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关键词： 空间核反应堆   纳米流体   表面张力   比热特性   蒸发速率  

摘要： 空间新能源是人类进行空间探索的必要保障,空间核反应堆因其不受环境影响、寿命长、安全可靠等特点,将成为空间探测的必然选择,在空间堆中,热电转换系统是将反应堆内产生的裂变热能转换成电能,是空间堆能源系统的关键环节,为避免堆芯熔化等事故问题,则需要对传热系统进行优化设计,而换热系统效率及换热设备紧凑高效离不开换热工质优质的传热性能。纳米流体作为一种新型冷却剂工质,是在传统工质中添加一定比例的纳米级非金属氧化物或金属粒子,能够有效增加换热设备在高热工况下的传热性能。本文主要通过对水基纳米流体基础物性进行实验研究,而水基纳米流体相对于基液具有传导率高,表面张力大等优势,若将纳米流体应用于空间核反应堆冷却剂工质,设备换热能力或将增强。因此,有必要对水基纳米流体的基础物性展开研究,重点关注影响其界面特性、相互作用以及伴随的多相流传热传质的参数特性,如表面张力、比热容及蒸发速率等静态和动态特性等。本文通过“两步制取法”制备了不同体积分数的氧化铝纳米流体,通过观察实验,探究了超声和静置时间、体积分数对于水基氧化铝纳米流体稳定性的影响。随着静置时间的累积,纳米流体的稳定性下降;纳米颗粒所占体积分数越大,纳米流体越不稳定。配置好的纳米流体,将在后续实验中使用。采用铂金板法,通过搭建表面张力试验台架研究了不同纳米流体表面张力变化规律:表面张力随着温度的升高,会有很明显的下降趋势,与温度呈现负的线性相关;在一定温度下,加入固态纳米颗粒会增加纳米流体的表面张力,当超过一定温度和浓度的临界值时,加入纳米颗粒会降低纳米流体的表面张力。采用温升计时法,通过搭建比热容试验台架,针对不同温度、不同体积分数的纳米流体进行测量实验,结果表明:当纳米颗粒体积分数增加或纳米流体试液的温度升高时,纳米流体的比热容都会随之增加。通过搭建蒸发速率试验台架,运用热力动态质量法对其进行测量研究。获取了纳米流体在25～275℃的蒸发速率值,并得出随蒸发速率会随着加热温度的升高而变大,同时体积分数大的纳米流体蒸发速率会更高。

