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关键词： SPH方法   流体模拟   流固耦合   移动固体边界   流体表面粒子识别   流体表面张力   IIF方法  

摘要： 流体模拟作为计算机图形学的一个重要分支,被广泛用于电影和电视特效、军事模拟、动画和医学等领域;然而,仍有很多问题需要研究解决,如流体的表面张力的快速准确模拟,流固耦合中移动固体边界处理等;而模拟表面张力,快速准确识别流体表面粒子是关键的第一步。本文在查阅与分析大量相关文献的基础上,对上述问题进行了探究。本文首先介绍了自由表面粒子的识别、流体表面张力模拟、流固耦合中移动边界处理的历史背景及研究现状,然后对此开展了以下三方面的工作:一、流体自由表面粒子的识别大体可以分为体积法和几何法两大类。体积法借助流体粒子的数密度或者粒子数来识别自由表面粒子,虽然实现简单,但是存在流体内部粒子被误判为自由表面粒子,造成流体内部产生数值震荡的问题。几何法有扇形扫描方法、弧度法等,虽然比体积法精确度大大提高,但是实现复杂,计算量大。针对上述问题,本文提出一种新的自由表面粒子的两步检测方法:第一步,通过粒子数密度简单快捷地识别出可能自由表面粒子,但是存在部分流体内部粒子被误识为自由表面粒子的现象;第二步,通过改进扇形扫描方法,针对第一步被鉴定为自由表面粒子进行扇形扫描分类,由此将第一步误识为自由表面粒子的流体内部粒子剔除。与传统体积法相比,本文方法更精确,减少了流体模拟的数值震荡;与传统几何法相比,本文方法计算量减少,计算效率提高。仿真实验结果验证了本文方法的有效性。二、IIF方法是模拟流体表面张力常用的一种方法,它是一种基于粒子间相互作用力的模型;在流体内部,流体粒子受到支持域内邻居粒子在各种方向上作用力的合力为零,处于流体表面的粒子仅受到流体内部粒子的作用力而导致合力非零,由此表现出表面张力。现有的处理表面张力的粒子间相互作用力模型模拟流体表面张力存在的流体自由表面不光滑、计算效率低,模拟效果不稳定等问题。对此,本文提出一种新的流体自由表面张力模拟方法。首先根据本文提出的自由表面粒子的两步检测方法,快速准确识别流体自由表面粒子;根据本文提出的自由表面粒子的两步识别方法,快速准确识别流体自由表面粒子;构造新的粒子间作用力函数,改进了流体表面面积最小化修正项,修正了自由表面粒子的密度,避免流体自由表面附近出现模拟不稳定的现象;改善了自由表面周围流体粒子密度的计算精度,提高了模拟效率。模拟仿真结果显示,与已有模型相比,本文方法模拟的自由表面更加平滑,没有粒子飞溅等现象,模拟效率更高,也更加稳定。三、SPH方法在处理流体与移动固体耦合时,靠近固体边界的流体粒子的支持域被固体边界截断,导致流体粒子的密度不连续,从而出现部分流体粒子粘附、堆积在移动固体边界上的现象。为解决上述问题,传统流固边界处理算法将固体表面进行多层粒子采样以补充流固交界处流体粒子的支持域,但随着模拟过程中交互粒子数的增多,模拟效率随之降低。针对流体粒子粘附、堆积在移动固体边界上,传统方法模拟效率低的问题,本文提出一种新的流固边界处理算法,固体边界单层采样,减少了流固交互时的计算量,将固体边界粒子考虑进流体粒子的数值计算中,提出修正系数来修正未被采样的边界粒子对密度及力的计算的影响,改进了流体粒子的密度以及力的计算公式,保证了流固交互界面处流体粒子密度和压力梯度的连续性。仿真结果表明,本文方法在流固交界处消除了流体粒子粘附固体边界上的现象,提高了模拟效率。

