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[硕士论文] 佐宪秋
数学 黑龙江大学 2018(学位年度)
摘要:逆热传导问题是在对热传导现象的研究中出现的一类经典反问题.本文研究了两类逆热传导问题的求解方法.第一类是基于广义Hermite函数的谱和拟谱方法来求解无界域上的逆热源问题,我们给出了精确解和正则化解的误差估计以及正则化解的稳定性估计.理论分析表明,适当的选取广义Hermite函数中的比例因子,可以使得投影空间中基函数的个数显著地减少,从而提高计算效率.第二类是基于Fourier谱方法及SOR迭代技巧来求解的二维逆时热传导问题.在利用标准的Galerkin方法来求解正问题的过程中,通过适当选取基函数,可使所形成的系数矩阵是稀疏的,然后采用消元法来求解,从而大大减少了反问题求解过程中的计算量.
[硕士论文] 刘宁宁
流体力学 浙江大学 2017(学位年度)
摘要:分子动力学(molecular dynamics,MD)模拟已成为研究微米或纳米尺度动力学、流体及固体统计特性的重要工具。目前,分子动力学主要分为两大类:平衡分子动力学(equilibrium molecular dynamics,EMD)和非平衡分子动力学(nonequilibrium molecular dynamics,NEMD)。本文针对MD模拟提出一种新的基于能量转换的速度修正法(energy conversion based correction,ECBC)。不同于传统的依赖于宏观参数的系统性速度修正方法,ECBC方法基于分子或原子对间的相互作用物理过程中的能量守恒与转换特性发展而来。采用ECBC修正方法进行MD模拟时,由于不用施加额外势能或引入温度等宏观参数,因此毋需针对NEMD采用特殊的处理方法即可直接用于EMD和NEMD模拟,特别是非保守(开放)系统的MD模拟。该方法突破了现有MD计算方法基于保守平衡系统思想引起的许多应用限制,可以极大的拓展MD应用范围。
  微纳颗粒在流体中的布朗运动主要取决于流体分子对颗粒的作用力。由于颗粒尺寸极小,并且流体分子与其碰撞频率极高,因此难以通过实验手段测得颗粒所受布朗力。本文采用MD方法研究作用于颗粒的布朗力,发现一些很有意义的新现象:(1)对于不同的1/Kn数,布朗力的概率分布都符合高斯分布且具有自相似性;(2)与常用于郎之万模型不同,布朗力的频谱图并非白噪声,而是具有优先频率的类似对数正态分布的噪声;(3)随着微纳颗粒的尺寸变化,作用于颗粒的布朗力呈现出非单调性。当1/Kn数由小变大时,作用于颗粒的布朗力首先增加并且在1/Kn≈250达到最大值,之后随着1/Kn数继续增大,布朗力逐渐减小。本文发现的布朗力的变化规律对于颗粒的布朗运动的动力学特性研究将起到很好的促进作用。
[硕士论文] 周戌燕
材料工程 山东大学 2017(学位年度)
摘要:在自然界、冶金技术以及材料制备过程中,凝固是一种非常普遍的物理现象。凝固广泛存在于各个领域,物体从液体转变为固体都要经历凝固过程。凝固开始于形核,形核又可以分为均质形核和异质形核。在实际生产中,大多数的形核过程都是异质形核,因此研究固相粒子对熔体结构以及凝固过程的影响有着非常重要的意义。
  本论文利用分子动力学方法研究了楔形衬底以及受限空间对熔体的结构以及凝固行为的影响,揭示了衬底与熔体结构以及凝固组织之间的内在关联性。研究结果对于通过控制异质形核从而改善材料的宏观性能有着重要的意义。全文的主要内容如下:
  (1)研究了楔形衬底如何将结构信息传递给正在生长的晶体,进一步影响凝固过程。结果显示,由于衬底的诱导作用靠近衬底的铜熔体在液固界面处分层形成一个“V”形结构,并且有形成孪晶的趋势。但是随着与衬底间距离的增加,衬底的诱导作用逐渐减弱致使铜熔体逐渐恢复其固有的结构。当楔形角为90°时,由于铜原子内部良好的晶格匹配,凝固组织是一个理想晶体。此外,冷却速率以及衬底的原子排列方式对铜熔体的凝固组织也有很大的影响。这些研究结果有利于理解异质凝固过程中,衬底与凝固组织之间的遗传关系。
  (2)研究了铝熔体在受限狭缝内以及Fe衬底上的异质形核过程。与孤立衬底相比,受限狭缝可以促进铝熔体的结晶,同时狭缝的尺寸对凝固组织有很大的影响。在对称的受限狭缝内,Al原子可以根据衬底的堆垛模型进行排列,而在非对称的受限狭缝内,Al原子的堆垛模型取决于衬底的构成。对于Fe(110)-Fe(111)这种狭缝来说,由Fe(110)衬底诱导的凝固区域要大于由Fe(111)衬底诱导的凝固区域。此外,对于铝熔体在由铜铁两种衬底构成的非对称受限空间我们也进行了研究。这些结果阐明了受限空间对熔体异质凝固过程的影响。
  (3)探究了在不同压强下以及不同距离的两个石墨烯之间,受限水的结构演变。结果显示,受限狭缝的尺寸以及压强都能够引起受限水的结构演变,具体表现为层数以及堆垛方式的变化。随着压强以及狭缝间距的增加,受限水的分层现象也越来越明显。此外,随着压强的增加,在受限狭缝内,近邻水分子首先形成链状结构,之后演变成正方形结构,最后转变为三角形结构。这些结果有助于了解受限空间内水的结构演变。
[博士论文] 曹志伟
动力工程及工程热物理 中国科学技术大学 2017(学位年度)
