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关键词： 非齐次守恒律方程   非凸流函数   黎曼问题   激波   稀疏波  

摘要： 本文主要研究了一类特殊的具有非凸流函数的一维非齐次双曲守恒律方程的黎曼问题,给出了其基本波解的结构和表达式。本文主要分为以下三个部分:第一部分为引言,介绍了问题的研究背景、研究内容和主要结果。第二部分为预备知识及重要引理,介绍了具有非凸流函数的一维非齐次双曲守恒律方程的一些基本概念,理论以及求解过程中用到的重要引理。第三部分为具体求解过程。我们利用流函数的凹凸性以及构造凸包的方法对问题进行分类,通过特征分析的方法构造了问题的基本波解的奇性结构,并给出了基本波解的表达式。

关键词： 纳米流体   稳定性   神经网络   粘度预测   表面张力  

摘要： 由于优异的导热性能,纳米技术与传统的热能工程领域创新性地结合起来。但囿于制备工艺、实验条件及测量技术等因素的影响,纳米流体的稳定制备方法仍不成熟,这制约了纳米流体在实际工程中的应用和发展。而纳米流体的表面张力与粘度均对流体的液面传输起着一定的影响,从而产生能源消耗、设备磨损等问题。因此,进一步完善纳米流体的制备稳定性,建立纳米流体粘度预测模型,揭示纳米流体表面张力的变化规律具有现实的工程应用价值和一定的理论研究意义。针对目前纳米流体的制备稳定性和粘度预测模型的预测精度有限等问题,本文通过“两步法”制备了不同体积分数的氧化铝水基纳米流体。在水基氧化铝纳米流体的稳定性制备、粘度预测模型的建立、表面张力的实验探究等方面进行了研究。主要研究内容如下:采用“两步法”制备0.1vol%的AlO-HO纳米流体,并用TEM、XRD表征AlO纳米颗粒。实验探究了时间和不同表面活性剂对水基纳米流体稳定性的影响。研究发现,纳米流体中颗粒的实际粒径均大于固体粒径(20nm),纳米流体的稳定性随静置时间而下降。添加表面活性剂PVP和SDS可明显改善纳米颗粒在基液中的悬浮稳定性,而添加CTAB的纳米流体中的颗粒尺寸达到856nm,表明此时已经发生了各种各样的团聚。添加表面活性剂SDS,磁力搅拌十五分钟,超声振荡一小时所制备的纳米流体稳定性良好,可用于下一步的物性测量实验。实验研究AlO纳米颗粒含量(0.1-1vol%)、温度对纳米流体粘度的影响规律。结果表明,纳米流体的粘度随体积分数的增大而增大,随着温度的升高而减小。此外,基于人工神经网络这一数据驱动方法对纳米流体粘度进行预测建模。比较了BP神经网络、RBF神经网络以及多项式回归三种模型的对纳米流体粘度预测的精度。结果表明,与多项式回归模型相比人工神经网络对纳米流体预测建模具有较高的精度,其中具有最优化结构的BP神经网络可确定为2-5-1的结构。采用了改进的L-M算法的BP神经网络具有最高的预测精度,R、RMSE、SSE分别为0.9996、6.3e、4.764e。针对添加纳米颗粒后的纳米流体的表面张力的变化规律进行了实验研究,主要探究了氧化铝纳米流体的表面张力随纳米颗粒的添加量及温度的变化规律。结果表明,在一定的浓度内(0.1%-1 vol%),纳米流体的表面张力随着纳米颗粒的添加而添加,随着温度的升高而减小。

