最小,因此,随着炉渣中CrO含量的增加以及Si O2含量的减少,实验渣样的表面张力逐渐增加。同时,随着炉渣中CrO含量的增加,Cr被氧化形成了Cr O,生成的Cr O的静电势比O的静电势小很多,因此熔渣中阴离子和金属阳离子之间的键能较小,导致阴离子被排斥,游离到熔渣表面层,随后发生吸附,从而导致熔渣表面张力的增加。(2)炉渣物相结晶计算:在含铬高钛型高炉渣结晶过程中先后有钙钛矿相、尖晶石相、橄榄石相、钙长石相、单斜辉石相析出。随着渣中CrO含量的提高,1500℃下尖晶石相析出量增加,钙钛矿相析出温度先下降后上升;随着AlO含量的增加,尖晶石相的析出温度上升,钙钛矿相的析出温度下降;随着“Mg O/CaO”的上升,尖晶石相的析出温度上升,钙钛矿相的析出温度下降。(3)炉渣粘流性质研究:1)随着渣中CrO含量的增加,炉渣粘度呈先下降后上升趋势。当CrO含量在0-0.5wt.%之间时,随着CrO含量的增加,渣中Si O含量减少从而导致粘度下降。当CrO含量在0.5-3wt.%之间时,渣样粘度上升,这是因为CrO在碱性较强条件下,表现出酸性氧化物性质,能够聚合炉渣结构。渣样的熔化性温度先下降后上升。为了让炉渣具有较好的流动性和热稳定性,渣中CrO的含量不宜超过0.5wt.%。2)随着渣中AlO含量的增加,渣样粘度上升。AlO在渣中表现为酸性氧化物的性质,起到网络形成子的作用使得炉渣结构复杂,宏观表现为粘度的上升及粘流活化能的增加。由于渣样的二元碱度降低,因此渣样的熔化性温度下降。3)随着渣中“Mg O/CaO”的提高,渣样的粘度先降低后升高。Mg O和CaO是等质量替代的,并且Mg O的相对分子量小于CaO的分子量,相同质量下Mg O的摩尔数要大于CaO的摩尔数,使得Mg和Ca数量对炉渣粘度产生的影响大于Mg和Ca本身对炉渣粘度的影响,从而使得渣样粘度下降。“Mg O/CaO”在0.44-0.63区间时,渣样粘度呈上升趋势,这是由于Mg-O和Ca-O键之间的差异。由于Mg的离子比小于Ca的离子比,当Mg O取代CaO时,离子间力增大。Mg O和CaO同是碱性氧化物,都可以使炉渣粘度下降,但是CaO降低炉渣粘度的能力大于Mg O的,因此随着“Mg O/CaO”的增加,渣中CaO含量下降,炉渣粘度上升。