摘要:对流问题和对流占优扩散问题存在于诸多自然界与工程实际问题中。这类流动问题的主要特点是:流场内会存在物理量在很小空间尺度内发生剧烈变化的锋面,甚至激波;而在远离锋面或者激波的区域内物理量变化相对平缓。在求解这种存在多尺度结构的流场时,传统数值方法往往会遭遇很多困难:使用常规有限差分格式进行求解时可能会导致物理上不合理的数值震荡,甚至引起稳定性问题;工程上常用的一阶格式往往会在锋面或者激波处产生较大的数值耗散。为减小数值耗散,提高求解分辨率,锋面或者激波处的网格尺度必须足够细分。若采用全场均匀的细网格,则会耗费大量的计算资源,因此采用自适应网格是一种现实可行的方法。然而,传统的自适应网格法往往基于空间离散网格,通常需要复杂的自适应操作以及大量的网格重构过程,这在一定程度上增加了计算复杂度。因此,如何利用有限的计算资源准确模拟锋面或者激波的形态及其附近流场的变化仍然面临巨大的挑战。
  本文注意到传统数值方法往往基于空间离散网格,在采用空间离散网格求解对流和对流占优问题时遇到困难的一种解释是:空间离散网格使用有限小的网格单元描述零宽度的激波或者接近零宽度的锋面。鉴于此,本文提出了一种新的离散网格系统——值域离散网格。顾名思义,与空间离散网格将流动问题的位域空间离散成若干网格节点不同,值域离散网格是通过将流动问题中物理量的值域空间离散化而得到的求解网格。本文发现,与均匀的空间离散网格相比,值域离散网格能够锐利地描述处于任意位置的间断,这对于求解存在激波的问题是重要的;另外,值域离散网格节点在锋面或激波处聚集,而在物理量变化较为平缓的区域内分布较为稀疏,这意味着,该网格具有与生俱来的自适应特性,有利于在消耗较少计算资源的前提下获得较高的求解精度。与传统自适应网格相比,值域离散网格具有简洁的数据结构;并且,相比于传统自适应网格法须在每个计算步进行网格重构以达到自适应的目的,值域离散网格的自适应过程是随着流动问题的求解而自动完成的。因此,如果将值域离散网格应用到对流问题和对流占优扩散问题的求解中,则有望获得一种计算速度快、计算精度高的数值方法。
  基于值域离散网格的特点,在求解流动问题的过程中,并非求解空间离散点上的物理量值的变化,而是追踪具有已知离散物理量值的网格节点的运动。然而,在实施值域离散网格法的过程中需要解决一些复杂的数学物理问题。
  首先,本文将值域离散网格应用到一维空间中可能会产生激波的对流问题的求解中。由于值域离散网格所描述的激波强度只能是离散的,如果采用Rankine-Hugonoit激波关系计算离散激波的运动速度,那么可能会导致守恒性问题。为了解决这一问题,本文通过守恒关系推导出了修正的Rankine-Hugonoit公式。分析发现,利用该修正公式不但在求解过程中满足了守恒性要求,而且激波位置的求解能够达到二阶精度。另外,相邻网格节点可能会在求解过程中互相发生位置逾越而导致物理上不合理的多值性解。为了解决这一问题,本文设计了时间步长的选取规则,并引入了基于熵条件和守恒性的后处理步。如此,不但多值性问题得以避免,从而可以模拟出激波的产生、演化和衍灭等复杂过程;更重要的是,该方法的时间步长不受CFL条件的限制。
  其次,本文提出了求解一维对流扩散问题的值域离散网格法。由于扩散项的存在,网格节点的推进速度不仅与当地物理量值有关,而且还与其周围物理量分布形态有关。如何确定网格节点的运动速度是将值域离散网格应用到求解对流扩散问题的关键。本文基于值域离散网格建立了在值域空间内固定,而在位域空间内动态变化的控制体;通过控制容积积分法得到了流动方程在值域离散网格上的守恒型离散格式。本文通过在极值点处设定的网格节点及其控制体,并利用抛物线线型逼近给出了离散格式的调整,从而将值域离散网格法推广到非单调问题的求解中。对于初始值中存在的常值分布段的流动问题,本文将常值分布的两端视作移动边界条件,并给出了移动边界的高精度处理方法。
  本文将值域离散网格法推广到二维两相渗流问题的求解中。根据Buckley-Leverett理论,两相渗流问题的压力方程为类拉普拉斯方程,而饱和度方程为非线性双曲型方程。鉴于有限分析格式能够高效求解类拉普拉斯方程,而值域离散网格法能够零耗散地求解双曲型方程,本文将二者相结合,得到了一种求解速度快、精度高的顺序求解方法。本文将该方法应用到两相驱替问题的研究中,通过对比不同流度比下两相界面形态,探讨了粘性指进现象和网格取向效应的内在联系。
  综上所述,本文针对采用值域离散网格法求解对流问题和对流占优扩散问题时所遇到的数学物理问题进行了初步的研究。设计并初步实现了求解这些流动问题的值域离散网格法,通过数值算例证实了值域离散网格法的可靠性和有效性,并利用所提数值方法研究了两相渗流问题中有趣的驱替现象。本文所提方法有望为对流问题和对流占优问题的研究提供一种快速的、精确的数值工具。
[硕士论文] 赵幸航
固体力学 合肥工业大学 2017(学位年度)
摘要:反演边界条件问题在航空航天,工业生产领域有着广泛的应用。如何高效准确地识别边界热流和温度是热传导反问题领域的重要研究内容。本文研究了二维稳态和瞬态热传导问题中边界条件识别的方法。正问题分别采用常规边界元法和双重互易边界元法求解。