关键词： 微米结构   液滴   界面润湿   定向输运   表面张力  

摘要： 液滴作为液体的离散相是界面润湿行为调控的基本单元,在流体机械、油水分离以及微流控等领域广泛应用。近年来,随着精密微米加工技术的显著进步,微电子机械系统（MEMS）的出现开辟了传统机械在微尺度领域的新的研究热点。在微尺度条件下,液体表面张力对液滴润湿、运动及热质传递等行为的影响显著增强,固液界面相互作用成为影响微电子机械系统运行性能的重要因素。因此,实现液滴界面润湿行为与输运特性的精准调控对提升微电子机械系统运行效率及提高相关工业生产能效具有重要意义。基于此背景,本课题系统地开展了微米结构表面液滴界面润湿行为和定向输运特性的研究,主要内容包括:单元微米结构表面液滴界面同向润湿行为、微槽结构表面液滴界面异向润湿行为、微槽结构表面液滴定向临界滑移特性、锥形结构表面液滴定向自输运特性。本文探究了单元微圆锥、圆台和球体结构表面液滴界面同向润湿行为,通过构建微结构表面液滴润湿体系自由能计算模型,研究了在1μL液滴半径尺度（R0=0.62 mm）限定条件下,微结构表面的几何特征与固有润湿性参数对液滴稳态浸没深度的影响规律,同时构建了微圆锥与圆台结构表面液滴稳态润湿分布图。研究发现,液滴稳态浸没深度与微圆锥亲水表面顶部夹角、微圆台亲/疏水表面顶部圆直径以及微球体亲/疏水表面半径参数之间为单调关系,而与微圆锥疏水表面顶部夹角以及微圆台亲/疏水表面顶部夹角参数之间为非单调关系。在相同的表面几何参数条件下,液滴稳态浸没深度随表面亲水润湿性的增强而增大。此外,在微圆锥、圆台、球体亲水表面（θY=30°）与疏水表面（θY=160°）,其中特别地,球体亲水表面的液滴接触线位于上半球体位置,接触线张力会促使液滴接触线向上收缩滑移;在微球体亲水表面,当液滴接触线位于下半球体位置时,接触线张力会促使液滴接触线向下润湿铺展。本文还探究了平行微槽结构疏水表面（WR/WG≈0.5和1,θY=117.52°）液滴界面异向润湿行为,基于液滴表观接触角、槽宽与肋宽等参数构建了描述液滴底部界面长宽比与无量纲近似面积特征以及润湿体系无量纲自由能的经验关联式,揭示了上述参数与液滴异向润湿特征以及润湿稳定性的相关性及相关程度。结果表明,微槽结构表面液滴在平行槽向的润湿铺展性能强于垂直槽向,并且在相同的液滴体积条件下,液滴垂直槽向的接触角和底部界面宽度主要受到微槽结构表面几何参数的影响,而液滴平行槽向的接触角和底部界面宽度则主要与微槽结构表面固有润湿性有关。液滴表观接触角与液滴底部界面长宽比参数之间的相关性较弱,而液滴平行槽向的接触角与液滴底部界面无量纲近似面积之间的相关性较强;肋槽宽度比则与液滴润湿体系无量纲自由能为负相关关系,当液滴底部固液界面的相对面积越大时,体系自由能越小,液滴的Cassie润湿态越加稳定。在上述微槽结构表面液滴界面异向润湿特征的研究基础上,本文进一步探究了液滴（V=7μL～39μL）沿平行槽向的定向临界滑移行为。通过考虑微槽结构表面液滴接触线的离散分布特征,构建了平行槽向的液滴滑移阻力计算模型,基于阻力模型计算得到的受重力驱动的液滴临界滑移角与实验结果吻合,两者之间的相对偏差小于10%。此外,研究还发现在相同的液滴体积条件下,液滴固液界面的垂直槽向宽度越大时,液滴沿平行槽向的滑移阻力以及临界滑移角越大,基于此,本文提出了液滴三相接触线无量纲有效长度用于表征微槽结构特征对液滴接触线分布长度的影响,其与液滴临界滑移角之间存在近似线性的正相关关系（R2>0.95）,可以用于定性比较相同体积液滴在不同润湿状态下的定向临界滑移性能。不同于液滴在微槽结构表面受重力驱动的被动式定向输运行为,本文还探究了液滴在锥形结构表面（2φ≈5°）受曲率梯度驱动的逆重力定向自输运行为。本文通过“抛物线形”近似描述液滴自输运终态位置的气液界面形貌特征,基于“抛物线形”描述方程以及力平衡关系构建的液滴自输运终态高度计算模型具有较高的计算准确度,与实验结果的相对偏差小于20%,同时,基于“抛物线形”描述方程计算得到的液滴润湿体系自由能与Surface Evolver模拟结果的相对偏差小于15%。在相同的自输运高度位置,体积以及表面张力越小的液滴,其逆重力自输运速度相对越大,而液滴初始位置的高度差异对液滴自输运速度的影响较小。此外,本文以递减型驱动力、重力与粘附阻力构建的自输运经验动力学平衡关系,可以获得与液滴实验自输运速度沿程变化规律一致性较高的计算结果。基于上述研究基础,本文设计了“锥体-套管”组合装置应用于水中油滴的定向自输运与分离,同时实现水上油层的受限堆积与自导出。通过本文的研究,进一步阐明了微结构表面几何参数与固有润湿性对液滴稳态界面同向与异向润湿行为的影响机制,揭示了平行微槽结构表面与锥形结构表面液滴定向输运动力学机理,为提升液滴操控的可控性与高效性指明方向,为发展和设计制造具

