细胞黏附的力学建模及其力敏感性的机理研究

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">细胞黏附在机体的生理和病理过程中起着重要的作用。作为细胞内、外信息交流和传递的通道，细胞黏附斑具有独特的力敏感性。实验表明，在力的作用下，黏附斑不仅可以生长、成熟和破坏，而且还能感知外部环境的力学性质，如基底硬度、硬度梯度和形貌等等。细胞黏附如何响应不同的力学刺激，物理机理是什么，如何定量描述这些物理机理？这些问题是细胞生物学和细胞力学中的重要问题。本论文通过在分子和亚细胞尺度上的力学建模研究了黏附斑的力敏感性机理，主要包括以下几方面的内容： (1) 发展了一个非线性的撕裂模型，研究了细胞黏附的稳定性和边缘依赖性。通过引入黏附分子键的非线性本构关系，并考虑黏附分子键的多种分布形式，我们发现黏附分子键的非线性效应对维持细胞黏附的稳定性起着至关重要的作用。黏附分子键的非线性力学性质使黏附分子键可以同时承载，降低了细胞对黏附分子键分布的依赖性，大大提高了细胞的黏附强度。本文的预测结果与实验结果一致。 (2) 建立了细胞黏附的细观力学模型，研究了在力作用下黏附斑生长和失稳的分子机理。在细观力学模型中，引入了“整联蛋白的聚集”和“整联蛋白-配体的反应”两个分子作用机理，并用两个化学反应来描述。通过基于Monte Carlo思想的Gillespie算法模拟了细胞黏附在不同载荷下的响应。我们发现黏附斑只能在一定范围的张力下生长，在这个范围内整联蛋白的聚集机制占主导。而当张力大于某个临界值时，黏附斑将失稳并导致破坏，这时整联蛋白-配体分子键的解离机制占主导。因此，黏附斑对作用力的不同响应，是不同分子作用机制在力作用下相互消长的结果。同时我们还建立了一个唯象的热力学模型中，验证了我们的细观力学模型。 (3) 基于细胞黏附的细观力学模型，研究了周期性载荷下细胞的重排和转向机理。在细观力学模型中，通过黏附块(adhesion plaque)，将整联蛋白-配体分子键和细胞骨架联系起来。基于Monte Calro模拟，我们发现存在一个载荷临界值，当外载大于临界值时，细胞将进行重排。细胞重排的原因是在周期性载荷下黏附斑的失稳。通过引入整联蛋白-配体成键的化学反应动力学和应力纤维的粘弹性性质，解释了细胞黏附稳定性的频率依赖性。本文预测的细胞转向临界载荷和重排方向，与实验结果一致。span>

微尺度压痕实验的数值模拟及相关问题研究

<span style="color: #000000; font-family: 'Trebuchet MS','Lucida Sans Unicode',Arial,sans-serif; font-size: 12px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: 22px; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; background-color: #ffffff; display: inline ! important; float: none">目前国际上占主导地位的纳米压痕技术是由Oliver与Pharr提出并发展,目前的纳米压痕可以给出整个加、卸载过程的载荷—位移曲线以及硬度与弹性模量随压痕深度变化的曲线,从而提供了丰富的、比较精确的信息,为利用它探索材料比较完整的力学特性提供了可能.为达到该目的,就必须对压痕实验的加、卸过程进行较为深入的研究.作为主要的研究工具,有限元方法模拟微压痕过程在探讨通过实验数据得到更多、更准确的材料表层力学性能参数以及解释实验现象等方面发挥着重要作用.基于计算机速度与容量的原因,较早进行微压痕过程有限元模拟的BhattacharyaandNix、LaursenandSino都使用圆锥压头模拟维氏显微硬度标准正四棱锥Vicker压头与纳米压痕仪标准正三棱锥Berkovich压头,因为圆锥压头具有旋转对称性,可用二维旋转对称单元(二维实体单元)进行计算从而降低计算规模.即便如此,以当时大型计算机的水平,对规模为400~2000个四节点矩形单元的有限元模型进行一次完整的加、卸载过程也需要1~2天.到目前为止,微尺度压痕实验的数值模拟沿用二维模型.事实上,由于加工工艺的限制,微尺度压痕仪的压头如Berkovich与Vicker压头均不个旋转对称性;就微观尺度而言,实际的表层材料都是非均匀的.这些特征均不能由二维模拟体现,所以该文首先建立三维有限元模型,模拟带滑动接触的微尺度压痕加、卸载过程.在此基础上重点讨论了压头几何效应的问题,如二维模拟与三维模拟的关系、显微硬度与纳米的压痕硬度的关系、不同压头下材料的应力应变场、压痕间距与压痕边界的效应等,最后针对微尺度压痕实验中出现的压痕硬度随压痕深度减小而升高的现象,讨论了影响不同压痕深度硬度值的因素.span>

