课程文献中心 更多>>

关键词： 降膜流动   传热   表面张力   计算流体力学   换热器  

摘要： 固体表面上的液膜流动是生活中的常见现象,如玻璃窗上的雨水流动和外掠圆管的降膜流动等,它们受到重力、表面张力和电磁力等的驱动。该问题涉及流体动力学、界面科学、传热和传质等多个领域。本文研究了由重力驱动的液膜(降膜)流动及传热问题。数值模拟是研究降膜流动传热问题的重要方法,在揭示物理机制方面发挥着重要作用。表面张力模型对降膜流动传热的数值模拟结果影响显著。目前,文献中数值研究普遍采用连续表面力模型(Continuum surface force model,CSF)来计算表面张力,尚未对其他表面张力模型的适用性进行研究,并缺乏机理性解释。因此,探究表面张力模型对降膜流动数值计算结果的影响,对今后该领域的研究具有指导意义。本文研究了光滑竖直平板、水平圆管、水平椭圆管以及水平圆管脉动降膜流动在不同表面张力模型下的降膜流动和传热特性。主要研究结论如下:(1)在光滑竖直平板上,重力驱动的薄液膜流受到表面张力的影响,如果忽略表面张力,液膜容易发生飞溅而非连续稳定地流动;在入口段,两种模型均可获得自由铺展的完整液膜,但CSF模型下的液膜流动速度稍快,液膜层会出现高频低振幅的规则波动;在发展段,两种模型下的液膜从平滑表面逐渐变为波动表面,并出现孤立波的迹象,但没有形成稳定的孤立波,两种模型下的液膜形态开始有较大差异,液膜层有低频高振幅的不规则波动;在稳定段,两种模型下的液膜都呈现正弦波状,并具有陡峭前端和延长尾部。两种模型下的液膜形态比较相似。液膜层有更低频更高振幅的复杂波动,大波中叠加小波。(2)在水平圆管降膜流动和传热中。表面张力对水平管上的重力驱动的薄液膜流有重要影响,它可以限制液膜的扩散和促进液膜表面的变形,如果忽略表面张力,液膜会飞溅而不是稳定连续地流动;在液膜上、下停滞点附近,CSF和连续表面应力(Continuum surface stress,CSS)模型都能够模拟出相似的液膜轮廓,而没有表面张力会使得液膜严重失真;CSF和CSS模型都能够反映出水平管降膜的流动特征,包括悬滴、柱颈缩或颈缩断裂、膜厚度、涡流、液膜分离以及速度分量等;CSF和CSS模型下的水平管上的时间平均膜厚度没有显著差异;在传热特性方面,发现随着液膜流量的增加,局部传热系数也随之增加,且对管道上半部分的影响更显著;此外,忽略表面张力的计算会高估传热系数,特别是在液膜流量最小时;CSF和CSS两种模型均能较好的计算降膜流动传热,特别是在液膜流量大的情况下(Г=0.284 kg·m·s)。(3)在水平椭圆管降膜流动和传热中。液膜厚度从进口处开始逐渐变薄,没有表面张力会使得液膜厚度变大;CSF和CSS模型计算的液膜厚度有一定差异,但都能反映表面张力对降膜流动过程的影响;当椭圆管长短轴比增大时,液膜在上下滞止区停留的时间缩短,导致液膜积聚时间缩短,液膜厚度减小,从而使得局部传热系数增大,特别是在θ=20-180°附近;CSF模型和CSS模型都能体现椭圆管的壁面换热情况,但有一定差异。(4)在水平圆管脉动降膜流动和传热中。忽略表面张力会导致整个圆周上液膜厚度的减少,特别是上滞止区附近;在液膜流量较小时,CSF和CSS模型均能反映出管外脉动降膜流动下的液膜流动特性。随着液膜流量的增加,CSF模型下脉动降膜流动和稳定降膜流动计算的液膜厚度值比较吻合,而CSS模型情况下,稳定降膜流动下的液膜厚度值偏高;在降膜传热特性方面,低液膜流量时,CSF模型的计算结果比CSS模型好,但在液膜流量较大时,两者没有差别。