关键词： 表面张力   润湿性转换   超疏水   超亲水   超疏油   超亲油   油水分离  

摘要： 自经典“荷叶效应”被发现以来,不同类型的超浸润表面由于其低成本、高效率、可回收等优势而被广泛研究和讨论。结合表面微纳米结构和化学组成即可使同一表面对水和油表现出完全相反的润湿性,这类带有选择润湿性材料的设计制造对于日常生活、工业生产中废水的处理以及海洋污染的治理具有重要的应用价值。随着对超浸润表面的深入研究,润湿性转换表面也逐渐引起了广泛的关注,可以通过外界刺激,比如光照、p H值、温度等,使表面的化学组成或微观结构发生变化进而改变表面的润湿性。目前针对表面微观结构变化对润湿性影响规律的相关理论得到了较为深入的研究,而改变表面化学组成(表面张力)对润湿性影响规律的相关理论研究则较少。此外,目前所研究的超浸润表面的润湿性转换还存在转换范围较小、转换时间较长的问题,以及可以进行润湿性转换的超浸润表面大多集中在单一液相润湿性的转换(水相或油相)而非双相润湿性的转换(水相和油相),使得表面的应用受到限制。本文针对目前润湿性转换表面研究存在的理论及应用等方面的问题,根据经典Young’s方程与界面相互作用的粘附功理论,建立了固体表面张力和润湿性之间的关系方程,探讨了表面张力各分量变化对油和水在表面上润湿性的影响规律。在此基础上,根据高表面能金属氧化物与低表面能氟化物的光改性机理增高或降低表面的偶极性基团或色散基团,以此调整不同表面的表面张力,进而根据推导关系方程定量分析金属氧化物和低表面能氟化物表面张力变化对润湿性的影响规律,建立基于光改性的表面张力与润湿性的理论模型。利用全氟辛酸修饰由液相沉积法得到的二氧化钛颗粒制备出一种超疏油/超亲水涂层,该方法不仅能够增强基底与构建表面微观形貌颗粒间的粘附性,还为表面亲水性和抗油性共存提供了所需的偶极性增强的低表面能氟化物。探究其表面化学组成发生被动改变后(在水中长时间浸泡导致的失效)表面张力的变化及其对表面润湿性的影响规律,使该超疏油/超亲水涂层的润湿性最终转换为超疏水/超亲油,实现同一表面油和水润湿性同时进行双相互换。最终,利用润湿性转换前后表面分别成功完成多种油/水混合物的分离,其效率均达到99%以上。此外,该表面可通过光照方式实现对其上氟化物的降解,以避免氟化物在分离过程中对环境的二次污染。基于第二章建立的表面张力与润湿性模型,利用光敏二氧化钛和非光敏氧化铝分别制备了相应的超疏水表面,通过光改性的手段主动调控表面化学组成以改变表面张力进而控制液体在表面的润湿性,实现水相在表面上从超疏状态到超亲状态的往复转换并探究这两种表面润湿性转换的共性与差异,与此同时对第二章中所建立的理论模型完成了进一步的实验验证。利用该润湿性转换表面能够有效分离多种的油/水混合物。此外,通过二氧化钛的快速光致亲水及其可恢复性以及氟化物表面光改性机理,大幅度缩短了表面从超疏水性到超亲水性的转换时间,从而为多组分油/水混合物的分离提供了一种解决方案。基于第二章光改性氧化铝表面对润湿性的影响机理,面向实际应用,利用光改性氧化铝颗粒组成具有一定厚度的超亲水颗粒层,通过光改性手段增强了氧化铝颗粒表面对水的润湿性能,使其具备油下环境中的吸水性以及水下环境中的抗油性。通过填料式油水分离方法并设计相应的油水分离装置,根据不同的油水分离原理实现水包油乳浊液和油包水乳浊液的破乳分离,还探究了颗粒层厚度对分离效果的影响。另外,还根据光改性低表面能氟化物对润湿性的影响机理,将氟化物修饰在透明基底上,通过紫外光辐照的方式来提高表面张力进而改变表面润湿性,经测试在未对表面透光度造成影响的条件下,使其能够在不同酸碱溶液中长时间保持抗油性。在上述改性过程中,对表面张力与润湿性间的影响关系进行相应实验研究。综上所述,本课题针对目前超浸润表面润湿性转换研究中所存在的问题,采取理论分析、实验研究相结合的技术路线,通过紫外光改变表面的化学组成,对表面张力变化与润湿性的影响规律进行了研究,为超浸润表面的润湿性转换及其应用提供理论基础。根据所建立的理论模型,实现了表面润湿性从超疏油/超亲水性到超疏水/超亲油性的双相转换以及超疏水和超亲水之间的单相往复转换,还制备了光改性超亲水微纳米颗粒以填料的方式实现破乳分离,以及在透明基底上制备化学耐久性良好的超亲水/水下超疏油涂层,为超浸润表面多功能化提供相应的制备方案。

