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关键词： U形渠道   测流摆杆   动平衡   绕流阻力   数值模拟  

摘要： 渠道测流摆杆是摆杆式明渠测流装置的重要组成部件,为了对明渠测流装置进行更好的优化设计,需对渠道内测流摆杆的绕流阻力问题进行深入研究。本文通过理论分析、物理模型试验和数值模拟等方法来研究测流摆杆在有限域动平衡状态下的摆杆绕流阻力问题,对摆杆式明渠测流装置在实际测流应用中有着重要的指导意义。主要研究内容及结论如下:(1)从圆柱绕流现象出发,建立测流摆杆动平衡状态下的受力模型。利用力矩平衡原理对渠道测流摆杆的绕流阻力特性进行理论分析,研究了 U形渠道内测流摆杆在动平衡状态下的受力情况,为后面的物理模型试验和数值模拟计算提供理论基础。(2)采用9种不同直径、不同密度的摆杆在标准D50型U形渠道内进行测流摆杆绕流试验。利用角度传感器和超声波水位传感器测量出测流摆杆偏转角度和渠道水位,进而得到在不同工况下测流摆杆绕流阻力;试验结果初步表明绕流阻力和测流摆杆偏转角度、渠道水流流速、测流摆杆直径、雷诺数、测流摆杆密度成正相关关系。(3)应用计算流体力学(CFD)理论建立测流摆杆绕流数值模型。通过SolidWorks软件建立了测流摆杆绕流几何模型,利用ICEMCFD软件在几何模型内完成网格划分工作,在FLUENT软件中选择剪切压力传输(SST)k-ω模型、VOF法、动网格技术来建立渠道测流摆杆绕流三维数值模型,根据实际绕流试验条件设置模型边界条件和求解参数。(4)对测流摆杆绕流运动进行三维数值模拟,得到了倾斜摆杆绕流流场和周围压力分布情况,总结了各个影响因素对测流摆杆绕流阻力的影响。发现不同流速下密度和直径相同的倾斜摆杆绕流形态相似,背流面存在轴向流,底部存在小流速区域,流速较大时底部出现回流区;不同直径和密度的倾斜摆杆周围压力分布规律是相似的,迎流面压力从摆杆上端向下端递增,背流面和底端存在负压区,同时摆杆直径和密度越大,迎流面压力最大值也越大;最后经过分析总结得出绕流阻力和测流摆杆偏转角度、渠道水流流速、测流摆杆直径、雷诺数、测流摆杆密度成正相关关系。(5)验证测流摆杆绕流数值模拟可行性。不同流速下测流摆杆偏转角度、绕流阻力的试验值和模拟值相对误差均不超过5%,验证了动网格技术模拟摆杆绕流的可行性和FLUENT软件数值计算得到绕流阻力的可行性。

关键词： 第一性原理计算   分子动力学   深度势能   γ-TiAl   微观结构  

摘要： γ-TiAl金属间化合物具有低密度和高比强度的特点,但是室温塑性差、难以加工等缺陷限制了其应用。Nb作为γ-TiAl主要合金化元素可以改善γ-TiAl的力学性能,含Nb的γ-TiAl体系成为该材料模拟研究的一个重要方向。第一性原理计算精度高但受体系尺寸的限制,分子动力学的计算效率高,速度快,但受限于势函数精度,且缺少合适的TiAl Nb三元系势函数。因此,本文应用名为“深度势能”（Deep potential,DP）机器学习势函数方法,通过收集第一性原理计算数据来拟合适用于当前目标体系的势函数模型,并最终将该模型应用于分子动力学模拟。基于本文研究目标和对象,构建训练数据集的构型空间,整体体系分为三个部分:金属、金属间化合物和固溶体。使用深度势能生成器（Deep Potential Generator,DP-GEN）批量采集这些构型的第一性原理计算数据,总共收集到4.9万多条训练集。经过不断优化调整,最终训练出合适的DP模型。随后使用训练完毕的DP模型测试未包含在训练集以内的测试集,结果显示能量和力的均方根误差分别为12.9 me V/atom和112 me V/?,说明该模型能准确预测测试集中的第一性原理计算结果。使用训练完成的DP模型和两种经典嵌入原子势函数（Embedded Atom Method,EAM）测试了Al、Ti、Nb、γ-TiAl和α2-Ti3Al五种体系的基本性质,包括晶格常数、原子能量、弹性常数、表面能和空位形成能,计算结果表明DP模型的计算结果更符合第一性原理的计算值。γ-TiAl的层错能面和界面能的计算结果表明,DP模型的结果与第一性原理计算结果更接近,精确度更高。此外,DP模型也能够较为准确地模拟含Nb掺杂后γ-TiAl的层错能以及Nb在γ-TiAl中的平均形成能。使用验证完毕的DP模型对单晶γ-TiAl进行分子动力学变形模拟。对单晶γ-TiAl的拉伸和剪切变形发现,加入Nb后的体系屈服强度降低,屈服点提前,这是由于Nb原子减少了TiAl体系中的中心共价键,材料的金属键作用更强,塑性更高。含Nb的拉伸模型表现出更多的层错构型和更低的位错线长度。Nb的加入降低了γ-TiAl中{111}滑移面的层错能,有利于位错分解和运动,这一现象与相关实验结果一致。对单晶γ-TiAl的剪切模拟发现,沿[112 ]剪切时γ-TiAl的变形机制为孪生,沿[11 0]方向剪切时γ-TiAl的变形机制为滑移。模拟快照显示Nb位于位错核心附近甚至作为位错的发生源,加速γ-TiAl的孪生或滑移,有利于改善γ-TiAl的塑性。