关键词： 沥青铀矿   流体包裹体   C-H-O同位素   成矿作用   海德乌拉铀矿床  

摘要： 海德乌拉铀矿床位于东昆仑造山带东段,是西北地区最新发现的与火山岩有关的独立铀矿床,该矿床的发现对于东昆仑造山带探寻热液型铀矿床提供了指示意义。在野外地质调查的基础上,本文通过扫描电镜、电子探针和激光原位分析等对海德乌拉铀矿床沥青铀矿开展了化学成分分析和同位素定年工作,获得了该矿床成矿时代;分析了与成矿关系密切的热液矿物（粉红色方解石、紫黑色萤石及石英）中流体包裹体的岩相学特征、显微测温学特征、单个流体包裹体激光拉曼成分特征,查明了矿床成矿流体的基本性质（温度、盐度及成分）,并结合碳、氢、氧同位素特征分析了成矿流体来源,初步探讨了矿床成因。本文得出以下几点认识:（1）结果显示海德乌拉铀矿床沥青铀矿具有较高的Ca和REE含量,较低的LREE/HREE比值。沥青铀矿电子探针U-Th-Pb化学年龄为226～350 Ma,峰值为289Ma;U-Pb同位素年龄为234.6±1.2 Ma（MSWD=0.99,n=17）。两组年龄的差异可能与海德乌拉铀矿床沥青铀矿中存在普通铅而导致电子探针U-Th-Pb化学定年失准有关。研究认为海德乌拉铀矿床沥青铀矿的形成有岩浆期后的中-低温热液流体参与,矿床的形成可能与古特提斯构造域布青山-阿尼玛卿洋北向俯冲-碰撞后的伸展环境有关。（2）海德乌拉铀矿床流体包裹体性质:（1）在成矿期石英、粉红色方解石和紫黑色萤石样品中均发育大量原生或假次生流体包裹体,主要成群成带状分布,偶见零星分布,呈无色,多以规则状为主,个体大小一般从几微米到数十微米不等,气液比多在5%～20%之间。成矿期石英中主要为HO气液两相包裹体,少见CO-HO两相包裹体;在粉红色方解石脉、紫黑色萤石脉中流体包裹体均含HO气液两相包裹体,在粉红色方解石脉中偶见纯液相包裹体,均未见到纯气相及含固相包裹体。（2）本文有关流体包裹体显微测温研究是在多组有效流体包裹体组合（FIA）的基础上进行的。显微测温学结果表明:成矿期粉红色方解石、紫黑色萤石及石英中包裹体均一温度范围分别为133～187℃（均值163℃）、127～204℃（均值169℃）、183～287℃（均值219℃）。紫黑色萤石和粉红色方解石中流体包裹体的均一温度峰值均集中于150～170℃,石英中流体包裹体的均一温度峰值集中于200～220℃。以上特征说明该矿床为中低温热液矿床。（3）从流体包裹体的实验结果分析表明:成矿期粉红色方解石、紫黑色萤石及石英中包裹体盐度范围分别为1.40%～7.02%Na Cleqv.（平均值为3.65%Na Cleqv.）、0.53%～3.06%Na Cleqv.（平均值为1.26%Na Cleqv.）和7.17%～17.26%Na Cleqv.（平均值为11.46%Na Cleqv.）。通过公式计算,可知该地区成矿流体密度、压力及深度分别为0.73～1.01 g/cm、7.43～15.65 MPa、0.21～0.52 km。以上特征表明海德乌拉铀矿床属于浅成低温热液型矿床,成矿流体具有低盐度、中等密度、低压的特征。（4）单个流体包裹体激光拉曼成分测试表明,海德乌拉铀矿床流体包裹体气相成分以HO为主,在石英中另含少量CO等。C-H-O同位素实验数据表明,流体中δC、δD、δO值的变化范围分别为-1.59‰～-1.00‰、-71‰～-63‰、0.03‰～3.72‰,表明成矿流体并非单一来源,可能为大气降水与岩浆水混合来源。（3）本文通过对海德乌拉沥青铀矿成矿时代、成矿意义及流体包裹体进行研究,并结合前人的研究,认为海德乌拉矿床是在古特提斯构造域布青山-阿尼玛卿洋北向俯冲碰撞后的伸展背景下形成的,沥青铀矿的沉淀主要是由于流体与围岩的相互反应所引起的物理化学条件变化加上流体沸腾/CO去气,最终导致了沥青铀矿等成矿物质发生大规模的卸载与沉淀。