  对于稳态热传导边界条件识别问题,引入一种将边界条件用多项式函数近似的方法,将边界节点离散的未知变量数值反演问题转换为近似多项式函数系数识别问题。这种方法可以降低反演问题识别的参数个数,提高边界条件识别的效率。在反问题部分,采用了改进的萤火虫算法进行分析。分别研究了各向同性和正交各向异性热传导边界条件识别问题。探讨了测点的数目和测量误差对反演结果的影响,此外,正交各向异性热传导边界条件识别问题还考虑了边界离散单元数对反演结果的影响。数值算例结果表明,对各向同性材料和正交各向异性材料,当测点数不足时,所获得的反演结果误差较大,随着测点数量的增加,其反演结果也越来越精确。测量误差对反演结果也有较大影响,计算结果表明随着测量误差的减小,反演得到的边界条件也越来越精确。对正交各向异性材料而言,边界离散单元数对反演结果精确性有很大影响,随着边界离散单元的增加,反演得到的边界条件也越来越精确。
  对于带热源瞬态热传导边界条件识别问题,使用双重互易法将热源项与时间导数项所产生的域积分转换为边界积分。萤火虫算法具有非常好的全局搜索能力,而传统的萤火虫算法因其随机性,反演速度较慢。为了将传统萤火虫算法进行提速,引入了牛顿法进行优化。改进后的萤火虫算法既具有极强的全域搜索能力,也具有非常好的局部搜索能力。数值算例表明了改进的萤火虫算法比传统萤火虫算法更加高效。对于瞬态边界条件识别问题,主要考虑了测点数目和误差对反演结果的影响。计算结果显示当测点数不足时,难以获得准确的边界条件值,随着测点数的增加,反演得到的边界条件越准确。当考虑测量误差影响时,计算结果表明随着测量误差的减小,所获得的反演结果也越好。同时从计算结果可以发现,当存在测量误差时,越靠前的时间步所获得的反演结果越好。
[硕士论文] 张寒苏
数学;计算数学 东南大学 2017(学位年度)
摘要:热传导过程在工业领域中有很多重要的应用,例如研究杆状均匀介质的传热过程。如果杆状介质的物理参数及周围的环境性质已知,则这个介质上的热传导过程是确定的。但是很多实际问题中杆状介质的某些物理参数或环境性质是未知的,需要通过其他可测量的温度场数据来间接确定,这就是由热传导方程来描述的数学物理反问题。鉴于这种工程应用背景,本文考虑由热传导方程描述的温度传播系统在边界上的Robin系数反演问题。具体而言,我们考虑一维空间中带Robin边界条件的热传导方程,反问题是利用内部点温度的测量数据来反演边界上的Robin系数。假定杆状均匀介质一侧边界的温度恒定,另一侧区域和外部介质存在热交换。此模型可以用下面的热传导方程系统来描述:{ut-a2uxx=0,(x,t)∈(0,π)×[0,T],u(0,t)=0,ux(π,t)+σ(t)u(π,t)=0, t∈[0,T],u(x,0)=f(x), x∈(0,π).其中,u(x,t)表示这个杆状物体上的温度场,f(x)足起始时刻杆状介质上各点的已知温度,左边界x=0处的温度恒为0,但是另一部分边界x=π上的数据无法直接测量,σ(t)反映了一侧边界与外部环境的热交换的能力。假定在某内点x0∈(0,π)处各时刻温度是可以测量得到的,即u(x0,t)为附加条件。为了得到定义于右边界x=π上的Robin系数σ(t),本文的任务是通过u(x0,t)的噪声测量数据来反演σ(t)。
  本文内容如下。第一章介绍了问题背景及已有的工作;第二章介绍了在求解反问题时需要的一些预备知识及证明了本文研究的反问题的唯一性,尤其是在L2意义下的唯一性,这为我们考虑间断Robin系数的重建提供了理论基础。同时我们还对问题的不稳定性进行了分析;第三章根据不适定性建立了正则化泛函,证明了泛函极小元存在性、收敛性,并提出了正则化的求解方案;在第四章给出了求解正问题和带噪声数据反问题的数值方案及算例,其中正问题算法得到的u(x0,t)为反问题提供了反演输入数据。我们得到的数值结果表明了提出的正则化方案的有效性。
[硕士论文] 陈琦
光电信息技术及仪器 杭州电子科技大学 2016(学位年度)
摘要:本文开展尘埃等离子体中带电尘埃颗粒运动的动力学性质研究,对于揭开尘埃等离粒子体系统内运动粒子间的相互作用行为具有十分重要的意义。无论在单一自洽场或自洽场与外势力场的混合场中,带电粒子的运动轨迹和最终位形分布都是研究其内部动力学特性的重要依据。在本篇论文中我们使用分子动力学模拟方法跟踪带电粒子的运动轨迹来研究二维尘埃等离子体动力学特性。首先,确定作用在带电粒子上的势能,运用分子动力学方法获得初始温度和浓度对于尘埃等离子体内带电颗粒的位形分布影响。为进一步研究尘埃等离子体,我们也对影响系统内部作用势能大小的参数做了分析,得到了不同情况下带电粒子分布结果。对系统结构函数如静态结构因子、速度自相关函数和配对关联分布函数等与系统参数及势能参数之间的关系做了深入研究。
  本研究分为五个部分:第一章对等离子体的结构和成因做了简单介绍。等离子体作为物体的第四种存在形式,也是尘埃等离子体的发展基础。其内部的基本特性能够适用在尘埃等离子体环境下。随后对尘埃等离子体成因、研究方法及发展过程进行了介绍。作为论文研究内容的背景环境,尘埃等离子体内部复杂的粒子成份组成和相互作用形式受到关注,更因其存在的广泛性和应用的重要性,尘埃等离子体相关研究得到了更大发展空间。在这一章节中,我们着重介绍了尘埃等离子体的研究方式,如实验研究、数值模拟和理论计算。第二章对分子动力学模拟方法的原理、常用算法和尘埃等离子体结构函数进行了介绍。分子动力学模拟作为诸多数值模拟计算方法中的一员,现在也是研究尘埃等离子体领域经常使用的手段,它省时省力,经济方便,提供的信息也丰富完备。在本章节中,我们着重介绍了文章中用到的系统结构函数。第三章研究的内容主要是是自洽场情况下带电尘埃粒子的动力学特性。在只有相互作用势场的系统中,尘埃颗粒形成了截然不同的空间位形分布。在自洽场中,带电尘埃粒子往往形成矩形状团簇,或者几个带电粒子相互耦合成小团簇的情况。在单个力场作用下,带电粒子的最终空间分布状态随浓度的升高而变得紧凑有序。我们还通过分析系统静态结构因子来研究了模拟初始阶段和稳态的尘埃颗粒分布空间的结构特性。第四章当带电粒子在混合场中运动时,复杂的合力作用会使尘埃粒子的最终位形分布呈现多样化。因为在多重力场作用下,不单单只有系统环境会影响粒子运动轨迹,内外势场中的参数变化也会对最终结果有一定的影响作用。除此之外,环境参数(温度,浓度)的变化也会对系统结构造成影响,这一点可用系统结构函数来验证。相比于单一自洽场,混合场中的带电粒子最终位形分布受浓度影响的效果更明显,也更容易出现球状,环状及粒子尘埃空洞等特殊的带电粒子空间分布结果。第五章对近两年的研究成果做了总结,并提出新的问题作为未来研究的方向。