关键词： 蛇纹岩泥火山   自生沉积   主微量元素   氧化还原   渗漏流体  

摘要： 马里亚纳弧前蛇纹岩泥火山顶发育的自生沉积忠实地记录了渗漏流体活动,甚至记录了泥火山之下与俯冲作用有关的地球化学过程等信息。对其展开研究有助于认识蛇纹岩泥火山自生沉积形成环境及发育机理,渗漏流体活动规律及与俯冲作用有关的地球化学过程。本文对Conical蛇纹岩泥火山发育的自生沉积进行了详细的岩石学、矿物学研究,对Conical与Quaker蛇纹岩泥火山自生沉积TC/H/N/S,主量元素、稀土及其它微量元素展开综合研究。Conical蛇纹岩泥火山发育的自生沉积依产状可分为薄片状和黄、白色球粒状两种类型,光学薄片、SEM及能谱数据显示前者微观结构为针状、棱柱状,主要元素组成为Ca、O及少量Mg;后者为菌球状,主要元素组成为Mg、Si、O。因此确定其分别为针状文石、棱柱状方解石及无定形镁硅酸盐。主量及TC/H/N/S元素数据显示薄片状样品主要由CaO及少量MgO组成,TC含量较高;黄白色球粒状主要元素组成为MgO与SiO,且TH含量较高。这与岩石学、矿物学推测的结果一致。本文中将富碳酸盐样品称为类型Ⅰ,富无定型镁硅酸盐样品称为类型Ⅱ,二种组分的REE配分模式、U及其它微量元素特征存在显著差异。5%醋酸溶样中类型Ⅰ具有ΣREE高(2.51～22.05μg/g)、LREE亏损、HREE富集、Y富集(Y/Ho平均值66.58)特征;类型Ⅱ显示ΣREE偏低(0.94～3.57μg/g)、LREE亏损、MREE富集、突出的Eu正异常。指示二种组分形成的流体性质存在差异。但总体上,类型Ⅱ及大部分类型Ⅰ样品ΣREE含量较低,显示重稀土略微富集的平坦型配分模式。对比自生沉积的稀土配分模式与渗漏流体和海水混合模型的稀土配分模式,结果显示除两个稀土含量较高的碳酸盐岩样品外,形成自生沉积的混合流体中渗漏流体的贡献比例高于90%,说明类型Ⅰ和Ⅱ样品均形成于较强的渗漏环境,渗漏强度并非造成自生沉积矿物类型差异的主要原因。少数类型Ⅰ存在Ce负异常,其余各类型均以Ce正异常为主,且类型Ⅰ中U(4.75～9.21μg/g)值低于类型Ⅱ(19.33～38.12μg/g)。这指示前者形成过程中既存在氧化环境也存在弱还原环境,而后者形成于较强还原性环境。此外,类型Ⅱ样品存在明显Sm正异常,各组分中均存在Eu正异常,尤其是全溶数据,且Sm、Eu含量之间较好相关性指示其具有同源性(类型Ⅰ与Ⅱ相关系数分别为R=0.96与R=0.60),而Eu正异常可能与蛇纹石化后形成的还原性环境有关,因此有理由推断Sm和Eu正异常可能均继承自渗漏流体,并指示了较强的流体渗漏活动。这说明类型Ⅱ形成的渗漏流体具有更强的还原性特征。此外,从类型Ⅰ至类型Ⅱ,Li、Sc、Rb等元素其含量显示逐渐增长的趋势,即这些元素在类型Ⅱ中富集,这也说明类型Ⅱ形成的流体性质与类型Ⅰ不同。分步溶样结果显示5%醋酸可溶相与醋酸不可溶相微量元素特征差异显著,前者REE配分模式显示明显的海水特征,而后者具有MREE富集、Eu正异常等类似于孔隙水的特征;说明前者形成于偏氧化环境而富Si的残渣部分形成于更加还原性环境,进一步证明了无定形镁硅酸盐与碳酸盐形成的流体性质不同。全溶相中各组分存在突出的Eu正异常,Ce正异常特征,大部分样品MREE比重显著增加,这些均指示全溶中具有5%醋酸不可溶的、指示更加还原性的成分。结合自生沉积形成机制认为这一组分即为无定形镁硅酸盐,这些均指示无定形镁硅酸盐形成的渗漏流体具有更加还原的状态。结合前人报道的Conical蛇纹岩泥火山顶渗漏流体发育特征,本文中碳酸盐及镁硅酸盐可能分别为“低硅型”和“高硅型”流体渗漏形成,同一渗漏点可能发育两种性质渗漏流体的动态演化,但诱发二种流体转换的机制有待进一步研究。Quaker蛇纹岩泥火山发育的烟囱状自生沉积新老烟囱主量元素,TC/H/N/S及微量元素差异明显。本研究中新生烟囱主要由MgO组成,TH含量较高,老烟囱主要由CaO组成,TC含量较高。这与前人研究的新老烟囱矿物组分差异相一致,也说明本研究中较老烟囱主要矿物成分为碳酸盐,新生烟囱主要矿物成分为碳酸盐与水镁石。微量元素中,富碳酸盐相与富水镁石相及二者的混合物的REE特征差异明显,富碳酸盐相及混合物均显示Ce负异常,而富水镁石相既存在Ce正异常也存在Ce负异常,说明前者形成于相对氧化性环境中,后者形成过程中存在还原性环境,另外,富碳酸盐相Y/Ho(平均值60.92)比值明显高于富水镁石相(平均值34.35),Ce负异常突出,这说明富碳酸盐相形成记录了较多的海水信息,富水镁石相记录了较多的渗漏流体信息,即水镁石矿物指示了较强的渗漏活动。综上,不同蛇纹岩泥火山发育的自生沉积、同一蛇纹岩泥火山自生沉积中不同矿物组分、同一矿物不同样品均可指示流体渗漏强弱活动。