关键词： 全局神经网络势函数   GaN   缺陷   辐照损伤   HfO2   结构转变  

摘要： 在半导体材料和器件领域,分子动力学方法可用于研究半导体材料的辐照损伤等过程,但由于经典势函数可能存在较大误差,降低了分子动力学模拟的准确度。近年来迅速发展的神经网络(NN)势函数可使分子动力学模拟获得第一性原理级别的准确度。目前针对硅、二氧化硅等半导体器件中常见材料已有NN势函数的报道,而针对禁带半导体氮化镓(Ga N)和新型铁电材料二氧化铪(Hf O)中缺陷性质模拟的NN势函数还未有报道。因此,为了提升这两类材料的分子动力学模拟准确度、加强对其缺陷性质的理解,本文针对Ga N和Hf O分别构建了用于进行缺陷性质计算模拟的NN势函数。本文使用随机表面行走与神经网络(SSW-NN)相结合的方法,通过加入大量非化学配比结构准确描述缺陷性质,并基于对本征点缺陷及缺陷对能量和形成能进行基准测试,构建了针对Ga N缺陷计算模拟的全局神经网络(G-NN)势函数。利用该G-NN势,本文计算了Ga N中原子沿不同晶体学方向的离位阈能,与第一性原理计算结果符合。本文还模拟了辐照损伤过程中,Ga作为初级碰撞原子的级联碰撞过程,得到了产生的缺陷类型及其相对浓度。这一势函数的发展有助于推动Ga N辐照损伤微观机制的研究,对增强Ga N器件抗辐照性能和优化离子注入工艺具有积极意义。本文还构建了针对Hf O体系的缺陷计算模拟的G-NN势,并通过预测Hf O各种相的能量以及点缺陷的形成能,验证了该势函数具有和第一性原理级别的准确性。利用G-NN势,本文还初步探索了室温下Hf O各主要相之间的结构转变过程,发现了立方相→四方相→正交相和立方相→四方相→单斜相等两个结构转变过程,为进一步研究Hf O体系的相变提供了可行的方案。这项工作可为进一步探索Hf O体系的缺陷性质和结构相变提供理论工具。