[硕士论文] 贾卓杭
工程热物理 哈尔滨工业大学 2016(学位年度)
摘要:液滴蒸发作为液体燃料燃烧、喷雾冷却等过程的基本原理有着重要研究意义,目前液滴蒸发领域中对方向强辐射下液滴蒸发的研究存在不足。本文通过实验研究和数值模拟相结合的方式,对红外激光加热这种单向强辐射下的液滴蒸发问题进行分析研究。
  设计了红外激光加热下液滴蒸发实验系统,使用石英丝对液滴进行悬挂,通过显微摄像头和红外热像仪对液滴蒸发过程进行监测,并通过图像分析软件进行数据处理,完整地记录了液滴蒸发过程的尺寸变化及温度变化情况。实验研究了激光波长、激光功率以及液滴初始直径对液滴蒸发特性的影响。
  基于蒙特卡洛法计算分析了不同尺寸球形液滴对于不同波长、不同分布模式激光的液滴整体吸收率及内部吸收分布特性。并分析等温液滴表观发射率,解释了液滴红外测温中的边缘效应,给出红外测温结果的数据处理方法。
  分别建立了液滴零维无限热导率蒸发模型和三维导热限制蒸发模型,在之前辐射吸收研究的基础上对激光加热下的液滴蒸发进行计算模拟,研究了液滴蒸发过程中直径变化及温度变化,并将计算结果同实验数据进行对比分析。研究发现采用均匀辐射的零维模型在一定程度上可以较好地估计液滴蒸发特性,三维导热限制蒸发模型在透过性明显的辐射下同实验结果符合较好,而在吸收性较强导致液滴内部温度不均匀性较大时不适用。
[硕士论文] 高亚
物理学 中北大学 2016(学位年度)
摘要:本文利用分子动力学方法模拟了分子在ITQ-3分子筛上的扩散行为,尤其是甲烷、氩在ITQ-3分子筛内的扩散行为。经过研究模拟数据,设立了一个在ITQ-3分子筛中过渡态随机行走的扩散机制,在该体制中,分子须克服巨大的势垒能才能从空腔中的一个吸附位跳过势垒到达最近的一个空腔中的吸附位,相对相互吸引力极其小,因此分子在势垒处能够简单解决成只有排斥势。在过渡态原理基础上,分子在ITQ-3孔道内部扩散的机制中,可得到扩散系数对数与温度参数和约化相互作用参数之间存在的解析关系。在ITQ-3分子筛中分子的随机扩散机制中,分子被视为是在每一个吸附位上的跳跃且跳跃到最近处空腔的吸附位几率均相等。故分析获得分子在ITQ-3分子筛上通道方向的两个扩散系数有着必然的相关连系。用分子动力学模拟的办法检验了分子在ITQ-3分子筛狭窄孔道方向上扩散的过渡态和随机扩散机理体制与理想建模相符合,从而说明理论与模型的结合较好。为探讨当下实验操作上无法估量的物理、化学构象和生成效应,以及很难预估的物理和化学基理创造了更先进的想法和办法。
[博士论文] 肖宇玲
材料物理与化学 南昌大学 2016(学位年度)
摘要:布朗热机(马达),是一种利用非平衡的热涨落来引起布朗粒子产生定向的粒子流,从而实现有用功输出的装置。由于它强烈地依赖着热涨落,使得其只能在微观纳米尺度下才可能实现。因此,在当今对小尺度能源的需求和装置微型化趋势的形势下,其引起了人们广泛的关注。本文基于随机动力学和热力学理论主要研究了两类连续型和分立型布朗热机(制冷机)的热力学性能特征及其优化理论,具体内容如下:
  第一章,简单介绍了布朗热机的发展及热驱动的布朗热机模型的理论基础,同时介绍了本文研究的主要内容。
  第二章,利用Fokker-Planck方程研究了布朗粒子在周期性连续棘齿势和线性变化温度场中运动所构建的一类布朗热机及制冷机模型,分析了此类布朗热机及制冷机的热力学性能。在最大功率和最大品质因子的条件下,分别对热机和制冷机性能参数进行优化。将所得结论与分段均匀温度场分布的模型进行比较,发现后者的制冷系数低于前者。进一步,讨论了温度场的边界与棘齿势不重合时,布朗热机的性能参数与偏移量的关系。
  第三章,利用主方程研究了与两个温源同时接触的分立型费曼棘齿-棘爪制冷机模型,分析了制冷机的热力学性能特征。发现制冷系数和制冷率曲线为一闭合曲线,说明此制冷机是不可逆的。通过采用三个优化目标函数对制冷机进行优化,得到可通过恰当地选择参数使得制冷机工作在最优状态。最后,简单讨论了此模型作为热机的热力学性能特征。
  第四章,利用主方程研究了一类由简单的三态模型构造的布朗热机和制冷机模型,在非稳态情况下,分析了此模型的热力学性能,得到了性能参数随时间和系统各参量的演化规律。发现当时间趋于无穷大时,系统各性能参数趋于稳态时的值。
  第五章,研究了由两个多方过程和两个绝热过程构成的非卡诺制冷机模型。假设传热过程服从牛顿热传递规律,推导出制冷机的制冷系数与制冷率的表达式,画出了制冷率与制冷系数之间的特征曲线。并且通过数值模拟研究了在最大品质因子下制冷机的制冷系数。分析了在长时间和短时间的热接触条件下制冷系数的优化值,并与经典的Curzon-Ahlborn(CA)制冷系数进行比较。