关键词： 毛细对流   Czochralski结构   变形表面   流动稳定性   表面张力  

摘要： 提拉法(Czochralski法),简称Cz法,是目前人工制备单晶硅棒等高纯度晶体材料最主流的方法之一,其过程中熔体内存在的耦合热-溶质毛细对流使内部热质输运变得相当复杂,另外,耦合毛细对流稳定性改变在系统内诱导产生的温度、浓度波动也将直接影响生长晶体的质量。毛细对流稳定性研究为优化晶体生长技术提供了丰富的理论指导,但为了简化物理过程,大量相关研究采用了忽略自由表面变形的平表面假设,这导致了数值模拟结果和实验观测总是存在一定差异。因此,本文以Cz法制备二元晶体过程中熔体内耦合热-溶质毛细-浮力对流为研究对象,建立具有变形自由表面的Cz结构模型,采用数值模拟的方法分析研究了热毛细雷诺数Re 、变形条件、毛细比R和熔体深度对耦合流动的影响,获取了熔体内三维对流的结构和特性,捕获了对流失稳临界条件及流型转变规律。首先,在R=-1的工况下研究了不同类型变形结构对熔体内耦合热-溶质毛细-浮力对流的影响,其中A类变形(DA)指仅考虑坩埚侧壁润湿效应,B类变形(DB)在A类变形的基础上考虑了晶体提拉过程中形成的生长角,以体积比V定量描述表面变形的程度。结果表明,V对流动的影响主要体现在临界条件和流动特性上,当Re 较小时,系统内出现二维轴对称稳态流动,称基本流动,熔体内形成回流型涡胞,传热、传质呈准扩散态。当Re 超过临界值时,流动失稳形成三维流动,仅考虑润湿效应时(DA),自由表面上流型随Re 增大由内外双层复合结构转变为4波数轮辐状;同时考虑润湿和生长角引起的变形时(DB),流型由晶体界面附近不规则块状结构转变为准对称花瓣状;熔体内部形成方向相反的热、溶质毛细对流涡胞,分别占据晶体侧和坩埚侧,浮力作用主要体现在弯月面下方。仅考虑润湿效应时,流速和溶质毛细对流强度随V增大而降低,临界Re随V增大而增大;同时考虑润湿和提拉效应时,流动特征变化规律规律但临界Re普遍偏小。其次,固定两种变形条件(V=1.11,V=1.10),通过分析毛细比R对流型转变及流动结构的影响揭示了各驱动力的物理作用机制。结果表明,R直接影响流型的转变规律和终态流型,当R=-2时,熔体内部主流溶质毛细涡胞受浮力对流影响显著,自由表面上形成分层波纹状流型;随R和Re 增大,浓度波动较弱的轮辐状流型先转变为花瓣状而后转变为径向热毛细对流占完全主导的直辐条状结构,V=1.10时流型无第一阶段变化,花瓣状流型逐渐向直辐条状转变。随着R增大,内部溶质毛细对流逐渐被热毛细对流抑制,主流随R增大而增强,但流速上升的趋势在Re 较大时更显著,流动失稳的临界Re 随R增大而增大。最后,在V=1.11,R=-0.2的工况下研究了熔体深度对复杂对流的影响,结果表明,与浅液池相比,深液池中浮力将大幅强化熔体内部流动,基本流场内相同Re 下流速即以数量级增大,浓度分布不再保持准扩散态,流动失稳后时空有序的温度波动首次出现,熔体内部仅存在单一热毛细对流涡胞,底部浮力对流与主流相比极微弱,自由表面流速随深径比增大而大幅上升。