关键词： 云计算   函数流   事件驱动   无服务器计算框架  

摘要： 随着云计算技术的快速发展，软件硬件化和硬件服务化的特点愈发显著，以虚拟化等为核心的计算技术仍在计算环境等的使用上呈现出高复杂性的特点，开发者对高效开发应用的需求进一步促进了无服务器计算的诞生。但是，当前以单个函数为调用粒度的无服务器计算框架无法满足现代应用复杂的构建需求，通过组合一组函数形成函数流来满足复杂需求的方式正逐渐得到学术界和工业界的重视。　　然而，在当前的无服务器计算框架中实现函数流服会面临两个方面的问题:一是函数流应用结构表达能力不足，具体表现为函数流中复杂的函数结构关系表达能力不足，严重限制了其可用性;在此基础上函数流的运行时调度方式单一，无法有效管理不同执行流的运行状态。针对这些问题，本文工作从构建函数流的关键技术——事件驱动技术角度进行了系统化的研究，本文贡献主要包括3点:　　(1)设计了基于系统内部事件表达应用结构关系的函数流定义规则(FFDR)及专用解释器。FFDR将应用结构关系与应用内部的系统事件描述相统一，支持用户自定义触发条件列表和后续动作列表来表达不同函数间的复杂执行逻辑。继而，通过专用解释器对用户自定义的规则脚本进行解析并实现函数流的实例化。　　(2)设计了面向函数流运行时的调度框架，并基于函数流的多路复用的特点实现了显式优先级调度、动态优先级调度、最早调用时间优先调度和最短剩余时间优先调度4种调度策略。该调度框架实现了函数流执行状态的记录，支持插件式嵌入的调度策略，允许根据执行状态和调度策略动态生成请求执行优先级。　　(3)设计并实现了基于事件驱动的函数流运行服务系统Funcflow。该系统支持函数流运行服务的完整流程，包括用户接口、函数流管理、函数容错、事件管理等。通过实验对本文所提方法和研制系统进行了有效性验证。