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 O2）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 O2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 O2体系的缺陷计算模拟的G-NN势,并通过预测Hf O2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 O2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 O2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 O2体系的缺陷性质和结构相变提供理论工具。

关键词： 悬滴法   表面张力   粒子群算法   遗传算法   Young-Laplace方程  

摘要： 表面张力作为液体分子引力的一种表现形式,是环保、新材料开发以及石油化工等众多领域备受关注的重要物理参量。在众多表面张力的测量方法中,悬滴法以其测量精度较高、实验过程简单易行的优点,应用日益广泛。同时,随着科学技术不断向高质量和高精度发展,悬滴法表面张力测量也面临更加严格的测量速度、精度和可靠性的要求。基于图像处理的悬滴法表面张力的测量研究,主要内容如下: (1)设计并搭建了图像采集装置和液滴表面张力测量系统。以CCD及计算机为核心硬件,以Visual C++语言和Open CV的图像处理库编写程序,从悬滴法遵循的Young-Laplace方程物理化学基本原理出发,基于图像处理技术和智能优化算法,实现了悬滴法表面张力的测量系统的开发。整个系统包括实际液滴轮廓的边缘检测以及提取实际轮廓坐标;对Young-Laplace常微分方程组的4-5阶Runge-Kutta法求解,从而绘制理论液滴曲线;构建优化训练的目标函数以及目标函数的改进;通过训练不同优化算法,最终获得表面张力测量值。 (2)图像预处理过程中,能够在试验状态下对悬滴进行高精度拍摄和轮廓边缘准确提取。对采集的液滴图像进行了不同的边缘提取算法研究,在传统的边缘提取算法流程中添加区域生长算法以及Findcontours算法对悬滴最外侧边缘轮廓进行快速提取,提高了悬滴图像提取实际轮廓的准确率。为精准还原实际液滴轮廓,进行了摄像误差纠正和多项式光滑曲线的尝试。 (3)对悬滴法测量表面张力优化过程中的目标函数进行探究。主要对比了全轮廓采样取点和等高度采样取点,在此基础上加以对取点数量及范围的分析探究,实验表明液滴轮廓取点越完整越清晰则参数寻优得到的理论曲线越贴近实际曲线。对于曲线越接近管口拟合效果越不好的现象,对控制优化的目标函数进行了加权函数的设计。通过对基本目标函数和加权函数的目标函数进行实验对比,证明了目标函数的加权进一步优化了曲线拟合效果。 (4)实现了遗传算法及粒子群算法获得悬滴法测量表面张力最优测量值,分析了粒子群算法和遗传算法在悬滴法表面张力测量过程中的最佳寻优参数的设置,并与悬滴法常用的单纯形法进行了对比研究。在实际测量过程中,粒子群算法和遗传算法不再需要选择平面法计算参量的初值,简化了计算步骤。遗传算法的计算精度与悬滴法常用的单纯形法优化算法计算精度相近,粒子群算法在三种优化算法中精度最高。通过本文对悬滴法测量表面张力中的目标函数、优化流程的改进,其相较于经典的悬滴法计算方法精度和计算速度得到了提升。