关键词： 氧化镓   势函数拟合   分子动力学   声子热输运   机器学习  

摘要： 宽禁带半导体具有禁带宽度大、击穿场强高等显著特点,在未来电力电子领域中具有广阔的应用前景。除超宽禁带和高击穿场强外,新一代半导体氧化镓还具有高热力学稳定性和低成本可大批量制备等优势,被认为是解决未来高功率、高频率器件核心部件组成问题和降低能耗损失的关键材料。此外,由氧化镓和具有优异热光电性能材料组成的复合材料在功率和光电器件中的应用备受关注。然而,电子器件向微小化、集成化、高密度化方向的发展随之带来的显著的热效应问题在很大程度上限制了新一代半导体氧化镓在未来功率器件中的应用和发展,因此,探究氧化镓及其复合材料的热输运特性和声子作用机制是必要且迫切的,这对于充分理解宽禁带半导体氧化镓的热物性和加速半导体氧化镓在未来信息通讯、航空航天和轨道交通等领域的高压、高功率和高频率器件中的应用具有至关重要的作用。针对氧化镓热物性探究不透彻、导热机理不够明确以及基础高效计算模型缺失等问题,本文通过经验拟合方法和第一性原理结合机器学习方法分别建立了氧化镓经典原子间势函数和机器学习原子间势函数,采用分子动力学(MD)等方法,探究了氧化镓本征热输运特性,揭示了不同因素对氧化镓基复合材料界面热输运特性的作用规律,明晰了氧化镓内部声子输运的微观机理和氧化镓与复合材料界面间的声子作用机制。具体研究内容和主要研究成果有:(1)建立了氧化镓经验势模型,拟合了对应的势函数参数,并基于经验势函数探究了氧化镓基本物理特性。计算结果表明,拟合得到的势函数参数可以准确地描述氧化镓的晶格参数、空间群结构并准确预测了其弹性常数、体弹模量、杨氏模量、剪切模量和泊松比等体态参数;同时通过计算发现,拟合得到的经验势函数参数可以很好地预测氧化镓的声子特别是低频声子的色散关系,验证了其应用可靠性。将获得的经验势函数参数应用于经典MD,探究了温度作用下的氧化镓动态特性,发现不同温度下氧化镓中的原子分布特点与实验测量和理论计算相比呈现出很好的一致性。借助平衡态分子动力学方法计算了氧化镓热导率,结果显示其热输运具有显著的各向异性特征。(2)构建了氧化镓/石墨烯异质结界面模型,基于MD方法采用瞬态热脉冲法计算了氧化镓/石墨烯异质结界面的热阻,探究了多种因素对界面热阻的影响规律及潜在的声子作用机制。研究结果表明,由氧化镓、石墨烯组成的异质结结构的界面热阻存在(100)>(010)>(001)的相对大小关系,并通过声子态密度对其潜在机制进行了分析,发现氧化镓/石墨烯(001)界面间声子耦合最强。探究了温度、空位和石墨烯氢化对异质结界面热输运的影响,发现提高温度、增加空位浓度和对石墨烯氢化均能增强界面间声子耦合而有效提高其界面热输运能力。相较于氧化镓中的空位缺陷,石墨烯中的空位更能有效地降低异质结界面热阻。此外,研究结果还表明,石墨烯的氢化可以显著提高二者间的能量输运效率,5%的氢化比可使其与氧化镓间的界面热阻值降低58.77%。(3)开发了氧化镓机器学习势矩张量势(MTP),计算表明其具备可以准确描述氧化镓中原子能量及受力并精准预测氧化镓的声子色散关系的能力。结合玻尔兹曼输运方程,基于MTP计算了氧化镓的晶格热导率并分析了其声子导热机理。研究结果表明,氧化镓中的光学声子对热导率起到了重要贡献,且光学声子对热导率的贡献主要来源于0-6THz的低频光学声子。此外,将获得的MTP应用于经典MD方法进行了氧化镓热导率的大规模体系计算,并对包含所有阶声子散射作用下的氧化镓热输运特性进行了评估。研究发现,受经典理论限制及高阶声子散射作用,基于MD方法计算得到的氧化镓热导率相比于BTE方法计算得到的热导率偏低,但仍表现出显著的各向异性特征且与实验测量值很好地符合。对氧化镓势函数性能的综合评价结果表明,本工作所开发的MTP实现了β-Ga2O3热输运特性的大规模高效计算研究,在计算效率和结果可靠性上表现出了最佳的性能。