关键词： 矿床成因   榍石U-Pb定年   地球化学特征   长英质脉型钨矿   南温河  

摘要： 滇东南地处扬子板块、印支板块与华夏板块的结合部位,从古元古代以来经历了多期次岩浆-构造活动,致使该区成矿历史复杂,成矿条件多样,众多学者对该区成矿年代、成矿物质来源及矿床形成机制等方面颇有争议。本论文在前人研究基础上,对南温河钨矿区开展详细的岩石学、矿床学、构造地质学等方面的综合地质调查,通过穿插—侵位关系判别矿床期次,并对长英质脉型和矽卡岩型钨矿中副矿物榍石进行LA-ICP-MS U-Pb定年和原位微量元素分析,以及白钨矿原位微量元素及Sr同位素特征分析,并探讨该矿区长英质脉型钨矿的成矿年代、成矿流体特征和成矿物质来源。得到认识如下:（1）南温河钨矿区存在2期钨成矿事件,即早期层状矽卡岩-电气石石英岩区域变质成矿事件,晚期近E-W向展布的长英质脉钨热液成矿事件。长英质脉型钨矿有别于石英脉型钨矿,其矿物组合以长石为主,含少量石英,并发育大量榍石副矿物和粗晶白钨矿。（2）通过对长英质脉型和矽卡岩型钨矿中副矿物榍石进行LA-ICP-MS U-Pb定年,矽卡岩型钨矿中榍石呈浑圆状,Th/U比值0.02～0.08,指示榍石为热液成因,获得加权平均U-Pb年龄为225.5±2.7Ma（n=19,MSWD=1.06）。长英质脉型钨矿中榍石呈自形和弯曲脉状,两类榍石在SEM图像中均发育溶蚀孔洞,并包含有锆石矿物颗粒,较低的Tu/U比值0.02～0.29,指示榍石为热液成因。弯曲脉状榍石获得加权平均U-Pb年龄为141.5±4.7Ma（n=17,MSWD=1.6）。因此,本文认为南温河钨矿区矽卡岩型钨矿形成于中三叠世,而长英质脉型钨矿形成于燕山期早白垩世。（3）榍石和白钨矿的LA-ICP-MS微量元素分析显示,矽卡岩型和长英质脉型白钨矿在Sr、Mo、Nb、Y等微量元素含量以及稀土配分曲线具有较大差异,指示成矿流体性质和来源可能存在差异。长英质脉型和矽卡岩型钨矿中副矿物榍石稀土配分曲线均呈现出轻稀土（LREEs）相对重稀土（HREEs）亏损的左倾模式,但矽卡岩型榍石中表现出微弱的Ce负异常（0.80～1.03）和微弱或无的Eu的正异常,而长英质脉型榍石则表现出Ce正异常（1.0-1.31）和Eu的负异常（0.71～1.64）,表明了榍石形成条件由早期氧逸度较高的环境转变为晚期较还原的环境。矽卡岩型和长英质脉型白钨矿的Eu异常也再次印证了该成矿环境的转变。（4）白钨矿LA-MC-ICP-MS Sr同位素研究结果显示长英质脉型白钨矿的Sr/Sr值（0.71266～0.72247）高于矽卡岩型样品的Sr/Sr值（0.71574～0.71929）,表明矽卡岩型白钨矿可能与变质热液交代作用有关,而长英质脉型白钨矿可能来自于更高Sr比值的热液流体端元,并对早期形成的矽卡岩型白钨矿进行叠加和改造。（5）印支期（225Ma）印支地块和华南板块N-S向挤压推覆作用引起下部地壳发生深熔作用,导致新元古代-寒武系碳酸盐岩-泥岩地层发生区域变质交代形成矽卡岩型矿体。随后流体继续降温,其产生的压力促使矽卡岩及其外围脆弱的部位产生脉状裂隙。而后150Ma左右滇东南地区由特提斯构造域逐渐转化为太平洋构造域的近N-S向伸展作用形成长英质流体并灌入裂隙中形成穿插矽卡岩型矿体的长英质脉型钨矿。