关键词： 白酒基酒   看花摘酒   表面张力   电导率   挥发性风味物质   多元统计分析  

摘要： 量质摘酒是我国白酒生产中的一个重要环节,其中,“看花摘酒”方法被广泛应用,至今仍是各酿酒企业、大小作坊的主要摘酒方式。尽管行业应用看花摘酒已积累了丰富的经验,但对于其应用原理的认识还不够。本研究针对不同蒸馏工艺下,应用看花摘酒工艺分段摘取的浓香型白酒基酒过程样品为对象,采用气相色谱对挥发性化合物进行测定,以底锅中加清水蒸馏为对照,分析比较底锅中回尾酒和回黄水对风味物质的馏出影响,全面探究不同蒸馏工艺下风味物质的馏出规律;并通过测量梯度酒精溶液以及基酒过程样品的表面张力、粘度、电导率参数以及比较其酒花形态,探究风味组分对各物理性质的影响,解析流酒过程酒花形态变化的原理;并基于风味物质、物理性质参数的变化结合多元统计分析建立各段次白酒基酒的分类模型,实现数据可视化分析。主要研究内容及结果如下:1、采用GC-FID测定10组白酒基酒过程样品中挥发性风味物质,共检测到69种挥发性风味物质（除乙醇外）,包括酯类28种,醇类15种,酸类10种,醛酮类14种,呋喃类2种。以底锅水蒸馏为对照,在回尾酒和回黄水蒸馏时,首先是延长了流酒时间,主要是二段酒流酒时间显著增长;其次是影响风味物质的馏出,主要是对醛类和醇溶性酯类物质的影响,增大流酒开始时的醛类、酯类物质含量以及在转三段点时含量明显更低,馏出更充分;同时酸类物质在蒸馏过程中含量被略微降低。通过段次与风味物质相关性分析,发现在流酒前期,含有大量酯类、醛类和醇类物质,风味物质丰富,香气突出。糠醛、乳酸乙酯、壬酸乙酯、β-苯乙醇及大量的酸类物质含量随蒸馏时间逐渐增加,集中在流酒后期。2、对比基酒过程样品与酒精溶液的表面张力发现,表面张力值随着酒精度的降低呈逐渐增大趋势。在流酒前期酒精度高于55%vol时,基酒的表面张力主要由酒精浓度决定,酒精浓度与风味物质的影响比例为7.32:1;低于55%vol时,随着酒精度的降低,基酒中风味物质有逐渐降低酒精溶液表面张力的趋势,且降低趋势随着酒精度的降低而增大,酒精度与风味物质对表面张力的影响比例变为3.26:1,风味物质相对含量增加,基酒中的酸、酯类有机物对于降低溶液表面张力具有明显作用。测量粘度发现,基酒粘度主要由酒精浓度决定,随着酒精度的降低,粘度呈抛物线趋势变化,在45-55%vol达到最大;而在酒精度低于30%vol时,风味物质相对比例增大,基酒的粘度也逐渐高于酒精溶液。3、分析酒精度和风味物质对酒花形态的影响发现,在蒸馏前期酒精度高时,高浓度的乙醇是基酒酒花形态的主要影响因素;随着酒精度的减少,基酒中的风味物质对于增强泡沫稳定性发挥一定作用,主要是通过表面活性剂的分子结构来影响气泡中气体分子扩散速率,进而影响泡沫的稳定性,如酒体中的一些醇类如多元醇、异戊醇等以及脂肪酸类物质;在转尾酒时,沸点高、碳链长、难溶于水的高级醇、脂肪酸及高级脂肪酸酯物质因溶解度而析出,造成酒液浑浊,同时影响溶液的表面粘度,形成生产中典型的“断花”现象。4、测量电导率发现,纯净水配制的酒精溶液基本不导电,而底锅水配制的酒精溶液因水质存在导电能力,通过具体探究电导率与酒精度x、底锅水水质x之间的关系,得到拟合关系式Y=2.006-0.047x+1.138x+3.508*10x～4,R=0.999,直观反映出电导率与酒精度成反比,影响作用极小,同时与底锅水水质成正比,影响作用较大;同时,电导率还与基酒中的风味物质种类、含量及底锅水可溶性物质蒸馏率相关,其中,酸类和酯类物质对电导率影响较大,同时,底锅水中可溶性物质蒸馏到基酒中的蒸馏率由蒸馏前期的-0.969到蒸馏后期的+2.201,表明蒸馏前期电导率与底锅水可溶性物质蒸馏率成反比,即蒸馏到基酒中的水质更纯净,而到了蒸馏后期,由于糟醅与底锅中的水分不断交换循环,蒸馏出来的水蒸汽中可溶性物质逐渐增多,电导率也就不断升高。5、对酒样的挥发性风味物质和物理特性指标分别采用主成分分析（PCA）、线性判别分析（LDA）和偏最小二乘判别分析（PLS-DA）对过程酒样进行段次分类和判别分析。结果表明,基于挥发性风味物质的LDA和PLS-DA模型对未知样本的分类准确率均为100%;选择表面张力、电导率两个参数进行基酒分类研究,因其在蒸馏过程中有明显变化且测量简单、方便,更适用于生产应用。结果表明,基于表面张力、电导率的LDA模型对未知样本的分类准确率为93.3%,PLS-DA模型对未知样本的分类准确率为100%。