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： 金矿床   成矿流体   岩浆水   岩相学  

摘要： 招贤金矿位于曲家矿区、纱岭矿区、前陈矿区的深部，是中国近十年来深部找矿成功的案例之一。招贤金矿受控于胶东金矿区西北部的焦家断裂带。据不完全统计，沿该断裂带及其次级断裂带探明的金资源储量超过1400吨，中型以上金矿床达15处。资料显示，研究区深部极具找矿潜力。本研究可以为研究区金矿床形成演化及进一步研究工作提供素材，也对区内金矿床的勘探和深部找矿预测以及渤海湾方向的金矿勘探工作具有重要的参考价值。　　本文在前人地质工作的基础上，结合野外地质调查工作，通过对成矿阶段矿石岩石地球化学特征和石英流体包裹体特征的研究，探讨招贤金矿成矿流体性质及来源，取得的主要成果及认识:(1)招贤金矿床可划分为四个成矿阶段:黄铁矿-石英-钾长石阶段(Ⅰ)、黄铁矿-石英-绢云母阶段(Ⅱ)、多金属硫化物-石英阶段(Ⅲ)、石英-方解石阶段(Ⅳ);(2)通过主成矿期石英H-O同位素测试，认为招贤金矿成矿流体主要来源于岩浆水，后期可能存在大气降水混入;(3)对主成矿阶段石英开展流体包裹体岩相学研究，认为包裹体分为CO2-H2O包裹体(Ⅰ)、H2O溶液包裹体(Ⅱ)、CO2单相包裹体(Ⅲ)、含子矿物包裹体(Ⅳ)四类;(4)成矿期流体包裹体岩相学、测温测压数据表明:招贤金矿成矿流体属于CO2-H2O-NaCl±CH4体系;成矿流体属于低盐度、低密度富H2O、富CO2流体，为中低温、中低压力、中深成矿。白垩纪，古太平洋板块对欧亚板块的俯冲，导致中国东部岩石圈减薄，地幔上隆，地壳拉张，产生断裂，为流体运移和富集提供通道和空间。在深部岩浆-流体上升过程中与地壳中-上部循环的大气水发生混合，最终导致金矿床的形成。

关键词： 顶气边水窄油环油藏   三维物理模拟实验   流体界面运移特征   开发方式   生产参数  

摘要： 顶气边水窄油环油藏是一种非常规油藏,油藏中同时具有顶气、油环、边水三个区域,地层条件下三个区域保持着相对平衡的状态,但是在油藏开发过程中,这种平衡被打破,三种能量互相作用,油气、油水发生互窜,严重影响油藏开发效果。JZ25-1S油田是典型的顶气边水窄油环油藏,本文基于油田实际参数建立三维物理模型,进行衰竭式开发模拟实验,对顶气边水窄油环油藏流体界面运移特征以及剩余油分布规律开展研究。通过不同开发方式三维物理模拟实验,确定开发后期最优的开发方式。最后根据JZ25-1S油田地质参数,建立理想模型,通过数值模拟手段确定最优开发方式的合理生产参数。研究结果表明:顶气边水窄油环油藏衰竭式开发过程中气窜会优先于水侵发生,渗透率越高气窜水侵发生越早。气窜水侵发生后会严重影响产油量,但是整体产量情况仍然是渗透率越高采出程度越高。油气界面的运移速度要快于油水界面,同时渗透率越高气、水突破油环速度越快。平面上油气、油水界面呈现为锥形,中部移动较快并逐渐向两端扩展。纵向上气体从构造顶部向油环突进,边水从构造底部向油环突进。顶气边水窄油环油藏衰竭式开发后剩余油主要分布于气窜水侵通道两侧,低渗层中大多为自由态剩余油,高渗层中主要为束缚态剩余油。对于衰竭式开发后,剩余油挖潜方向应该为低渗层气窜和水侵通道两侧。针对顶气边水窄油环油藏的开发,低渗层可以采用顶部注气方式补充地层能量扩大气驱波及体积,中高渗储层可以采用屏障注水方式来抑制气窜水侵延长稳产时间。如果顶气能量远大于边水能量可以先进行采气然后进行屏障注水。根据不同开发方式模拟实验结果,综合考虑含水率、气油比及采收率情况,最终优选屏障注水开发方式为JZ25-1S油田中后期最佳开发方式。利用油藏数值模拟方法最终确定合理的屏障注水时机为衰竭式开发两年后,衰竭式开发阶段合理的采油速度为4%,屏障注水阶段合理的采油速度为3%,合理注采比为1.5。本文对顶气边水窄油环油藏中流体界面运移特征及开发方式的研究,为此类油藏的开发提供了必要的理论支持,对油田现场具有重要指导意义。