关键词： 空间反应堆   液态锂   密度   表面张力   粘度   实验测量  

摘要： 空间核反应堆具有能量密度大、比功率高、不受复杂空间环境影响以及长寿命周期等优点,是未来深远探测任务的理想能源。液态金属锂是空间堆常用冷却剂,其热物性是锂冷堆开展热工水力设计的重要基础数据。为提高热工系统模型的准确性,需要在现有液态锂的热物性数据基础上加以改进完善。本文采用实验手段,系统研究了液态锂的密度、表面张力、粘度、比热容和热导率等热物理性能在200℃～650℃温度区间随温度的变化规律。同时针对上述物性的测量过程,开展了主要影响因素分析研究,从机理层面实现对液态锂关键热物性测量的探索,得到的实验数据能够完善丰富液态金属锂的热力学基础前沿物性参数。本文研究成果可为液态金属尤其是锂的基本物性的测试方法和技术提供参考,能够为研究空间环境液态金属流动与传热特性研究提供基础,为兆瓦级空间反应堆的热工水力设计提供数据支持。本文主要研究工作如下:(1)采用最大气泡压力法为实验原理,研制了一种可同时测量高温下液态金属的密度及表面张力的测量装置。利用该装置分别使用5种不同管径的毛细管对液态锂进行实验。结果显示,密度实验结果平均偏差为0.47%,表面张力结果平均偏差为0.93%,密度和表面张力均随温度的升高呈线性降低,并给出了在温度区间内的线性拟合公式。为准确测量表面张力,实验过程中气泡间隔应控制在10-15 s,使用内径为2.0 mm～2.5 mm,且内径与外径比值较大的毛细管。(2)采用阻尼扭转振荡法,并选用Shvidkovskiy计算方法,研制了一种用于测量高温液态金属的振荡杯式粘度实验装置。利用该装置使用不同直径钼丝对液态锂进行实验,分析了使用不同直径钼丝对粘度测量的影响。结果显示,运动粘度实验平均偏差为1.82%,动力粘度平均偏差为1.70%,动力粘度随温度的升高而降低,并给出了在温度区间的拟合公式,使用0.15 mm直径的钼丝实验偏差为0.18 mm直径钼丝实验偏差的1/2。(3)采用激光闪光法对测量了液态锂的比热容和热导率。结果表明,热导率平均实验偏差为1.68%,液态锂的比热容随温度变化比较稳定,热导率随温度的升高而增大,并给出了实验温度区间热导率随温度变化的二次拟合公式。在本文中计算热导率与动力粘度时候,分别使用了液态锂密度的文献参考值和本文实验值,对比发现,使用两组数据计算的结果最大偏差为0.5%,验证了本文密度研究的方法和实验装置的可靠性。