关键词： 超声移液   功率控制   液滴碰撞   润湿性   表面张力   粘度   最大铺展直径  

摘要： 超声移液技术作为一种新颖的亚微升级液体转移和处理方法,凭借其非接触式液体转移、无喷嘴设计和高通量液体传输等优势,在合成生物学、药物研发和个性化医疗等生命科学研究领域具有重要的应用价值。在这些应用中,超声移液系统在准确喷射具有特定脱离速度的液滴,保持良好液滴飞行轨迹的同时,还需要保证飞行液滴在目标基底上的高效聚结。特定脱离速度液滴的稳定激发依赖于超声输入功率的准确控制,但是现有的功率控制技术需要针对待转移试剂进行繁琐的功率扫描操作,不利于实现高通量试剂转移。另外,超声移液过程中,不同实验条件下向上飞行的液滴碰撞目标基底以及基底表面的固着液滴后,会产生不同的液滴状态。向上飞行液滴的碰撞动力学机制尚不清楚,严重影响超声移液系统的工作效率。本文从这两个角度入手,首先基于试剂的液体特性,研究了一种液滴生成过程中的连续功率控制方法,实现了特定脱离速度对应超声输入功率的准确预测。然后,分别探索了液滴碰撞速度、基底润湿性和实验介质液体特性对单液滴和双液滴碰撞动力学行为的影响,创新性工作如下:(1)首次提出了一种液滴生成过程中的连续功率控制方法。分别对去离子水、五种不同表面张力的十二烷基硫酸钠水溶液和四种不同粘度的甘油水溶液进行了液滴激发实验。分析了液滴脱离速度与液体特性、超声输入功率之间的关系,提出了一种以表面张力和粘度的乘积为特征参数,实现超声移液系统液滴生成过程中连续功率控制的方法,并检验了该方法预测不同试剂获得任意液滴脱离速度所需输入功率的准确性。实验结果表明,采用预测功率激发液滴得到的脱离速度与预期速度具有较好的一致性,相对误差小于8%。(2)首次研究了液滴碰撞速度和基底润湿性对向上飞行液滴碰撞动力学行为的影响。通过单液滴碰撞实验发现,在稳定生成液滴的功率范围内,所激发飞行液滴撞击亲水和疏水基底后均会发生稳定附着,而对于超疏水基底,当液滴碰撞速度大于等于0.40 m/s时,出现反弹现象。分析双液滴的碰撞动力学行为发现,随着液滴碰撞速度的增大会出现四种不同状态:小变形后的液滴聚结、液滴反弹、脱离阶段的液滴聚结和直接聚结。通过不同润湿性基底表面的双液滴碰撞实验发现,亲水基底表面发生液滴反弹的韦伯数和雷诺数范围较大,而随着基底表面润湿程度的减小,发生脱离阶段的液滴聚结和直接聚结的临界韦伯数和雷诺数减小。接下来,基于双液滴碰撞过程中的能量守恒定律和赫兹接触理论,通过修正液滴反弹情况下达到最大铺展状态时的液滴形态,建立了最大铺展直径和碰撞时间预测模型。结合模型进一步分析了液滴碰撞速度和基底润湿性对向上飞行液滴碰撞动力学行为的影响,结果显示在相同韦伯数条件下,亲水基底表面双液滴碰撞后达到的最大铺展系数较小,粘性能量耗散较大,导致其更容易发生液滴反弹。(3)首次研究了液体表面张力和粘度对超声激发液滴与目标基底及其表面固着液滴碰撞动力学行为的影响。通过单液滴碰撞实验发现,在稳定生成液滴的功率范围内,不同液体特性的液滴撞击亲水基底后均会发生稳定附着。研究不同液体特性的双液滴碰撞动力学行为发现,随着表面张力的降低,液滴反弹的韦伯数范围增大,并且产生后续几种液滴碰撞现象的临界韦伯数也随之增高。另外,随着粘度的增大,使液滴碰撞行为从反弹状态过渡到脱离阶段的液滴聚结状态,再到液滴直接聚结状态的临界韦伯数都增高。最后,通过对碰撞过程中的能量及变形理论分析,考虑准稳态过程中的粘性能量耗散,建立了直接聚结状态的最大铺展直径预测模型,通过分析最大铺展直径的理论计算结果发现,液体的表面张力越大,液滴碰撞的最大铺展系数越小;液体的粘度越小,最大铺展系数越大。鉴于直接聚结状态下液滴的最大铺展系数越小,越有利于快速获得稳定附着的液滴,那么可以依据该结论调节液体特性和超声输入功率,使液滴更稳定快速的直接聚结在目标基底表面。