关键词： 表面张力   CMC   多元线性函数   DLS   高斯模型  

摘要： 腐殖质(humic substances,HS)是由动植物残体经过复杂的物理、化学和生物降解过程形成的化学性质复杂的有机混合物,其广泛存在于大气、土壤、水体和沉积物等环境介质中。腐殖酸(humic acid,HA)是构成HS的重要组分之一,结构主要由疏水部分(主要为烃链)和亲水部分(主要由离子基团如羧酸和非离子极性部分如酚、醇、醛、酮、酰胺、胺等)组成,是环境中污染物的主要络合剂或吸附剂。在高浓度下形成类胶束状结构并降低水溶液的表面张力,增加疏水性有机污染物的溶解度,是一种天然的表面活性剂。本文从森林土壤中提取分离的HA及其亚组分为研究对象,通过表面张力的测定,确定临界胶束浓度(critical micelle concentration,CMC),研究HA及其亚组分表面活性的相似性和差异性,利用动态光散射(dynamic light scattering,DLS)和激光多普勒电泳(laser doppler electrophoresis,LDE)技术研究类胶束结构下HA亚组分团聚体的粒径和分布特点。主要研究内容如下:1、研究HA及其亚组分与水溶液表面张力的下降值、下降效率和CMC相似性和差异性。以北京市鹫峰森林公园提取分离的HA及其亚组分(标记为HA、HA1、HA2、HA3、HA4、HA5和HA6)为研究对象,通过指数模型拟合表面张力数据,HA及其亚组分表面张力随浓度变化曲线符合指数函数模型。结果表明:HA亚组分表面张力下降最大值范围在(22.8～35.6 m N/m),表面张力下降最大值HA6>HA3>HA2>HA5>HA4>HA1,下降效率HA6>HA5>HA3>HA4>HA2>HA1。根据线性方程确定HA亚组分CMC值,范围在216～1024 mg/L,平均值723±292 mg/L,大小依次为,HA1≈HA2>HA3>HA4>HA5>HA6,说明不同HA亚组分对水溶液表面张力的影响具有一定的差异性。结合已有文献数据,拟合有关CMC多元线性回归方程:CMC=18896-6.9×C-296×alkyl-C-331×aromatic-C-17019×H/C+4054×HB/HI(R=0.909,P<0.05,n=16),误差在-199～236 mg/L,通过对比,该方程预测CMC的结果优于已报道的预测模型。2、根据对HA及其亚组分类胶束结构下的表征结果,在相同浓度下,Zeta电位值与结构内羧基含量有关(R=0.582,P<0.20,n=7)。HA及其亚组分溶液经过0.45μm滤膜过滤后,粒径范围介于111～187 nm,但HA及其亚组分会经非生物自组装,形成数量极少的超微米团聚体(>1000 nm)。HA及其亚组分粒径分布(particle size distributions,PSDs)显示,在0-100 nm的亚微米区间的团聚体占总体的97.6%以上,利用高斯模型(Gaussian model)对HA亚组分数量PSDs光谱进行分峰,拟合效果良好,各峰中心范围依次为0.96～5.57 nm、1.86～10.60 nm、3.75～45.94 nm和8.96～55.46nm。HA亚组分中HA1、HA3、HA4和HA6团聚体粒径尺寸基本上均在20 nm以内,是通过氢键和疏水力作用形成的团聚体,而HA2和HA5的主要团聚体分布区域大于20 nm,推测该团聚体可能是由小粒径的团聚体再次缔合而成。

关键词： 非晶合金   神经网络   NN势函数   Pd-Cu-Si   分子动力学模拟   玻璃形成能力  

摘要： 非晶合金因为原子状态呈现短程有序、长程无序、各向同性、亚稳等特性,具有较高的热稳定性、化学惰性、高韧性、良好的耐腐蚀性等许多优异的性能而备受关注。Pd-Cu-Si基非晶合金由于其良好的热稳定性、简单的组元结构而成为研究非晶结构、转变、晶化、和性能模拟的理想合金体系。研究Pd-Cu-Si基非晶合金快速凝固过程中的结构演化,对于理解其结构性质和玻璃形成能力具有重要意义。由于非晶合金的液态结构在实验中无法得到,因此研究非晶合金快速凝固过程中的结构演化,一般是通过基于经验势的分子动力学模拟来进行的。而对于Pd-Cu-Si基合金体系并不存在对应的经验势,所以本文基于最近提出的神经网络(Neural network,NN)势函数构建了适用于Pd-Cu-Si基非晶合金体系NN势函数,来对Pd-Cu-Si基非晶合金展开了研究,具体研究内容如下:(1)基于多层前馈神经网络的理论基础,构建了适用于Pd-Cu-Si合金体系的NN势函数,并对NN势函数的计算准确性进行了验证。验证结果表明,NN势函数能准确的计算测试集与训练集的能量和力,对于测试集95%置信度区间内结构能量的计算误差为δ=13.56me V/atom;对于Pd-Cu-Si合金体系的晶体和非晶结构,NN势函数都能准确计算结构中的相互作用。在与嵌入原子势(Embedded-atom method,EAM)以及第一性原理计算结果的对比中发现,NN势函数的计算准确度要明显优于EAM势函数,并且接近于第一性原理的计算准确度。(2)基于NN势函数的分子动力学模拟研究了PdSiCu的结构特性以及Cu的存在对其玻璃形成能力的影响。结果表明,在液态PdSiCu中发现Si团簇更倾向于低配位数的结构,Pd团簇则倾向于高配位数的结构;随着温度的降低,Si原子倾向于彼此分离,Cu原子倾向于聚集在一起,同时类二十面体团簇的比例的增加,说明了结构体系趋于稳定;从Si-Cu原子的网络图中发现Cu原子趋于形成小的团簇并填充Si原子网络中的空隙,从而使结构体系变得更加的致密化。在固态PdSiCu和PdSi结构性质的比较中发现,Cu的存在能够使以Si原子为中心的类似于晶体的完整的三棱三角棱镜(Tricapped Trigonal Prism,TTP)<0,3,6,0>的比例减少,畸变的TTP<0,4,4,0>的比例增加,说明结晶的过程被抑制,体系变得更加无序化;同时,Voronoi指数<0,0,12,0>所代表的二十面体团簇以及<0,2,8,2>、<0,1,10,2>所代表的类二十面体团簇比例的增加,说明Cu的存在能够提高结构体系的玻璃形成能力。