关键词： 页岩   纳米孔   非均质性   限域行为   相变特征  

摘要： 页岩储层中存在的大量纳米级孔隙不仅是油气的主要储存空间,也是主要的运输通道。与常规油气储层不同,纳米级孔隙的存在,导致在页岩储层中孔隙流体与孔壁间的相互作用不容忽略,为此,近年来页岩微纳尺度孔隙内的流体限域行为和相变特征受到国内外研究学者越来越多的关注,但现有研究多基于光滑孔隙壁面假设,孔隙非均质性对于流体限域行为和相变特征的影响尚不清楚。论文结合实验和理论模拟手段,开展了页岩非均质孔隙内的流体限域行为和相变特征研究。首先采用XRD、场发射扫描电镜、高压压汞实验、液氮吸附以及原子力显微镜等手段开展了页岩孔隙结构及孔壁非均质性的定性和定量分析,为后期的理论模型建立奠定基础。之后,为有效模拟页岩复杂的纳米级孔隙结构特征性,提出了锯齿表面、沟壑表面和正弦表面三种孔壁假设,表征页岩纳米级孔隙的非均质特征。在此基础上,结合多组分吸附势理论(MPTA)与彭-罗宾逊状态方程(PR-EOS),建立了烃类流体在非均质纳米孔中的限域行为数学模型。最后,在限域行为模拟的基础上,采用孔径尺寸依赖的EOS,并考虑毛细管压力、吸附层及流体-孔壁间相互作用力等的影响,建立了页岩纳米级孔隙中烃类流体的相变特征数学模型,揭示了孔壁非均质性对流体相变特征的影响规律。研究结果显示孔隙壁面非均质性对于页岩储层的孔隙流体限域行为和相态特征具有较大影响。论文所建立考虑孔壁非均质性的限域行为表征模型能够在较大的温度压力范围内准确表征碳氢化合物的限域行为,其中正弦模型的预测精确度最好。相较之下,几何非均质性对限域行为的影响更为显著,且重质组分受到非均质性的影响大于轻质组分。考虑孔径尺寸依赖的EOS、毛细管压力、吸附层及流体-孔壁间相互作用力的影响建立的相变特征数学模型可以很好地预测烃类流体在纳米孔中的相行为,特别是对于小于10nm的孔隙,非均质性影响较大。模拟结果发现孔隙尺寸越小,非均质纳米孔与光滑纳米孔之间的K值和泡/露点偏差越大。对于混合流体,重组分占比越多,受到孔壁非均质性的影响越大。