关键词： 函数识别   反汇编   控制流图   图神经网络   二进制代码分析  

摘要： 二进制代码分析是在无法获得源码的情况下对软件进行有效的研究与分析的方法。对于可执行文件,通过动态或者静态反汇编方法转换为汇编代码以便于分析。函数是程序最基本的结构。由于二进制代码缺乏高级语义信息,无法直接找出函数。识别函数范围并基于其反汇编结果构建控制流图是恶意代码检测、漏洞挖掘、软件优化等工作的基础。传统二进制代码函数控制流图构建方法需要保证二进制代码的完整性,从而提取关键信息以进行控制流图的构建。但是在网络传输中,对于截取的流量包,只包含恶意软件的部分二进制字节,缺少关键的文件信息,因此无法分析。为了解决这个问题,本文结合传统线性扫描和递归遍历的反汇编方法,提出了构建代码扩展选择网络方法。首先,将任意一段字节序列的每个字节作为反汇编起始强制反汇编。然后,将所有反汇编结果按照控制流绘制成一个包含所有可能汇编指令的扩展控制流图。最后,训练一个图注意力网络来筛选出扩展控制流图中和源码对应的反汇编结果。本文使用该方法对编译器生成的可执行文件,手工编写汇编代码生成的可执行文件,数据文件以及从其中截取的字节序列进行了测试。实验结果表明本文方法可以有效构建函数控制流图,有效地区分出其中的代码和数据,可以从任意的二进制字节序列中提取出每条指令对应的字节。该方法对于函数控制流图的构建,代码和数据的区分以及反汇编是一种有价值的研究。

关键词： 离心压气机   粗糙度   蜗壳   无叶扩压器   流动损失   性能试验  

摘要： 离心压气机的效率和工作范围主要由其内部流动决定,常见的离心压气机的内部流道主要由叶轮流道、扩压器流道和蜗壳流道组成,这三者的粗糙度都会影响到压气机的性能表现。目前对于粗糙度研究较为广泛集中在叶栅和压气机的叶片上,关于离心压气机叶轮下游的蜗壳和扩压器粗糙度的相关研究较少,且缺乏试验结论。因此本文通过研磨改变离心压气机蜗壳和无叶扩压器表面粗糙度,数值模拟和试验研究其对压气机性能的影响,找出压气机性能与蜗壳粗糙度之间存在的关系,为离心压气机性能提升和实际生产过程中加工工艺的选择制定提供参考。本文主要工作包括:对于所研究涡轮增压器离心压气机蜗壳进行了剖切,测量、提取并模化了蜗壳表面形状,拟合并计算得到了蜗壳的粗糙度。通过数值模拟的手段对压气机进行了仿真计算,并与试验结果相对照,验证了仿真结果的可靠性。通过模拟不同平均粗糙度的压气机蜗壳和扩压器表面,探究了不同粗糙度对压气机性能的影响的变化程度,分析其损失的分布与变化。仿真结果表明:随着蜗壳粗糙度的增加,压气机效率和压比随之下降,下降的幅度在小粗糙度时较大,而在较大的粗糙度时变化较小。粗糙度对于效率的影响幅度比压比更加明显,而且在大流量工况时的粗糙度对效率和压比的影响程度最为明显。粗糙度对于压气机的最小流量边界有小量的影响。进一步把蜗壳沿周向分为了几个部分,研究不同位置蜗壳内表面粗糙度对于压气机性能的影响程度,为高效加工平整蜗壳内流道表面提供依据。通过磨粒流加工,提高压气机蜗壳内表面光洁度,得到不同粗糙度的蜗壳并测量使用这些蜗壳时压气机的性能。由于磨粒流加工为去材料加工,而蜗壳材料较易为去除,对蜗壳的几何形状进行了控制以防止变形。加工时由于蜗壳流道内部几何的复杂性,加工后粗糙度分布并不均匀,但加工后蜗壳内表面粗糙度均得到了较大程度的改善,平均表面的粗糙度从Ra=4μm左右降低到1.5μm左右。同时研磨了较为光滑的无叶扩压器用于研究无叶扩压器粗糙度的影响。通过增压器试验台试验得到了不同粗糙度蜗壳与扩压器下的压气机性能曲线,试验结果表明:扩压器粗糙度降低可以全面提高压气机效率,蜗壳粗糙度的改善则只提高了压气机低速下的效率。由于可能的试验误差,压气机高速下的效率没有得到改善。蜗壳的粗糙度对压气机的喘振流量的影响有限,而且在低速和高速的影响可能不同。