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:（NH4）2SO4、温度和p H,预测出的最优发酵条件为:（NH4）2SO4 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,（NH4）2SO4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。

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： 同轴数字全息   云微物理参数   卡门涡街   有限元分析   全息雾滴谱仪  

摘要： 云雾对大气层内电磁能量的辐射转移有影响,在调节地球大气层的气候变化方面发挥着关键作用,云雾生消过程的直接观测研究对数值天气预报(NWP)模型中的云微物理参数化方案的开发有着重要意义。直接观测云微物理特性是相当复杂且困难的,直接观测得到的云微物理参数和NWP模型输出之间存在巨大的差异。论文基于同轴数字全息干涉技术设计的全息雾滴谱仪,作为非接触、弱干扰的光学云雾探测仪器,全息雾滴谱仪具有实时观测云雾天气过程、时空分辨率高、连续长时间观测的优点,是精准获取云雾粒子粒径和三维空间分布的重要仪器。它可为NWP模型构建、云微物理参数化方案、人工影响天气研究提供数据支持。首先分析了国内外现有的云雾观测设备,基于全息干涉技术的大气云粒子原位探测仪器可以观测到直径为10 μm及以上的云滴,在进一步集成了光学成像系统后,观测到的最小云粒子直径提高到了 6.5 μm,云粒子的最小直径为2 μm,因此仍无法获取云雾粒子完整的谱分布。基于光散射原理的云雾观测仪器FM-120采用吸入式测量方式,虽然破坏了云雾粒子的三维空间分布,但是将云雾粒子的观测尺度提升至2-50 μm,能够提供完整的谱型分布。论文设计的全息雾滴谱仪运用数字全息干涉技术,在相机前加入光学成像放大系统,将粒子的最小观测直径扩展至2-100 μm,系统的光学放大率为5.89倍,不同粒径粒子的综合识别率为98%,系统采样频率10 Hz。系统采用脉冲激光器作为光源,脉冲宽度为300 ns,相机采用全局曝光方式,粒子速度在0-10 m/s时的最大位移量为0.52μm,能够有效消除粒子拖尾现象。针对核心光路结构设计的外形结构,采用流线型保护罩、可随风转动的风向随动机构能够有效的避免零部件产生的卡门涡街现象对采样区域流场分布的影响。针对仪器在高湿度环境工作,对仪器进行抽真空充氮、防水涂层等密封防水设计。对设计的结构进行流场、热、应力、低频振动等有限元分析,根据分析结果对结构进行了优化设计。设计了全息雾滴谱仪在线软件,能够显示观测的云微物理特征参数。通过分辨率板对全息雾滴谱仪进行标定,在云室试验中对FM-120和全息雾滴谱仪观测的数据进行比对,结果表明两种仪器对云滴的测量结果具有较好的一致性。最后在六盘山地形云野外科学试验基地对全息雾滴谱仪开展野外适应性验证并开展连续云雾观测试验,试验结果表明两种仪器观测结果具有良好的一致性。通过观测数据分析了云微物理参数在云雾生成和消散过程中的相关关系。