关键词： 旋风分离器   结焦   沉积   黏附   表面张力  

摘要： 在催化裂化装置中,位于沉降器顶部的旋风分离器的升气管外壁结焦对工业生产危害极大,厘清升气管外壁结焦过程中的科学问题,合理预测并控制结焦物的增长对保障催化裂化装置的长周期安全平稳运行意义重大。本文以炼厂常用的PV型旋风分离器为研究对象,通过增加升气管壁厚的方法来模拟结焦厚度的增长,采用实验和模拟相结合的方法,研究了结焦厚度的增加对旋风分离器的内部流场、分离性能和后续结焦情况的影响。实验结果表明,随着结焦厚度的增加,旋风分离器的压降小幅度降低,分离效率明显降低。模拟结果表明,随着结焦厚度的增加,旋风分离器环形空间的切向速度逐渐减小,轴向速度逐渐增大;筒体段与锥体段的切向速度和轴向速度变化不明显。随着结焦厚度的增加,升气管入口处的“短路流”逐渐增加,轴向速度“滞留”逐渐减小。此外,升气管外壁结焦厚度的增加一方面会减小环形空间流体微元的向心加速度,从而减小颗粒向壁面黏附的几率;另一方面会增强气流对已黏附颗粒的清除作用,抑制结焦厚度的进一步增长。升气管结构的变化会影响环形空间的流场,因此本文探究了斜板式的升气管对旋风分离器的环形空间流场、分离性能和结焦情况的影响,结果表明,在高入口气速的条件下,相比于PV型旋风分离器,斜板式旋风分离器有着略低的分离效率和更低的压降,且其升气管壁面处的切向速度梯度和轴向速度梯度更大,切向气流和轴向气流对已黏附颗粒的清除作用更强。以180°弯管为研究对象,采用实验和模拟相结合的方法,探究了强旋流场下粒子向壁面的沉积特性及影响机制。气相模拟结果表明,弯管内部存在明显的“二次流”且上下两部分对称分布。实验结果表明,弯管内壁的颗粒沉积呈“喇叭”型,壁面粗糙度、入口气速、颗粒浓度越大,颗粒的沉积质量越大,且颗粒在“黏性”壁面上沉积时具有时间效应。气固两相模拟表明,颗粒与壁面的碰撞效率随入口气速的增大而减小,随颗粒粒径的增大而增大;颗粒在“黏性”壁面上的沉积效率随颗粒粒径的增大和温度的升高而减小;“黏性”壁面的液膜种类会影响颗粒的沉积效率;当“黏性”壁面的液膜具有反应固化的特性时,随着固化时间的增加和颗粒沉积质量的增加,液膜表面张力系数逐渐减小,颗粒的沉积与剥落逐渐达到动态平衡,此后颗粒沉积质量将维持在一个稳定的值。

关键词： 流体智力   fNIRS   DLPFC   大脑功能连接   EEG   频谱分析  

摘要： 智力是涉及多种认知加工和全脑诸多皮层区域的一般能力,其中流体智力和晶体智力已被许多智力理论视为认知能力的两大类,晶体智力是以学得的经验为基础的认知能力,流体智力是在缺乏经验的情况下解决新奇问题的能力。对于流体智力而言,传统的纸笔测验和大脑机制的研究都能够反映智力水平,其中对大脑机制的研究更加客观直接,功能近红外成像（fNIRS）、脑电图（EEG）等新型的脑成像技术也能够帮助我们获取更多的大脑活动信息。因此,我们需要通过fNIRS、EEG来进一步探究基于大脑功能网络和意识状态所影响个体流体智力水平的机制,发掘fNIRS、EEG在大脑功能网络和脑电频谱上的特征。通过本研究,我们能够明确对智力脑功能的探索和应用,确定流体智力的脑功能特征,为开发便携式智力检测工具提供依据。实验一招募154名在校大学生,采用近红外成像技术与流体智力行为测验（瑞文高级推理测验）相结合,对被试DLPFC脑区进行30分钟静息态的近红外测量,对原始数据进行预处理,随后根据修改后的比尔-朗伯定律计算了处理后的光强度,得出了总体血红蛋白（Hb T）相对浓度变化的信号,基于Hb T值进行成对皮尔逊相关性计算,形成功能连接矩阵,以基于Hb T计算出的相关矩阵值表示大脑功能连接值,对前额叶功能连接均值和瑞文高级推理测验分数做偏相关分析,以此探测静息状态下个体流体智力水平与大脑功能网络的关联。结果发现,在大脑功能网络的特征上,静息态下前额叶的功能连接均值与流体智力水平呈显著负相关（r=-0.227,p=0.019）。这表明在休息状态下,高流体智力水平个体的前额叶脑功能信息交流水平更低,静息状态下前额叶脑功能之间的低连接更有利于流体智力的表现,也就是说流体智力水平高的个体往往其静息态下大脑的前额叶功能连接更弱,对应的脑区信息交流水平更低。实验二招募93名在校大学生,采用脑电图技术与流体智力行为测验（瑞文高级推理测验）相结合,对被试进行10分钟静息态的脑电测量,对原始数据预处理后,使用快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）计算电极的EEG功率谱密度（u V/Hz）,进而计算Delta频段（1-4Hz）,theta频段（4-8Hz）,alpha低频段（8-10Hz）,alpha高频段（10-13Hz）,alpha频段（8-13Hz）,beta频段（13-30Hz）的绝对功率,并且计算了θ功率与α功率的比值（theta alpha ratio,TAR）,对脑电各频段功率的相关指标和流体智力水平做偏相关分析,以此来探测静息状态下个体流体智力水平与意识状态的关联。结果发现在脑电频谱的特征上,静息态下θ的绝对功率和TAR与流体智力水平有所关联,具体来说是θ的绝对功率和TAR与个体流体智力水平呈显著负相关（r=-0.343,p=0.008;r=-0.261,p=0.048）。这表明在静息态下个体的放松程度与流体智力相关联,个体大脑的活动水平越低,其流体智力水平也越高。总的来说,本研究通过fNIRS和EEG来探究个体的脑功能网络机制和意识状态在流体智力水平上所反映的特征。通过fNIRS结果我们发现,智力水平更高的个体,其大脑的信息交流的水平更低。通过EEG结果我们发现,智力水平更高的个体,其大脑活跃程度越低,智力水平也就越高。这表明高流体智力个体整体大脑的活动水平更低,这可能和他们更会合理地分配认知资源有关。在任务状态下,相关任务的脑区才会被唤醒,而无关的脑区呈现低连接的状态,以此来达到效率最大化,而在静息状态下,大脑处于“养精蓄锐”状态的个体,他们能减少“无意义”的认知资源的浪费,往往表现出更高的流体智力。