关键词： 航空数据   分类分级   数据流动   匿名化   去标识化  

摘要： 自《中华人民共和国数据安全法》及一系列数据安全和数据分类分级规章制度与国家标准的密集出台，我国初步建立起了以法律规范为原则，规章规范为主导，技术规范为指引的基本数据保护与处理框架，但在各个数据应用领域还存在制度规定空白与具体落地实施的问题。通过梳理与航空数据的相关规则，为构建航空数据领域的分级分类处理标准，推动航空数据安全有序流动，提高数据治理工作水平提供理论与制度上的参考。

关键词： 液态金属   柔性驱动器   磁场驱动   毛细力驱动   电致形变   表面张力   人工肌肉  

摘要： 受软体动物和人类肌肉启发,研制具有自适应、灵活、可重构、多功能等特性的柔性驱动器是当前的研究热点,柔性驱动器也已被广泛应用于柔性抓手、可穿戴器件、触觉显示及医疗设备的开发。然而,柔性驱动器依然存在驱动力小、驱动迟滞大、效率低等缺陷,这些不足严重限制了柔性驱动器进一步应用。室温镓基液态金属作为一种新兴的柔性材料,其兼具液体和金属的特性,包括良好的流动性和自愈能力,接近于水的粘度,高导电、导热能力,极低的毒性,极小的蒸气压等。镓基液态金属具有目前已知液体中最大的表面张力,同时其表面可形成极薄的固体氧化层,从而可在大范围内调控自身表面张力。液态金属还在多种物理场中表现出良好的刺激-响应特性,在柔性驱动领域具有重要的应用潜力。当前研究中,镓基液态金属的应用是跨尺度的,如微尺度下其可用于药物递送,宏观尺度下可用于器件散热等。另一方面,基于液态金属开发新型器件的过程中,液态金属的驱动是一项基础且至关重要的技术,它决定了器件的可调、可控以及灵活性。然而,对液态金属的驱动主要依赖于在液滴两侧形成表面张力差或对液态金属进行化学改性,这些驱动方式或不可避免地产生气泡,或牺牲液态金属的流动性等固有特性,且作用的空间尺度相对单一、难以直接形成驱动力,从而极大地限制了液态金属的实际应用。本文针对液态金属驱动中的共性问题,基于液态金属在多种物理场中的刺激-响应特性,探索新型液态金属驱动方式,分析驱动机理,研究影响驱动性能的关键因素,拓展液态金属在机器人领域的应用。本文的主要研究内容和成果如下:(1)针对液态金属驱动中产生气泡、改变固有特性的问题,提出了基于交变磁场的液态金属液滴驱动方式:利用旋转磁场在液滴内部产生洛伦兹力,驱动液态金属液滴滑动。发现并解释了固液金属球体在相同受力情况下运动方向相反的非常规运动现象。对磁驱滑动数值仿真和实验探究验证了所提出的驱动机理。分析了磁场运动速度、磁感应强度等关键参数对液态金属磁驱滑动的影响。通过电化学方法氧化、还原液态金属调控液滴与基底的摩擦系数,实现了磁控驱动的启停控制。磁控驱动所需结构简单,无剧烈化学反应参与,有望实现液态金属的远距离、非接触式驱动。(2)拓展液态金属的磁驱滑动,提出了一种液态金属自旋驱动方式:当液态金属液滴所处磁场环境发生旋转时,液滴和磁场的相对运动使得液滴内部诱导产生洛伦兹力矩,驱动液滴自旋,旋转方向与磁场运动方向一致。基于有限元仿真模型,对液态金属磁驱自旋进行了磁力耦合数值仿真,揭示了磁场转动速度、磁感应强度等参数对驱动性能的影响。基于永磁体搭建磁驱自旋实验平台,开展了上述关键参数的实验探究,并进一步从液滴浸没深度、溶液浓度等角度优化驱动性能。这种驱动方式避免了气泡的产生,驱动过程中液滴运动平稳。液态金属磁驱自旋可有效地加速流体散热及混合,验证了其在微流控、微机电系统中的应用潜力。(3)针对液态金属驱动方式作用尺度单一的问题,提出了一种基于毛细力的液态金属驱动方式:制备与液态金属润湿性优异的颗粒基多孔材料PBPM(Particles-based Porous Material),PBPM具有丰富微米级毛细通道,其与液态金属之间良好的润湿性直接形成了毛细力,驱动液态金属克服其巨大表面张力在PBPM中自发扩散。盐酸溶液可以进一步改善两者之间的润湿性,加速自发扩散。对多孔材料的微观结构表征、成分分析和组分间润湿性探究验证了液态金属毛细驱动理论。液态金属可在不同形状管道内自发扩散,甚至可逆重力、沿复杂三维(3D)表面扩散,其扩散方向还可通过调节润湿性条件控制。液态金属的毛细力驱动可应用于柔性电子、金属材料快速成型,以及增材制造等领域。(4)针对液态金属驱动中难以直接形成驱动力的问题,提出了一种基于交变电场实现的液态金属类肌肉驱动方式:利用电化学反应氧化、还原液态金属液滴,改变其表面张力,驱动液态金属可逆形变并输出力和位移,实现类似肌肉驱动性能。液态金属人工肌肉的驱动电压极小,在收缩、舒张阶段的最小驱动电压分别为1 V、0.5 V。液态金属人工肌肉可在大pH范围(0-14)溶液中工作,最大舒张速度近15 mm/s,最大应变可达87%,驱动迟滞时间不超过0.1 s。实验探究了驱动电压与频率、溶液类型与浓度等参数对液态金属人工肌肉驱动性能的影响,得到了最佳参数组合,进一步通过人工肌肉单元串并联提升驱动性能。最后,探索了液态金属人工肌肉在编码显示、货物运载、可重构光学器件以及仿生机器人上的应用,展现了其在扩展柔性驱动器性能和使用空间上的巨大潜力。