[博士论文] 马义丁
高分子化学与物理 中国科学技术大学 2016(学位年度)
摘要:扩散现象广泛存在于自然界中,并且对一系列物理化学反应的过程起着重要作用。随着高分子科学的发展,研究者们发现在高分子体系中,分子拥挤效应对其中的大分子的扩散有明显的影响,并由此影响到了很多高分子体系中的物理和化学过程,例如蛋白质在DNA链上搜寻目标、大分子配体在搜寻平面上目标等。对分子拥挤环境下的大分子扩散动力学研究有助于我们揭开对高分子体系的化学物理本质的理解。本文从以下三个方面研究了大分子在拥挤环境下通过扩散进行的不同物理过程:
  1.大分子在拥挤环境下的亚扩散
  在气体或者小分子液体中,分子扩散的均方位移与扩散时间成正比关系~t,而在大分子拥挤体系,如生物细胞中,研究者们观察到了大分子的亚扩散行为,即~tα,α<1。本文中通过朗之万动力学模拟方法,研究拥挤剂粒子的浓度以及尺寸对体系中示踪粒子亚扩散指数和扩散系数的关系。
  2.蛋白质在拥挤环境下搜寻DNA上目标位点的动力学
  蛋白质分子在细胞拥挤环境中寻找DNA上特定位点的过程对DNA的转录、复制等过程中起重要作用。前人在研究此过程中提出促进扩散模型,即蛋白质交替进行溶液本体中的三维扩散和沿DNA链方向的一维扩散。我们在本文中利用朗之万动力学模拟方法,构建了简单的蛋白质在DNA链上通过促进扩散寻找目标位点的模型,研究DNA-蛋白质间的非特异性相互吸引强度和体系中分子拥挤剂浓度对蛋白质搜寻DNA链上目标的速率的影响。
  3.配体在拥挤环境下搜寻表面上目标位点的动力学
  在表面上发生化学物理过程,如细胞表面的分子识别中,反应中的配体搜寻表面上受体的过程有着重要作用。前人在研究中提出,配体在搜寻表面上受体的过程中交替进行三维扩散和吸附于表面的二维扩散。在本文中,我们构建了单个配体在分子拥挤环境下搜寻平面上目标位点的粗粒化模型,并通过朗之万动力学模拟,研究配体-表面间的非特异性相互吸引强度ε和体系中分子拥挤剂浓度φ对搜寻时间的影响。
[硕士论文] 谢亚菁
光学 安徽师范大学 2016(学位年度)
摘要:团簇广泛存在于自然界中,同时其涉及多种的反应现象,团簇是由几个乃至成千上万个原子、分子通过物理结合力或化学结合力组成相对稳定的或近于稳定的集合体。是介于原子分子和可见宏观固体的一种中间状态,被称为“第五态”。团簇广泛存在于材料科学、催化、表面化学、高温化学等领域,并发挥着重要的作用,因此对于团簇的研究具有十分重要的意义。过渡金属在反应中具有很好的催化特性。飞行时间质谱技术是研究团簇尺寸分布和稳定性特征的一个重要手段。我们利用反射式飞行时间质谱仪对金属离子V+及其与甲醇、乙醇团簇反应形成产物的规律和影响因素进行了研究。
  第一章介绍了团簇科学的发展,重点介绍了研究背景、研究意义、团簇的几种制备手段、团簇的诊断技术和本论文研究的主要内容。
  第二章介绍了本实验室中所用的实验装置,激光系统,真空系统,时序控制系统等,重点介绍了反射式飞行时间质谱仪的结构和工作原理。通过对样品离子信号的调试,优化实验条件,找到了质谱仪的最佳工作参数,其中包括外加电压,以及脉冲阀、激光、脉冲电场之间的延时。
  第三章在气相条件下利用激光溅射-超声分子束技术研究金属钒与甲醇团簇的反应,经过对产物离子信号图的分析得出产物分别V+(CH3OH)n,VO+(CH3OH)n,VCH2+(CH3OH)n,H+(CH3OH)n,VOCH2+(CH3OH)n等系列。研究了它们随激光出光延时、激光溅射能量以及脉冲载气压力变化的变化规律,并对其变化规律进行详细的解释。研究结果表明V+与甲醇团簇反应产生的一系列团簇离子随激光能量增大而强度增加,然后趋于不变;改变激光相对于脉冲分子束的延时,团簇离子的信号强度和团簇尺寸变化明显。改变载气压力,研究发现载气压力增大能够增加团簇产物的种类。最后简单分析了这几种团簇产物的生成机制。
  第四章在气相条件下利用激光溅射-超声分子束技术研究金属钒与乙醇团簇的反应,经过对产物离子信号图的分析得出产物分别为V+(C2H5OH)n、VO+(C2H5OH)n、VO+(H2O)(C2H5OH)n、V+(C2H4O)(C2H5OH)n、H+(C2H5OH)n等系列。研究了它们随激光出光延时、激光溅射能量以及脉冲载气压力变化的变化规律,并对其变化规律进行详细的解释。研究结果表明V+与乙醇团簇反应产生的一系列团簇离子随激光能量的增大,团簇尺寸减小;改变激光相对于脉冲分子束的延时,团簇离子的信号强度和团簇尺寸变化明显。改变载气压力,研究发现载气压力增大有助于团簇尺寸的增大。最后对这几种团簇产物的生成机制进行了简单的分析。
[硕士论文] 刘前霞
凝聚态物理 郑州大学 2016(学位年度)
摘要:精密系统中构件尺寸稳定性是一个重要指标。不同材料具有不同的热膨胀系数,使用过程中材料的热失配造成精密仪器中构件的尺寸变化不一,导致一系列问题。随着科学家研究的深入,越来越多的负热膨胀材料被发现。近年来,负热膨胀材料研究的方向之一是研究材料的负热膨胀机理,并通过单一化合物的掺杂或替代实现膨胀系数的变化和相关物理性能的改善,如铁电材料的负膨胀特性和铁电性;另外,随着越来越多的负膨胀材料的发现,人们也希望通过研究负热膨胀材料本身的其他特性,以实现功能一体化;负热膨胀材料研究的另一个方向是通过正热膨胀材料与负热膨胀材料复合,实现具有可控热膨胀系数的复合材料,以期对材料的热膨胀行为进行调控。