关键词： 毒重石矿床   成矿流体   流体包裹体   单个包裹体成分分析   重庆城口  

摘要： 南秦岭毒重石-重晶石成矿带是世界上极为罕见的大型钡矿带,已发现不同规模的毒重石、重晶石矿床（点）70余个,这些毒重石和重晶石矿床在空间上表现出既共生又分离的分布规律,总体上划分为毒重石成矿亚带和重晶石成矿亚带。毒重石成矿亚带位于红椿坝深大断裂以南,前人在该成矿亚带开展的地质找矿工作主要集中在西北部和东南部,而中南部研究程度相对薄弱。近年来,在该成矿亚带中南部的城口地区,新发现了左岚和巴山两个大型毒重石矿床,其研究程度相对较低。因此,本文以重庆城口地区左岚和巴山毒重石矿床为主要研究对象,综合运用岩相学、矿床学、流体包裹体学等多学科理论和方法,重点研究矿床地质特征和流体包裹体特征。 矿床地质特征表明:左岚与巴山毒重石矿床的矿床地质特征十分相似,即:矿体赋存于寒武系下统巴山组,呈层状、似层状产出。矿石矿物主要有毒重石、重晶石、钡解石、钡白云石及钡长石,脉石矿物主要有石英、碳质、黄铁矿及闪锌矿。矿石构造主要有条纹-条带状构造、致密块状构造、网脉状构造。矿石结构主要为粒状结构、细晶-粗晶不等粒结构、玫瑰花瓣状结构。钡主要以独立矿物或类质同象矿物形式赋存。矿石类型分为毒重石型、毒重石-钡解石型和毒重石-钡解石-重晶石型三种类型。围岩蚀变主要表现为硅化、碳酸盐化和黄铁矿化。矿床可分为沉积成矿期、热液改造期和表生期,沉积成矿期主要分为石英-钡解石阶段（S1阶段）、毒重石-重晶石-钡解石阶段（S2阶段）和毒重石-钡解石阶段（S3阶段）。 流体包裹体特征表明:左岚和巴山毒重石矿床流体包裹体以气液两相包裹体为主,含有少量的液相、气相包裹体。左岚毒重石矿床均一温度为120℃～336℃,盐度为0%～14%,密度为0.66g/cm3～1.00g/cm3,成矿压力介于24.7 MPa～89.9 Mpa之间,成矿深度在2.47 km～7.79 km之间;巴山毒重石矿床均一温度为120℃～335℃,盐度为1%～13%,密度为0.72 g/cm3～1.02 g/cm3,成矿压力为29.1 Mpa～91.7 Mpa,成矿深度介于2.91 km～7.87 km之间;左岚和巴山毒重石矿床成矿流体性质极为相似,属中低压、中浅成成矿作用下的中低温、低盐度、中密度流体。单个流体包裹体激光拉曼分析显示,成矿流体主要成分为H2O,但含有少量的CH4气体,说明成矿环境可能为还原环境。 综合研究表明:重庆城口地区毒重石矿床与区域毒重石成矿亚带西北部黄柏树湾、东南部文峪河毒重石矿床成矿流体性质和来源较为相似,成矿流体总体为中低温（160℃～240℃）,低盐度（4%～7.02%）,中密度（0.92 g/cm3～0.93 g/cm3）流体,说明该区域上的毒重石矿床应具有相似的成矿流体场,成矿流体可能来源于海水、沉积建造水与有机水的混合。热化学硫酸盐还原作用是城口地区毒重石矿床的主要成矿机制,流体成矿过程可分为两个阶段:毒重石-重晶石-钡解石阶段（S2阶段）,在弱酸性、弱氧化的海底底水体系中通过化学沉积方式成矿;毒重石-钡解石阶段（S3阶段）,在弱碱性、还原的沉积岩体系中通过热化学硫酸盐还原作用沉积成矿。

关键词： 差温轧制   厚规格钢板   热力耦合有限元   流函数   非对称冷却   微观组织  

摘要： 厚规格钢板广泛应用在海洋平台、石油管道、工程机械等领域。对称轧制在生产厚规格钢板时会产生心部变形不充分的现象,导致心部晶粒粗大,综合性能偏低等问题。受限于连铸坯最大厚度和轧机开口度,增大总压缩比的方法对厚板心部变形提升有限。本文以厚钢板差温轧制为研究对象,以提高板材心部变形、改善轧后组织性能和轧后平直度为目标,采用热力耦合有限元模拟、理论分析和实验验证的方法研究了差温轧制对厚规格钢板多维度变形的影响。本论文的主要工作如下:(1)采用ANSYS隐式分析研究了不同换热系数、冷却时间、初始厚度对钢板厚度方向温度场分布和温度梯度的影响规律,为差温轧制变形过程奠定基础。当换热系数在1000～11000 W·m·K,冷却时间在25 s内时,不同换热系数和冷却时间对厚钢板温度场有重要影响,且温降主要发生在表层;冷却条件相同时,初始厚度在100～350 mm范围内的厚规格钢板温度场分布受板坯初始厚度影响较小,温降主要发生在表层30 mm内。(2)基于热力耦合有限元模拟了厚规格钢板差温轧制过程,研究了不同工艺参数和设备参数对钢板厚度方向及心部变形的影响;基于最小能原理,采用流函数法建立了差温轧制应变计算模型;基于大量计算结果,采用最小二乘法拟合得到差温轧制心部应变计算模型。与均温轧制相比,差温轧制变形更容易向心部渗透。随着表面对流换热系数、异速比、轧辊直径和压下率的增大,厚规格钢板心部变形逐渐增大,而初始速度对厚钢板心部变形几乎没有影响。(3)利用材料热力学效应,采用非对称冷却的方法对轧后板材进行板形调控,讨论了不同换热系数比、冷却时间、初始厚度和初始曲率等参数对轧后板材平直度的影响规律。当其他工艺参数一定时,通过调节换热系数比和冷却时间可以有效降低轧后板材平直度;在相同条件下,随着初始厚度和初始曲率的增大,板材非对称冷却后平直度也随之增大。(4)通过差温轧制实验,采用OM、SEM、EBSD等技术对45号钢和42Cr Mo心部微观组织进行表征,并测得不同工艺下钢板拉伸力学性能。与均温轧制相比,差温轧制心部有大量针状铁素体,晶粒尺寸得到细化,而在均温轧制时,块状铁素体所占的比例较多,且晶内亚结构较少,小角度晶界占比较少。差温轧制时钢板具有较高的力学性能。