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： 液膜   椭圆管   层流混合对流   浮力效应   Marangoni-热毛细对流  

摘要： 诸多系统工程和技术装备领域都存在液膜流动现象,比如降膜式蒸发器、热管散热器、核反应堆保护外壳的散热、电子芯片的冷却等。冷凝液膜或蒸发液膜的流动和换热特性与工程实际问题密不可分,受到国内外学者的广泛关注。液膜在浮力效应和表面张力的共同作用下,其内部存在着复杂的混合对流换热过程,分析和研究液膜内的层流混合对流换热可以为系统工程的开发以及生产生活等提供理论依据。本课题建立了水平椭圆管底部液膜的三维物理模型以及数学模型,在有限容积法的基础上,利用FLUENT对椭圆管底部受热液膜的层流混合对流进行了数值模拟,以研究其流动和换热特性。分析了液膜内部存在的浮力效应、Marangoni效应和热毛细效应对对流过程的影响,得到了不同工况下液膜内部的温度场和速度场分布,并分别对Ra数、Ma数、Re等无量纲数以及自由表面换热系数、管道截面横纵比、液膜厚度等因素的影响机理进行了讨论,主要结论如下:第一,浮力效应对Marangoni对流有一定的抑制作用,浮力-Marangoni对流比纯Marangoni对流更稳定,两者共存可以增强液膜底部换热强度;第二,当椭圆管底部液膜处于宏观静止状态时,增大竖直方向温差,无论是在零重力还是常重力时,液膜内部的换热强度均增强;增大水平方向温差,液膜内部的换热强度在零重力时表现为一直增强,在常重力时表现为先增强后减弱;第三,当椭圆管底部液膜处于宏观静止状态时,随着管道截面横纵比的增大,液膜内部的换热强度先增大后减小,常重力时液膜内部的换热强度一直减小;随着液膜厚度的增大,液膜内部换热强度变化在零重力时表现为一直减弱,在常重力时表现为先增大后减小;第四,当椭圆管底部液膜处于宏观流动状态时,增大竖直方向温差,在零重力条件和常重力条件下,流体流动入口段略微缩短,充分发展段的换热强度明显增强;增大液膜流速,流动入口段明显增长,充分发展段的换热强度有所增强;增大管道截面横纵比,流动入口段长度增长,充分发展段的换热强度在零重力时一直增大,常重力时先增大后减小;增大液膜厚度,流动入口段长度均明显增长,充分发展段的换热强度基本不变;增大自由表面换热系数,流动入口段长度略微增长,充分发展段的换热强度稍有增加。