  正交结构ZrMgMo3O12在300~1000 K温区,其晶格平均线膨胀系数-3.8×10-6K-1,在123~1200 K区间无相变、无吸水性,是一种有重要潜在应用前景的负热膨胀材料。1200 K左右ZrMgMo3O12会发生分解,诸多因素导致目前对其物理特性尚未充分研究。钇稳定的二氧化锆(YSZ)是一种重要的材料,具有低热导、低电导、高强度等优异的性能。它可以不受除硫酸和氢氟酸之外的所有酸性溶液腐蚀,并且不受任何碱性溶液的腐蚀。在低温度、低频电路中具有很低的电导率,而在高温和高频电路中又是很好的导体。
  本论文研究了负热膨胀材料ZrMgMo3O12粉体制备过程中的一些问题,并选择冷压烧结和SPS烧结两种不同的烧结方法分别制备了ZrMgMo3O12和ZrMgMo3O12/YSZ块体材料,研究了块体材料的热学性能。主要内容如下:
  (1)分别利用共沉淀法和固相烧结法制备了ZrMgMo3O12粉体,其中共沉淀法制备的粉体颗粒尺寸300~500nm,固相法制备的粉体颗粒尺寸1~3μm。
  (2)选用冷压烧结和SPS烧结制备了ZrMgMo3O12块体材料。重点研究了SPS烧结温度对ZrMgMo3O12热学性能的影响。650~750℃烧结,材料相对密度均达90%以上。计算了ZrMgMo3O12的热容。在RT~600℃温度区间,750℃烧结的样品的热导率k为1.05~1.3 W/(m.K),热膨胀系数为-4.0×10-6K-1,同时具有热障和负热膨胀特性。
  (3)利用水热法制备了8%YSZ纳米粉体(颗粒尺寸10~20 nm)。利用SPS烧结在650℃保温5min制备了ZrMgMo3O12/YSZ复合材料。研究发现,复合比例为4∶6的样品致密度大约90%。RT~500℃温度区间,复合材料热膨胀系数为4.6×10-6 K-1,热导率为1.36~1.74 W/(m.K),其中500℃以上热导率的急剧增加。这是由于微裂纹或是气孔等原因使热扩散系数急剧增加。排除600℃,与ZrO2的热导率2.17 W/(m.K)相比,该复合材料不但实现了膨胀系数的降低同时良好地保持了热障特性。
[博士论文] 刘亚明
光学 郑州大学 2016(学位年度)
摘要:随着新技术、新方法、新手段的出现,负热膨胀材料作为材料科学领域的新宠,得到了越来越多的关注。由于目前已有的负热膨胀材料大多为绝缘体,虽有大量的工作采用掺杂、与金属复合等手段改善其导电性能,但金属性的缺失仍然极大地限制了其在电、热、机械等领域的应用。本论文着眼于负热膨胀材料的导电性能,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对几种负热膨胀材料的反常热膨胀机理进行研究,并与相关的绝缘负热膨胀材料对比,去解释负热膨胀特性与导电性的内在联系。本研究主要内容包括:
  ⑴报道了立方结构的ReO3不仅具有负热膨胀特性,而且其优异的导电性可与Ag、Cu媲美。借助于第一性原理和准谐近似,我们的计算发现:倒空间M和R点处的格林艾森参数具有负向极大绝对值。与此对应的低频光学支的振动引起ReO6刚性八面体耦合转动,导致体积受热收缩。O-2p和Re-t2g电子态的杂化使其呈现优良的导电特性。实验还指出与其同为立方结构的绝缘体 ScF3,呈现出更强烈的负热膨胀特性,负热膨胀系数约是ReO3的十倍。计算发现二者负热膨胀成因一样,均为M和R点的格林艾森参数出现负极值,以及低频光学支引起的刚性八面体耦合转动。热胀系数差别巨大归因于电子结构的不同。Re-O共价键强于Sc-F离子键,而且按照M和R点振动模式移动原子,发现O原子移位势垒比F要陡。这均使得ReO6八面体的扭转变得困难,导致热胀系数偏小。
  ⑵立方相ReO3可认为是A-位缺失的ABO3型钙钛矿结构。A-位原子缺失所致的体心充足空位使得ReO3很容易出现相变。随着压强增加,ReO3呈现的一系列相变过程中,四方相P4/mbm是否存在,一直存在争议。在本章节中我们利用第一性原理计算,借助于声子谱振动曲线、形成热焓和动力学能量势垒,澄清了从立方Pm-3m到P4/mbm相变的可能性,并定量给出转变压强是5.0 kbar。虽然 ReO3有多种结构相,但只有立方 Pm-3m相存在负热膨胀现象。通过计算不同压强值下的色散关系和对晶体结构分析,立方Pm-3m相在5.0 kbar时,倒空间M点的M3振动模出现虚频,结构不再稳定。M3振动模是立方相出现负热膨胀现象的原因,M3模的软化对应于O原子从x=0.2500移位至x=0.2401,出现相变,负热膨胀现象消失。
  ⑶过渡金属镧系碳化物,不仅具有良好的机械性能,还是潜在的超导材料。实验发现四方相LaC2在低温区呈现超导电性,还表现出各向异性的负热膨胀特性。在本章节中,借助于第一性原理计算和准谐近似,我们模拟再现了跨越超导温区的负热膨胀现象。计算结论显示 c-轴的负热膨胀系数和温区均与实验吻合一致。计算结果还预言了可能由于实验仪器精度不够而没能测出的a-轴的负热膨胀现象。通过计算格林艾森参数和因子群分析,布里渊区中心的Eu和Eg模,边界M和Z点的三支振动模对应负格林艾森参数值,C-C二聚体的横向振动引起晶格La……La有效距离缩短,导致负热膨胀现象。