关键词： 机器学习势函数   负泊松比   界面   热输运   多尺度  

摘要： 近年来,5G通讯也逐渐应用于智能汽车,在5G通讯中对智能芯片的可靠性要求更高,而汽车的工况非常恶劣,包括高温和强振动,对于芯片的稳定工作和可靠性是一个非常巨大的挑战。因此,亟需针对具有负泊松比和高热导率(κ)的先进功能材料开展研究,实现先进减震防护和高性能热管理,提升芯片工作的可靠性和稳定性。本文围绕界面热输运性质研究中的机器学习势函数开发及应用,首先针对当前两种常用的机器学习(Machine Learning,ML)拟合势函数的方法进行探索对比,使用矩张量势函数(Moment Tensor Potential,MTP)和神经网络势(neural-network potential,NNP)方法分别拟合石墨烯和T-carbon的势函数。研究结果表明,使用经过训练的MTP势函数,可以很好地再现石墨烯的负泊松比现象。通过分析关键几何结构参数的演变,发现键角的增加是导致石墨烯负泊松比的原因。随后,使用神经网络势(neural-network potential,NNP)方法拟合T-carbon的势函数,并且使用分子动力学模拟计算T-carbon的热导率,与第一性原理计算结果符合良好。在BAs-Ga N的界面热输运性质研究中,将ML、DFT(Density functional theory)、MD和FEM(Finite Element Method)用于开发热输运特性系统的多尺度模拟和深入的物理机制研究。使用分子动力学模拟,直接从原子运动角度验证了BAs的超高热导率,并在BAs-Ga N异质结构中获得了265 MW mK超高的界面热导(Interfacial thermal conductance,ITC),与实验测量结果一致。深入分析表明,高界面热导潜在的物理机制在于BAs和Ga N良好匹配的晶格振动。基于微纳尺度DFT和MD模拟的界面热输运过程的理解,研究了晶粒尺寸与有效热导率之间的物理机制。研究结果为BAs-Ga N异质结构的界面传热提供了基本的理论依据,同时研究表明,基于机器学习势函数驱动的多尺度模拟方法可以应用于实际工程和设计复杂的热管理系统,从而进一步促进电子设备的小型化发展。