关键词： 高温熔融法   纳米熔盐   阿基米德法   密度   拉筒法   表面张力   储热  

摘要： 熔融盐作为一种高效的传热储热工质,被广泛应用于储热系统中,但是单一组分及多组分熔盐还存在熔点偏高、热稳定性较差等缺点,阻碍了熔融盐在传热储热方面的发展和应用。通过在熔融盐中加入纳米材料能够有效改善其热物性。本文以二元混合硝酸盐(60wt.%Na NO-40wt.%KNO)为基盐,将纳米材料分散至基盐中,采用高温熔融盐制备得到纳米熔盐,通过实验和理论方法对其相关热性能进行研究。采用阿基米德法和拉筒法对纳米熔盐的密度和表面张力进行测量分析,采用扫描电子显微镜对基盐及纳米熔盐在固态时的微观形貌进行表征。同时利用ANSYS软件对基盐及纳米熔盐在储热罐内的熔化传热过程进行模拟。研究发现,采用高温熔融法在基盐中加入20nm和30nm的SiO纳米颗粒后,纳米熔盐的密度与基盐的密度均随温度的升高而降低,且对基盐的密度影响不大;当加入MgO纳米颗粒后,纳米熔盐的密度也随温度的升高而降低,但当温度大于450℃时,加入了MgO纳米颗粒的密度值要大于基盐的密度值。利用混合物密度计算模型对15种纳米熔盐的密度值进行计算,与实验测量值进行对比后发现,11#～15#纳米熔盐的计算值与测量值相差较大,因此不能采用混合物密度计算模型对纳米熔盐的密度进行计算,应采用实验测试值分析储热性能。对基盐及15种纳米熔盐的体积膨胀系数进行计算,基盐及1#～5#纳米熔盐的体积膨胀系数大小循序为:基盐>1#>3#>2#>4#>5#;基盐及6#～10#纳米熔盐的体积膨胀系数大小循序为:8#>6#>9#>基盐>10#>7#;基盐及11#～15#纳米熔盐的体积膨胀系数大小循序为:基盐>13#>12#>11#>14#>15#。在基盐中加入20nm SiO纳米颗粒、30nm SiO纳米颗粒及MgO纳米颗粒均会使基盐的表面张力增大;15种纳米熔盐的表面张力均随温度的升高而降低。在1#～5#纳米熔盐中,相对于基盐,1#纳米熔盐表面张力值增加最少,5#纳米熔盐表面张力值增加最大。在6#～10#纳米熔盐中,相对于基盐,6#纳米熔盐表面张力值增加最少,10#纳米熔盐表面张力值增加最大。SiO纳米颗粒的粒径对纳米熔盐的表面张力没有影响。在11#～15#纳米熔盐中,纳米熔盐的表面张力随MgO纳米颗粒浓度的增加而增加。通过分析基盐及纳米熔盐在固态时的SEM图,观察到纳米熔盐表面张力与熔盐分子包裹在纳米颗粒表面形成的包裹层有关,并提出由于纳米颗粒表面存在高活性原子,使得熔融盐分子在纳米颗粒表面形成化学吸附层,由于搅拌作用形成物理吸附层,最终在熔融盐体系中形成纳米云核。并对纳米颗粒对基盐表面张力的影响进行解释。利用ANSYS软件对储热系统中的储热罐进行建模,并利用Fluent软件对基盐及纳米熔盐在储热罐内的熔化储热特性进行模拟,发现纳米熔盐在储热罐内主要以自然对流进行传热,且当储热罐四周为绝热时,罐内的熔融盐能够将热量全部储存起来;在基盐及3#、4#、5#纳米熔盐中,储热能力从大到小排序为3#纳米熔盐>基盐>5#纳米熔盐>4#纳米熔盐。