  ⑷随着温度升高,钙钛矿BiNiO3从低温三斜相转变为高温正交相的过程中,出现了显著的负热膨胀现象,而且还伴随有绝缘体→导体和反铁磁→铁磁的转变。这使得BiNiO3的负热膨胀现象貌似与磁、电、热振动均相关,使其负热膨胀机理更复杂。本章节从第一性原理出发,通过计算分析电、磁和晶体结构,证实:高温正交相中,由于Bi-6s与O-2p电子态的杂化,使得费米能级处出现杂化峰,表现为导电性,磁矩为1.732μB/Ni。通过分析电子态密度,发现了 Ni与 Bi金属间电荷转移。BVSs计算表明两个相的氧化态分别是Bi+3Ni+3O3和Bi+30.5 Bi+50.5Ni+2O3.电荷态密度图显示低温相为 G-型反铁磁绝缘体,而且伴随着金属间电荷转移,体系从小体积正交相变成大体积三斜相,出现负热膨胀行为。我们的理论计算很好的解释和证实了金属间电荷转移是BiNiO3呈现负热膨胀的成因,为丰富负热膨胀的机理解释提供了新内容。
[硕士论文] 陈茜
数学 西安理工大学 2016(学位年度)
摘要:在数值计算领域中,对线性方程组进行求解是十分活跃的研究课题,一般可分为两种情况,一是方程是良态的,即方程的解存在唯一且稳定,可采用常规的算法,例如直接解法和迭代算法。另一种为方程是超定的或不定的,也就是病态线性方程组,寻找病态线性方程组有效求解方法一直以来是数值代数领域研究的热点。本文主要以病态线性方程组的求解为重点,研究基于Krylov子空间的投影算法解决此类问题的可行性和有效性,并且将研究的成果运用于一类热传导方程反问题的求解当中。本文所开展的主要研究工作如下:
  (1)对广义极小残余(GMRES)方法、RRGMRES方法、限制值域的广义极小残量(RRGMRES)算法、LSQR方法、共轭梯度法等进行了详细的描述。通过分析表明基于Krylov子空间的投影算法能够有效求解病态线性方程组,避免了所求数值解的不稳定。
  (2)热传导方程反问题是一种高度不适定问题,将其化为积分方程,然后采用数值积分离散,最终转化为病态的线性方程组,采用本文方法对病态的线性方程进行求解,数值模拟结果表明了这些方法是可行和有效的。
  (3)本文尝试将基于krylov子空间的投影算法应用到热传导方程反问题中,不仅可以解出线性方程组的数值解,并且数值模拟效果不错。
[硕士论文] 吉小龙
机械设计及理论 西安理工大学 2016(学位年度)
摘要:惯性效应广泛应用于微流控芯片中的颗粒操控,实现颗粒的分离、聚焦、混合等操作。带惯性迁移的微流动中,粒子受到了沿主流动方向拖拽力,从而加速至和周围流体同样的速度,同时在垂直于主流动方向惯性升力的作用下横向迁移至动力学意义上的平衡位置。现利用Ansys fluent有限元软件对颗粒在微通道内的惯性效应进行数值模拟,采用Euler-Lagrange法对菱形微管道内的颗粒进行数值模拟,该模型将液相作为连续相,将固相颗粒作为离散相。在Euler坐标下考察流体相的运动,在Lagrange坐标下考察颗粒群的运动,即颗粒群轨道模型。得出粒子在菱形微通道内惯性迁移的状态及发生迁移的时间,并且探讨颗粒迁移状况与浓度之问的关系。
  本文通过前置软件gambit进行三维模型、仿真条件的建立,通过比较与分析低颗粒浓度(第一次仿真)与高颗粒浓度(第二次仿真)的颗粒分布情况,总结出颗粒的迁移状态和微管道内颗粒浓度的关系。颗粒在微管道中受到FB(浮力)、FD(流体对颗粒的曳力)、FG(重力),FL(惯性升力),FV(虚拟质量力),FC(颗粒之间的碰撞力)。其中对惯性效应起主导作用的是惯性升力。本文主要利用Fluent内的离散相模型(DPM)来分析粒子的轨迹,并且得到粒子在微流体惯性力的作用下侧向聚焦的的位置,由于DPM模型未考虑粒子在流体内的惯性力作用,必须利用UDF自定义惯性力及相关参数。
  研究表明,在较少颗粒数目情况下,迁移现象明显并且迁移状态稳定;在连续加载颗粒情况下,随着颗粒浓度的增加,颗粒的迁移运动越来越不明显,距离平衡位置越远的颗粒迁移速度越快。
[硕士论文] 肖丛杰
动力工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2016(学位年度)
摘要:固体表面上固着液滴的蒸发是一个常见的物理现象,在工业生产中已有广泛应用。归结起来,固着液滴蒸发的应用可分为以下两类:强化传热和受控沉积。这两类应用的成功与否直接依赖于对液滴内部流动特性的认识。然而,液滴蒸发现象看似简单,却是一个复杂的非稳态、跨尺度、多物理场耦合的传热传质问题,其机理尚未被未被完全揭示。
  可视化研究是流动特性研究的重要手段,通过它可以直接观察到蒸发液滴内部的流动特性,并通过各种测量技术为理论研究和数值模拟提供数据支持。然而,由于液滴尺寸小,观测限制条件多,故通过传统的可视化观测手段难以对其内部流动,特别是液滴边缘三相接触线附近的流动进行可视化研究。
  本研究基于全内反射荧光显微技术(TIRM),搭建了一套微流动观测平台,并在此基础上,实现了“多层纳米颗粒追踪速度测量技术(MnPTV)”。主要工作包括实验系统的搭建、校核、算法移植和误差分析。
  本研究利用微流动观测实验台,使用荧光颗粒作为示踪粒子,对去离子水和多种醇溶液的液滴在蒸发过程中三相接触线附近区域的流动进行了定性观测。实验发现,液滴的蒸发过程可以划分为三个阶段:铺展阶段、接触线不变蒸发阶段和边界收缩阶段。铺展阶段实际上是一个“动态润湿”过程,表现为接触线不断外移,基圆半径不断增大。接触线不变蒸发阶段是蒸发的主要阶段,此时接触线钉扎不动,液滴内部流动主要是蒸发补偿流动。在此阶段中后期直接观测到了Marangoni流动。根据液滴内部流动状态绘制出了此阶段的流动示意图。在边界收缩阶段,接触线收缩后移,直至蒸干。实验中观测到接触线的收缩存在两种模式:接触角不变模式和解附-吸附模式。此外,实验中观察到醇溶液的液滴内部在蒸发前期存在一个强烈的扰动,通常认为这是由于温度梯度引起的Marangoni效应导致的流动。