关键词： 煤层注水   表面活性素   响应面优化   表面张力   润湿性能  

摘要： 由于采煤机械化程度和开采强度越来越高,煤矿井下开采过程中粉尘量不断增大,导致煤矿井下粉尘污染问题日益加剧。而煤层注水作为主动式防尘技术,一直是国内外常用的粉尘防治措施,但由于煤层孔隙率低、煤的亲水润湿性差等原因,致使煤层注水降尘的效果并不理想。本研究基于微生物表面活性素能够有效地乳化和降低水的表面张力这一特性,采用实验与数值模拟相结合的方法,通过菌株活化培养、响应面优化发酵条件、表面活性素的提取以及煤尘的润湿特性与微观结构分析,明确了表面活性素强化煤尘润湿性能的机理。进一步,利用数值模拟分析了煤层注水过程中添加表面活性素强化煤层润湿性能的效果,并探讨了微生物表面活性素强化煤层注水润湿性能实践应用的可行性。研究的主要成果如下:(1)通过响应面优化法,以发酵液表面张力为响应值,确定了影响枯草芽孢杆菌发酵液表面张力的显著因素为:(NH)SO、温度和p H,预测出的最优发酵条件为:(NH)SO 0.216 g,p H=6.812,温度=27.13℃,预测的发酵液最小表面张力为32.423 m N/m。验证实验的结果为32.05 m N/m,误差仅为1.15%,证明模型预测值较为可靠。经过响应面分析,温度和p H两种因素的交互作用对发酵液表面张力有显著影响,(NH)SO与其他两种因素均没有显著交互作用。采用最优发酵条件培养后,用酸沉淀-萃取-旋蒸的方法对表面活性素进行提取,最终的产量达到0.58 g/L,较优化之前的产量(0.40 g/L)提升了45%。(2)根据煤尘的润湿特性实验结果,表面活性素溶液的临界胶束浓度为38 mg/L,对应的表面张力值为27.3 m N/m,接触角为55°;而化学表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的临界胶束浓度为120 mg/L,对应的表面张力值为29.4 m N/m,接触角为56°。虽然两种表面活性剂在临界胶束浓度下的表面张力和接触角较为接近,但表面活性素的用量仅是SDBS的3.17%。煤尘沉降试验中,表面活性素溶液润湿的煤粉在沉降水面上无煤粉残留,沉降时间比SDBS缩短36.4%;毛细反渗透实验中,表面活性素溶液持续的反渗透时间更长,反渗透高度比SDBS提高15.7%,约是水的反渗透高度的9倍,而反渗透高度与界面表面活性剂分子吸附量密切相关,单位时间内其在固-液界面处形成的表面活性剂分子数量越多,与煤之间吸附的效果越好,结果表明,表面活性素能够有效促进亲水基团定向排列,降低水的表面张力,增强水溶液对煤尘的润湿效果。(3)微观结构分析表明,表面活性素分子含有较多的亲水性含氧官能团,经表面活性素溶液润湿的煤样,-OH、C-O等含氧官能团大幅增多,与原煤相比,SDBS润湿后煤样的-OH、C-O峰面积分别增加了104.8%和132.7%,而表面活性素溶液润湿后的煤样-OH、C-O峰面积分别增加了114.6%和159.3%,这些亲水基团能够有效地吸引水分子向煤分子迁移从而达到润湿煤尘的目的。经表面活性素溶液润湿的煤尘颗粒之间黏附致密性更好,松散煤粉能够胶结团聚成较大块状,表明表面活性素对细颗粒粉尘的沉降能够起到很好的控制作用。(4)数值模拟结果表明,添加表面活性素注水可以有效增大煤层注水润湿半径,强化煤层注水润湿效果。静压注水数值模拟结果显示,当注水压力分别为1 MPa和2 MPa时,添加微生物表面活性素后,注水的有效润湿半径分别扩大了77%和93%;动压注水数值模拟结果显示,随着注水压力的增大,注水的有效润湿半径呈先快速增加后缓慢增加的趋势,注水压力应控制在6 MPa,同时,随着注水时间的延长,煤层平均孔隙水压逐渐增大,且添加表面活性素注水的煤层孔隙水压始终大于添加SDBS和水。当注水8d时,无添加煤层注水的有效湿润半径仅为1.8 m,添加SDBS的有效湿润半径为5.6 m,而添加表面活性素的有效湿润半径达到了6.8 m,相比于SDBS提高了21.4%,是注入纯水的3.7倍。