关键词： 化学吸收   亲水改性塑料规整填料   流体力学性能   有效传质比表面积   表面张力   粘度  

摘要： 化学吸收法是目前应用最为广泛的燃烧后二氧化碳捕集技术之一,通常采用不锈钢填料吸收塔作为气液传质的设备。为了降低设备投资,采用成本低廉的聚丙烯塑料填料替代不锈钢填料。聚丙烯属于疏水材料,经过亲水改性,塑料填料的亲水性能得以提升。但现有研究缺乏对亲水改性聚丙烯填料流体力学性能和传质性能的测试研究,特别是不同吸收剂体系下与不锈钢填料的性能对比分析。本文在搭建的填料性能测试平台上进行了填料流体力学性能测试,并针对ST 250Y亲水改性塑料填料的结构进行模拟优化以降低其干塔压降。同时,在不同吸收剂体系(表面张力和粘度)下进行了填料传质性能测试,并提出了不同吸收剂体系下的填料有效传质面积预测公式。主要研究结论如下:流体力学性能测试表明,改性塑料填料的压降随液相负荷和气速的提高而增大,变化趋势与不锈钢填料相同。但改性塑料填料的压降损失高于不锈钢填料,常规工况下其液泛气速低于不锈钢约28.0%。提高溶液粘度或降低溶液表面张力会导致填料的压降升高,但表面张力影响较稳定,而粘度的影响随液相负荷提高而增大。在Fluent软件中构建了双波纹板和填料块模型以研究结构参数对亲水改性塑料填料干塔压降性能的影响。双板模型的测试结果表明,板片厚度增加会导致改性塑料填料干塔压降提高,而板片开孔半径和开孔率对压降没有明显影响。同时,塑料填料的压降会随波纹倾角增大而升高。气速1.0-2.0m/s时,45°波纹倾角压降比30°高94.9-111.7%。填料块模型进一步验证了,减小波纹倾角能够降低改性塑料填料压降。同时,填料块的层间压降损失显著高于填料块内部,减小波纹倾角同样能降低层间压降。层间压降的占比会随气速增加提高,气速升至2.8m/s后层间压降占比逐渐稳定。填料块的堆叠角度对填料干塔压降没有显著影响。填料传质性能测试表明,改性塑料填料的有效传质面积随气速和液相负荷的增加而提高,与不锈钢填料相似。不同吸收剂物性条件下的测试表明降低溶液表面张力能够提高填料的有效传质面积,而溶液粘度对填料有效传质面积没有明显影响。由于亲水改性塑料填料表面的多孔微纳结构在低表面张力条件下毛细作用更为明显,所以其在低表面张力的碳捕集吸收环境中更具优势。在30.0m/(m·h)液相负荷条件下,改性塑料填料在表面张力30.8和13.0m N/m的工况中有效传质面积分别高于不锈钢填料2.62%和4.29%。提出了ST 250Y亲水改性塑料和不锈钢填料应用于碳捕集吸收塔的有效传质面积预测公式,预测相对偏差约为5%,可以为工业应用提供有效设计参考。比较了填料在混合胺和离子液体等吸收剂中的传质性能。混合胺吸收剂中,(AMP+PZ)的吸收体系下填料的传质面积较高。而在离子液体([emim][TfN])体系中,填料的有效传质面积远高于在有机胺吸收剂中的。