关键词： 平衡态液滴   表面张力   Young-Laplace方程   接触角   切向拖曳力  

摘要： 在很多工业领域应用中,液滴在毛细力作用下附着在纤维上,如滤纸式空气过滤器中的气液分离过程、质子交换膜燃料电池中水滴在气体扩散层中的渗透过程。所以研究纤维与液滴之间的相互作用是一个热点话题。本文基于图像识别并通过数学分析和试验的方式,对纤维上的静态液滴受力进行了深入的研究,为今后的动态液滴受力分析做好铺垫。本文的主要研究内容有:(1)设计搭建水平纤维上平衡态和倾斜纤维上的动态液滴试验研究系统,以获取纤维上液滴受力状况。详细介绍了试验系统的设计思路与试验系统的设计要求,在试验过程中选用不同直径的纤维与张力系数不同的液体,采取控制变量法进行试验。同时对试验系统的关键零部件进行选型,制定试验方案并对试验过程中相关参数进行了标定,建立液滴动力学模型。(2)基于正交的二维液滴图像,完成了非轴对称液滴三维模型的重构。针对液滴轮廓拍摄不全问题,通过多项式拟合方法补全液滴的三相接触线,获得了完整的液滴轮廓,借助正交的二维图像完成非轴对称液滴与纤维三维模型的重构。基于Young-Laplace方程,结合图像法去获取液滴轮廓的曲率半径、液滴表面张力所产生的压力和以及其水平分力和竖直分力。随后开展液滴表面张力标定试验,验证了三维模型重构方法的有效性。(3)基于液滴颈缩处的宽度、接触线长度以及液滴形状的变化情况,结合两个部位局部邦德数的变化情况。研究发现,液滴颈缩处的邦德数上升速度明显快于接触线处,即颈缩处为液滴受力的薄弱点。并对该结论进行验证:首先计算出液滴各部位所受的剪应力大小,然后通过三维软件呈现出液滴受力云图,结果表明液滴在颈缩处受到的剪应力最大,即液滴最先从应力最大处脱落。(4)基于Young-Laplace方程,计算出表面张力的积分力,最终得到液滴与纤维之间的毛细力。对于倾斜纤维试验,由液滴三维几何模型重构方法获得纤维与液滴之间的切向拖曳力,解决了非轴对称液滴切向毛细力试验方法问题。研究表明,表面张力积分方法显著优于接触角迟滞方法。随着纤维倾斜角度增加,液滴所受切向拖曳力增大。