关键词： 玻色-爱因斯坦凝聚   卡门涡街   三体相互作用   非线性薛定谔方程   离散强度  

摘要： 玻色子在温度足够低的情况下，将会从较高能级跌落至最低能级，这一状态被称为玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einsteincondensate，简称为BEC)。1995年碱金属原子BEC的实验实现为深入研究提供了平台。由于凝聚体的相干性，系统中的孤子和涡旋现象成为了重点研究课题。一定条件下，流体流经障碍物时会出现两列规则的线涡，经过非线性作用形成卡门涡街。三体相互作用会影响BEC的稳定性，存在较小的三体相互作用强度也会使凝聚体中原子的数量增加。研究两体和三体相互作用下BEC的稳定性有助于在未来应用超冷气体。此外，光晶格中的实验技术证明了离散BEC系统的重要性。离散BEC中可观察孤子、涡旋等重要的量子现象。目前对连续BEC中卡门涡街的研究较多，但对离散BEC系统的研究较少。对BEC中卡门涡街的研究有助于理解经典和量子流体间的区别与联系。　　基于此，本文选取Gross-Pitaevskii(GP)方程研究具有两体和三体相互作用下准二维BEC中移动障碍势后的涡旋脱落模式。我们详细分析了三体相互作用、障碍势宽度和移动速度对涡旋结构的影响。通过计算涡旋对之间距离和角速度的变化以及拖拽力对障碍势的影响，研究涡旋产生的物理机制。数值模拟结果表明，当两体相互作用为吸引或排斥时，考虑三体相互作用，系统中会出现稳定的卡门涡街现象。BEC中形成卡门涡街的稳定性条件小于不考虑三体相互作用的情况。考虑到三体相互作用，障碍势的速度较大和宽度较小更有利于卡门涡街的形成。最后，在三体相互作用下的BEC系统中，我们分别提供了当两体相互作用为吸引或排斥时实现涡街的方案。　　本文在GP方程的基础上使用Wannier函数扩展系统的波函数，得到离散的非线性薛定谔方程。基于该方程研究离散的准二维BEC中移动障碍势后的涡旋脱落模式。数值模拟结果表明，在不同的离散强度下发现了四种涡旋结构。离散BEC中形成卡门涡街的稳定性条件小于连续BEC中的情况，随着离散强度的增加，涡街的稳定性条件更接近于经典流体中的情况。此外，离散强度的增加会改变BEC中的密度分布，涡街的形成面积明显窄于其他涡型。当障碍势的移动速度加快时，会更容易形成卡门涡街。

摘要： 一、引言流体力学是一门在近代发展起来的学科它主要研究的是由固体和液体组成的具有弹性性能、能克服静摩擦阻力而产生位移或振动特性。随着,现代科学技术不断进步与应用领域逐步扩大化等方面人们对工程中所需材料及结构形式进行了大量创新性设计。其中最常见:也最为常用到的是利用流体力学来解决土木工程问题在建筑施工过程之中常常需要用到许多复杂且非线性系;数较大的工作量和难度大，而,且还具有一定的危险性而在土木工程施工过程之中流体力学的应用可以解决很多复杂且非线性问题。

关键词： 五龙沟金矿田红旗沟矿区   流体包裹体特征   电子探针分析   R型聚类分析   东昆仑成矿带  

摘要： 五龙沟金矿田位于青海省的中北部,大地构造位置处于东昆仑造山带中部构造带。红旗沟矿区位于五龙沟金矿田东部,区内构造-岩浆作用强烈,有利于金多金属成矿。本文在系统总结前人相关科研成果和开展矿区野外地质调查的基础上,综合运用了岩相学、矿相学、岩石地球化学等理论方法,并结合流体包裹体分析、电子探针分析,对红旗沟矿区的金及其相关微量元素组成、载金矿物的形成环境以及成矿流体特征等方面进行了系统分析。红旗沟矿区出露地层主要为元古界金水口群、小庙组和丘吉东沟组,矿区内地表岩石破碎程度高,碎裂岩化强烈,节理裂隙十分发育,区内岩浆岩类型多样,由中-酸性岩浆侵入产出的各类花岗岩与闪长岩等侵入岩分布普遍,矿区及周边已经圈定金矿（化）体125条,矿床规模已达大型金矿床。矿石中金属矿物以黄铁矿、黄铜矿、方铅矿和闪锌矿等为主,非金属矿物以石墨、石榴子石、石英等矿物为主,结构主要是半自形-它形粒状结构、粒状纤状变晶结构等,而构造主要是稀疏浸染状构造等;围岩岩性种类多样,以斜长花岗岩、黑云石英片岩和凝灰质板岩为主,矿区常见围岩蚀变现象,黄铁矿化、硅化等现象对于找寻金矿体的形成具有重要作用。根据微量元素蛛网图,红旗沟矿区构造蚀变带与围岩中的金及相关元素总体表现为富Hg、中Au、Ba、As,低Ba、Co、W的特征,这种同步变化关系说明构造蚀变带在蚀变过程中有来自后期围岩物质的参与;根据蚀变带中金及相关元素的相关性和R型聚类分析,结合前人研究,认为区内与Au关系密切的元素为Cu、Sn、W、Ni、Zn、Mn。流体包裹体的测温表明成矿流体的均一温度介于226～301℃,盐度在1.81～14.04wt%Na Cl之间,计算得成矿流体密度介于0.7292～0.9416g/cm之间,成矿压力为154.1305×10～5～341.9194×10～5Pa,成矿深度介于1.54～3.42km;结合流体包裹体测试结果,磁黄铁矿、黄铁矿和闪锌矿等载金矿物特征表明矿区金矿形成于中温和中深环境,黄铁矿和闪锌矿的主微量元素特征指示了金的成矿作用与花岗质岩浆作用有关,显示岩浆热液成因。结合流体包裹体、载金矿物特征和矿床地球化学等特征,认为红旗沟矿区金矿形成于中温、中浅成环境,成因类型应属与热液有关的造山型金矿,Au-As-Sb-Hg-W-Sn-Cu-Ni-Mn-Zn元素组合特征对东昆仑地区金多金属找矿具有良好的指示意义。