关键词： 槐糖脂   熊蜂生假丝酵母   响应面设计   动力学模型   表面张力  

摘要： 槐糖脂是一种具有优良表面活性、应用广泛、可生物降解的糖脂类生物表面活性剂。本文主要开展以熊蜂生假丝酵母Candida bombicolaATCC22214为菌种,以廉价粗制鱼油和葡萄糖为碳源,发酵生产槐糖脂的研究。通过摇瓶培养优化了发酵培养基与发酵参数,并在7.5 L发酵罐中进一步优化发酵工艺,建立起小罐发酵动力学模型,同时对发酵产物进行初步分离,得到槐糖脂的粗提物,测定了产物的理化性质与乳化性能。主要研究内容和结果如下:通过单因素分析确立了发酵生产槐糖脂的培养基组成:以鱼油与葡萄糖为碳源,二者的比例为1:1,以酵母粉为氮源,以KH2PO4与Na2HPO4·12H2O为磷源,二者比例为1:1。通过Plackett-Burman设计试验,确定了碳源浓度、氮源浓度、接种量为影响槐糖脂产量的三个显著因素。通过最陡爬坡实验确定了响应面设计的中心组合。响应面设计最终得到优化后的最佳配方（g/L）与发酵工艺参数为:葡萄糖80.0,鱼油80.0（V/V）,酵母粉1.9,KH2PO4 1.5,Na2HPO4·12H2O 1.5,MgSO40.3,发酵前期（0～48h）温度 28℃,发酵后期（48～168h）温度24℃,接种量1.7%。在此条件下槐糖脂产量为105.856g/L,比优化前提高 71.05%。在摇瓶发酵基础上,使用7.5L发酵罐发酵生产槐糖脂,控制通气速率为2L/min,搅拌转速为300 r/min,槐糖脂产量最高可达106.728 g/L。以Logistic、Luedeking-Piret等方程为模型,建立了发酵过程中菌体生长、产物合成与底物消耗的动力学模型,三个方程能较好地模拟发酵过程,对进一步发酵放大试验生产槐糖脂具有一定的指导意义。用乙醇作为溶剂,提取发酵产物,经过减压蒸馏及真空干燥获得常温下黏稠的红棕色膏状槐糖脂粗提物。HPLC-MS分析结果显示,粗提物中所含的槐糖脂分子具有碳链较长且不饱和键多的特点。研究了该槐糖脂粗提物的基本性质。结果表明,槐糖脂粗提物在水中的临界胶束浓度（CMC）为45 mg/L,对应的溶液表面张力为42.6 mN/m,使用效率高于SDS;在高于临界胶束浓度时,温度、盐浓度对槐糖脂溶液的表面张力影响不大,除了在极端碱性条件（pH=12）下溶液的表面张力略有上升外,槐糖脂在各条件下都展现出较好的稳定性;在临界胶束浓度以上,槐糖脂对豆油、液体石蜡的乳化效果比SDS更好,展现出较好的乳化稳定性。上述研究工作表明,通过熊蜂生假丝酵母的发酵,可以获得需要的目标产物—槐糖脂,所得到的结果将对深入研究槐糖脂发酵机理,扩大发酵规模具有重要的意义。更有意义的是,本文通过成功利用舟山渔场回收的粗制鱼油作为主要碳源之一,为海产品加工副产物的综合利用提供了一条新的路径。