  本研究利用MnPTV测量系统,对去离子水和多种醇溶液的液滴在蒸发过程中三相接触线附近区域的流动进行了定量观测,获得了高度平均速度、速度剖面图和边缘液膜厚度等数据。结果显示各个液滴高度平均速度随时间指数增大,而边缘液膜厚度随时间线性减小。通过对速度剖面图进行分析,得出了液滴稳定蒸发时各个阶段起主导作用的流动。
[硕士论文] 郑静
化学 浙江大学 2016(学位年度)
摘要:近年来,集成电路持续向更小的外型尺寸发展,以使得每个芯片可以封装更多的电路,增加单位面积容量,从而降低成本和增加功能。但是,随着芯片尺寸的减小,三维互连制造面临较大的挑战,其中之一就是去除和填充的跨尺度精确调控,如二氧化硅膜层的制造。此外,液体在有限大小纳米孔道中的输运现象在许多物理、生物和地质过程中扮演重要角色,二氧化硅作为一种无机材料,在玻璃、陶瓷、化工、电子、食品、医学等各个领域有着广泛的应用,因此,液体在其中的输运行为一直是研究热点之一。
  本论文利用分子动力学模拟的方法研究了五种不同深宽比的二氧化硅纳米孔洞中水及铜盐溶液的浸入过程,探讨了深宽比、水分子数、溶液浓度等因素对浸入速率的影响,并对纳米孔洞中铜离子的分布状况进行了分析。主要研究结果包括:
  1.水浸入过程可以分为五个阶段:(Ⅰ)缓慢接近洞口;(Ⅱ)快速浸入洞中;(Ⅲ)慢慢浸入洞的深处;(Ⅳ)缓慢润湿洞的底部;(Ⅴ)快速填满整个洞。深宽比越大,越有利于阶段Ⅰ和Ⅱ而不利于阶段Ⅲ和Ⅳ。
  2.水分子数相同时,随着深宽比增大,水浸入速率增大,但相邻深宽比纳米孔洞中水浸入速率的增量逐渐减小,因此推测,当深宽比达到某一定值时,其对水浸入速率将不会产生影响。深宽比相同时,水分子数越大,水越不容易浸入洞中,且随着水分子数的增大,相邻水分子数体系的水浸入速率下降量逐渐减小。水分子数越大,深宽比对水浸入速率的影响越大。
  3.铜盐溶液浸入过程比纯水体系多了阶段Ⅵ的铜离子扩散平衡,因为水分子先于铜离子浸入洞中;阶段Ⅱ的滞后现象比纯水体系更为明显,耗时更久,深宽比越小,溶液浓度越大,溶液滞后时间越长。
  4.浓度相同时,铜盐溶液浸入速率随深宽比的增大而增大,但相邻深宽比纳米孔洞中平均浸入速率的差值随深宽比的增大而减小,据此推测,当深宽比达到一定值时,增大深宽比将不会对溶液的浸入过程产生影响,这点和纯水体系类似;深宽比相同时,浓度越大浸入速率越小;低深宽比范围内,深宽比和溶液浓度对溶液浸入速率影响更大。
  5.铜离子浸入速率随深宽比和溶液浓度的变化比较复杂,不是单一递变;不同深宽比纳米孔洞中接近洞底处铜离子浓度均呈逐渐下降趋势,不同浓度体系有个别深宽比例外,说明铜离子相对较难到达洞的底部,但可以根据个例的情况,选择适合于特定深宽比的溶液浓度以达到最好的填充效果。
[硕士论文] 呼丹
光学工程 长春理工大学 2016(学位年度)
摘要:针对当前军事领域中高温乃至超高温的精确检测问题,在广泛调研多种常见的检测方法的基础上,提出了一种基于多光谱技术的高温检测方法。以黑体辐射理论和普朗克定律为基础,对多光谱测温的理论模型进行分析推导,确定了多光谱高温测量流程。根据被测目标的光谱特性,选取Savizky-Golay滤波方法对光谱特性曲线的平滑滤波,采用主成分回归方法对温度进行反演。为保证测温精度,对光纤光谱仪进行了高温黑体标定实验,得到修正曲线,测温误差控制在2%以内。并利用点温仪对某型号弹药的燃烧温度进行对比测试,两者测试结果具有较好的一致性。
[硕士论文] 孙卓
动力工程及工程热物理;热能工程 华北电力大学;华北电力大学(北京) 2016(学位年度)
摘要:固着液滴的蒸发现象在大自然中随处可见,是传热传质领域研究的一个重要方向。含有颗粒的固着液滴在蒸发完毕之后,会在固体基底表面上留下各种各样的沉积图案。这种颗粒沉积的现象在工业生产中发挥着重大的作用,例如在喷墨打印、薄膜涂层、药物发现、新型光电元件的制造等领域。
  本文利用倒置显微镜来观察含荧光颗粒的液滴在蒸发过程中的内部流动特性以及最终的颗粒沉积图案。通过实验研究及观察发现,纯水液滴的蒸发时间和颗粒浓度有关,颗粒由外到内存在三种不同样式的沉积,而且颗粒的整体沉积图案随着颗粒浓度的升高而有所变化。液滴内部加入乙醇会改变液滴的表面张力,从而改变液滴的铺展半径和蒸发时间。此外,乙醇的加入还会彻底改变液滴内部的流动特性,而且最终的沉积图案也会随着乙醇浓度的变化而显现出巨大的差异。
  我们同样研究了液滴中不同尺寸颗粒的混合效果,发现颗粒的混合虽然对液滴的蒸发和内部流动没有太大的影响,但是不同大小的颗粒在三相接触线位置能够很好地分离。直径较小的颗粒沉积在三相接触线的附近位置,而直径较大的颗粒则沉积在距离接触线较远的位置。研究发现,位置的远近不但和颗粒的接触半径有关,而且还会受到液滴接触角的影响。
  最后我们分析了接触线的移动行为,发现接触线的解附和液滴的表面自由能有关,并且受到能量势垒的影响,接触线的移动能够影响颗粒的沉积图案,一般情况下接触线的跳跃步长随着蒸发的进行逐渐减小。
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