关键词： 离心压气机   粗糙度   蜗壳   无叶扩压器   流动损失   性能试验  

摘要： 离心压气机的效率和工作范围主要由其内部流动决定,常见的离心压气机的内部流道主要由叶轮流道、扩压器流道和蜗壳流道组成,这三者的粗糙度都会影响到压气机的性能表现。目前对于粗糙度研究较为广泛集中在叶栅和压气机的叶片上,关于离心压气机叶轮下游的蜗壳和扩压器粗糙度的相关研究较少,且缺乏试验结论。因此本文通过研磨改变离心压气机蜗壳和无叶扩压器表面粗糙度,数值模拟和试验研究其对压气机性能的影响,找出压气机性能与蜗壳粗糙度之间存在的关系,为离心压气机性能提升和实际生产过程中加工工艺的选择制定提供参考。本文主要工作包括:对于所研究涡轮增压器离心压气机蜗壳进行了剖切,测量、提取并模化了蜗壳表面形状,拟合并计算得到了蜗壳的粗糙度。通过数值模拟的手段对压气机进行了仿真计算,并与试验结果相对照,验证了仿真结果的可靠性。通过模拟不同平均粗糙度的压气机蜗壳和扩压器表面,探究了不同粗糙度对压气机性能的影响的变化程度,分析其损失的分布与变化。仿真结果表明:随着蜗壳粗糙度的增加,压气机效率和压比随之下降,下降的幅度在小粗糙度时较大,而在较大的粗糙度时变化较小。粗糙度对于效率的影响幅度比压比更加明显,而且在大流量工况时的粗糙度对效率和压比的影响程度最为明显。粗糙度对于压气机的最小流量边界有小量的影响。进一步把蜗壳沿周向分为了几个部分,研究不同位置蜗壳内表面粗糙度对于压气机性能的影响程度,为高效加工平整蜗壳内流道表面提供依据。通过磨粒流加工,提高压气机蜗壳内表面光洁度,得到不同粗糙度的蜗壳并测量使用这些蜗壳时压气机的性能。由于磨粒流加工为去材料加工,而蜗壳材料较易为去除,对蜗壳的几何形状进行了控制以防止变形。加工时由于蜗壳流道内部几何的复杂性,加工后粗糙度分布并不均匀,但加工后蜗壳内表面粗糙度均得到了较大程度的改善,平均表面的粗糙度从Ra=4μm左右降低到1.5μm左右。同时研磨了较为光滑的无叶扩压器用于研究无叶扩压器粗糙度的影响。通过增压器试验台试验得到了不同粗糙度蜗壳与扩压器下的压气机性能曲线,试验结果表明:扩压器粗糙度降低可以全面提高压气机效率,蜗壳粗糙度的改善则只提高了压气机低速下的效率。由于可能的试验误差,压气机高速下的效率没有得到改善。蜗壳的粗糙度对压气机的喘振流量的影响有限,而且在低速和高速的影响可能不同。

关键词： 扁平微槽道热管   表面张力   流动模型   传热模型   毛细极限   强化传热   充液率  

摘要： 强化传热同时减小热管理元件的尺寸在电子器件冷却等领域至关重要,扁平微槽道热管由于其传热效率高、加工简便和结构紧凑等优点得到广泛关注。通过理论建模的方法可以经济高效地对热管进行性能研究,但目前文献中对热管的理论模型研究还存在一些不足,如较少考虑液堵段,较少考虑气相温度变化等,这均会影响模型的精度。本文将针对扁平微槽道热管（flat micro-grooved heat pipe,FMGHP）建立流动传热模型并设计实验对其进行验证,最后借助所建立模型对热管进行性能强化研究。首先建立了FMGHP的流动模型和传热模型,流动模型基于质量守恒、动量守恒和Young-Laplace方程,给出了液相动量方程中毛细力项和相变动量项的物理意义,通过考虑接触角变化建立了液堵段模型,借助四阶龙格库塔方法求解。传热模型为节点热阻模型,考虑了气相温度变化的影响,提出了流动传热模型耦合求解算法来计算热管表面温度分布。随后利用蒸发排气法灌装了充液率分别为27.82%、30.06%和36.69%的铝-丙酮FMGHP,搭建热管传热性能实验台测量其在不同加热功率下的壁面温度分布,并将测量结果与计算结果进行对比。最后借助所建立的模型计算了热管的毛细极限,同时考虑了由蒸干导致的蒸发极限和由液堵导致的冷凝极限,给出了最佳充液率的计算方法,并探究了槽道几何结构参数对毛细极限和最佳充液率的影响。流动模型计算结果表明,毛细力项对计算结果影响较大,相变动量项的影响相对较小,本例中可以忽略,且液堵段的存在拓宽了流动模型在加热功率上的可应用范围。将实验测量的表面温度分布与模型耦合求解结果对照,发现考虑气相温度变化的传热模型与实验结果符合较好,最大平均绝对偏差为2.76℃。所建立的铝-丙酮FMGHP灌装装置充液不确定度为±7.71%。通过毛细极限模型的计算,铝-丙酮FMGHP毛细极限为15.20 W,最佳充液率为32.78%,毛细极限随气腔厚度、槽道深度、肋脊高度和槽道倾斜角的增加而增加,最佳充液率对槽道结构变化不敏感,基本在33%上下浮动。综上,本文利用理论建模和实验验证的方法探究了铝-丙酮FMGHP的流动传热性能并对其进行了强化传热研究,本文所得到的结论与结果对热管内部气液两相传输机理具有一定理论价值,对热管的工程应用设计也具有理论指导意义。