关键词： 阴离子氟表面活性剂   磷酸酯   磺酸酯   表面张力   热稳定性  

摘要： 含氟表面活性剂（Fluorinated Surfactants) 是一类疏水链段含有氟原子的特殊表面活性剂，相比于普通碳氢烷基链的表面活性剂，其具有更优秀的表面活性、高化学稳定性与热稳定性，氟原子很强的电负性与适当的原子半径起到对碳链的屏蔽作用，使得表面活性剂的化学稳定性更好，可以应用于不同酸碱盐浓度与高温的严苛环境中。在近些年有着很大程度的发展。非离子氟表面活性剂为在溶液中不发生解离或电离的表面活性剂，相比于离子型氟表面活性剂，其表面活性要稍弱，受溶液盐浓度、温度和酸碱性的影响较大，也无法像离子型表面活性剂在解离后表面活性基团由于静电作用从而均匀分散。　　因此本文首先合成出全氟聚醚磷酸酯阴离子氟表面活性剂，其结构类似于天然磷脂分子结构，生物相容性很好。详细探究其合成过程中醇解磷酸化实验与水解实验的工艺条件，选择不同磷酸化试剂和加料工艺得到最佳方案，解决了磷酸化试剂易吸水潮解造成的加料问题，并首创出简单的含氟磷酸酯表面活性剂的纯化方法，主要原理是无机磷酸盐在特定pH值范围时在某些溶剂的溶解性质不同，达到分离出产物中磷酸杂质的效果，经过热重与表面张力测试，纯化后的产物热稳定性有提高，产物中活性成分增加表面活性有了提高，均说明纯化过程是有效且必要的。之后以全氟己基乙醇聚氧乙烯醚与磷酸化试剂的用量比例、不同氧乙烯数的全氟原料为变量，实验得到的最佳产物的原料比例为3.4 :1，全氟聚醚的聚氧乙烷链数为5，其产物的磷酸单双酯比例为5.2 :1，其水溶液临界胶束浓度CMC为0.0011mol/L，最低表面张力为17.13mN/m。　　含氟磷酸酯表面活性剂的表面活性与润湿效果虽然十分优异，但其在环境中分解后会产生氟化物与磷酸盐物质，磷酸盐会造成水体的富营养化对环境有一定的影响，同时其热稳定性性能稍差。因此在上一章的基础上，将磺酸酯基团引入全氟己基聚氧乙烯醚分子结构中，含氟磺酸酯相比含氟磷酸酯表面活性剂有着更高的表面活性和更好的热稳定性。实验分别选择氯乙基磺酸钠法和羟乙基磺酸钠法两种不同的磺酸酯合成方法，比较了不同工艺条件、反应物用量和不同氧乙烯的全氟原料对产物性能的影响，发现使用羟乙基磺酸钠法得到的产率较高，原料比例为1: 1.2，全氟聚醚的聚氧乙烷链数为5 时的产物表面活性最优，其水溶液的临界胶束浓度CMC为9.9x10_4mol/L ，热稳定性以及在聚四氟乙烯板上的润湿性能都要好于磷酸酯产物。　　实验最后得到结论：不同反应物比例的含氟聚醚磷酸酯产物中磷酸单双酯的比例不同，当产物中磷酸单酯含量较高时产物的表面活性要更好一些，含氟聚醚的聚氧乙烷链段长度会影响分子的亲水性，过长或过短都不利于形成紧密排列的胶束聚集体结构。本文对不同系列的阴离子氟表面活性剂的合成与性能进行探究，对其实际生产及应用有着一定的参考价值与指导作用。