关键词： 干湿循环   接触角   表面张力   颗粒运动轨迹  

摘要： 暴雨、台风、干旱等极端天气增多,加剧了地表干湿循环,降雨和高温使土体内含水量发生变化,影响土体内的特性,危机建筑物安全。因此,研究不同干湿循环次数下试样材料力学特性的变化规律,并对其内在机理进行揭示具有重要的理论意义。研究干湿循环对玻璃珠、标准砂和Q黄土基质吸力和抗剪强度的影响,从理论角度入手探讨了干湿循环影响的内在机理。得到的主要研究结论如下:(1)研发了试验装置和数据分析方法,实现并利用该装置进行低吸力、高精度下的基质吸力试验,研究不同干湿循环次数下土-水特征曲线的影响规律。比较玻璃珠和标准砂不同粗颗粒材料的土-水特征曲线,对比分析颗粒大小和形状对土-水特征曲线出现异同的原因。(2)进行了不同干湿循环次数的固结排水剪切试验。分析应力-应变曲线、围压和循环次数之间的变化趋势以及毛细粘聚力c、内摩擦角φ与干湿循环次数的关系,以及试样变形与循环次数和围压之间的关系。(3)从理论入手构建最简单立方体模型,探讨各个参数对理论基质吸力的影响。结合玻璃珠的试验和理论土-水特征曲线进行对比,具有良好的一致性,验证了解析模型的准确性,分析了接触角、表面张力系数与基质吸力的关系。(4)对玻璃珠在定水头、定水速状态进行平面下的增减湿试验,通过摄像机全程对颗粒位移情况进行捕捉。用接触角测量仪研究增减湿过程载玻片、玻璃珠、标准砂和液体之间形成的固-液接触角,分析抽湿和蒸发作用下接触角变化的差异。用表面张力测量仪,测试不同温度条件下的表面张力系数,发现表面张力系数随温度变化曲线与SWCC形状类似。

关键词： 微弱信号检测   随机共振   非对称联合系统   非线性耦合非对称系统   智能优化算法  

摘要： 微弱信号检测技术对消除旋转机械事故,促进旋转机械制造业的安全性和稳定性具有重要意义.利用随机共振检测微弱信号已成为近几年的研究热点.在随机共振的研究领域通常研究对称系统的随机共振,关于非对称系统的随机共振研究比较少见.现实生活中多为非对称系统随机共振,为了更贴合实际情况,本文基于随机共振和智能算法等相关知识,研究了非对称随机共振系统对微弱信号的检测效果.具体的工作如下:1.研究非对称联合势函数系统的随机共振及在微弱信号检测中的应用.首先,利用高斯势函数和非对称双稳态势函数联合成新的非对称势函数系统.其次,基于双稳态理论和绝热近似理论推导系统的信噪比解析式,并讨论系统参数对信噪比的影响.然后,通过数值模拟验证所提系统随机共振可以准确地检测带噪声的各种类型的微弱信号,例如周期信号、数字信号等.最后,基于粒子群优化算法的所提随机共振系统对实际轴承故障信号进行检测,并与经典随机共振系统进行对比,验证了该系统能更有效地检测微弱信号.2.研究基于自适应加权粒子群优化算法的非线性耦合非对称系统的随机共振及在微弱信号检测中的应用.首先,将非对称双稳系统和单稳系统耦合建立非线性耦合非对称系统.其次,基于绝热近似理论推导系统的概率密度函数、平均首次穿越时间和信噪比解析式,并分析系统参数对三者的影响.然后,通过数值模拟实验验证所提系统随机共振可以检测Lévy噪声下的微弱信号.最后,基于自适应加权粒子群优化算法的非线性耦合非对称系统的随机共振应用于轴承故障检测并与优化的经典随机共振系统检测结果进行对比,证明非线性耦合非对称系统随机共振更能够精确地检测轴承故障信号.