若干流体力学问题的数学性质研究

<span style="color: #000000; font-family: 'Trebuchet MS','Lucida Sans Unicode',Arial,sans-serif; font-size: 12px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: 22px; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; background-color: #ffffff; display: inline ! important; float: none">该文利用高智的扩散抛物化方程组理论及流体力学基本方程组的特征次特征理论,流体大小尺度（LSS）方程组理论以及摄动有限差分（PFD）方法,研究若干流体力学问题的数学性质.该文得到的主要结论有：1.利用湍流大小尺度（LSS）方程组推导出湍流大小尺度涡量（LSSV）方程组,并证明两个关于湍流大小尺度涡量的命题,从而得到湍流封闭大小尺度涡量（CLSSV）方程组,并对已有的近程相互作用命题进行推广.2.根据扩散抛物化方程组理论和流体力学层次结构方程组的特征和次特征方法,研究了抛物化稳定性方程组（PSE）的特征和次特征以及消除PSE的剩余椭圆特性的问题.3.利用摄动有限差分（PFD）方法得到对流扩散反应方程的变步长摄动有限差分格式,是等步长摄动有限差分格式的推广.span>

槽道湍流的直接数值模拟

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">通过直接数值模拟(DNS)研究槽道湍流的性质和机理。包含五个部分：1）湍流直接数值模拟的差分方法研究。2）求解不可压N－S方程的高效算法和不可压槽道湍流的直接数值模拟。3）可压缩槽道湍流的直接数值模拟和压缩性机理分析。4）“二维湍流”的机理分析。5）槽道湍流的标度律分析。1．针对壁湍流计算网格变化剧烈的特点，构造了基于非等距网格的的迎风紧致格式。该方法直接针对计算网格构造格式中的系数，克服了传统方法采用 Jacobian 变换因网格变化剧烈而带来的误差。针对湍流场的多尺度特性分析了差分格式的精度、网格尺度与数值模拟能分辨的最小尺度的关系，给出不同差分格式对计算网格步长的限制。同时分析了计算中混淆误差的来源和控制方法，指出了迎风型紧致格式能很好地控制混淆误差。2．将上述格式与三阶精度的Adams半隐格式相结合，构造了不可压槽道湍流直接数值模拟的高效算法。该算法利用基于交错网格的离散形式的压力Poisson方程求解压力项，避免了压力边界条件处理的困难。利用FFT对方程中的隐式部分进行解耦，解耦后的方程采用追赶法（LU分解法）求解，大大减少了计算量。为了检验该方法，进行了三维不可压槽道湍流的直接数值模拟，得到了Re＝2800的充分发展不可压槽道湍流，并对该湍流场进行了统计分析。包括脉动速度偏斜因子在内的各阶统计量与实验结果及Kim等人的计算结果吻合十分理想，说明本方法是行之有效的。3．进行了三维充分发展的可压缩槽道湍流的直接数值模拟。得到了 Re=3300，Ma=0.8的充分发展可压槽道湍流的数据库。流场的统计特征（如等效平均速度分布，“半局部”尺度无量纲化的脉动速度均方根）和他人的数值计算结果吻合。得到了可压槽道湍流的各阶统计量，其中脉动速度的偏斜因子和平坦因子等高阶统计量尚未见其他文献报道。同时还分析了压缩性效应对壁湍流影响的机理，指出近壁处的压力－膨胀项将部分湍流脉动的动能转换成内能，使得可压湍流近壁速度条带结构更加平整。4．模拟了二维不可压槽道流动的饱和态（所谓“二维湍流”），分析了“二维槽道湍流”的非线性行为特征。分析了流场中的上抛－下扫和间歇现象，研究了“二维湍流”与三维湍流的区别。指出“二维湍流”反映了三维湍流的部分特征，同时指出了展向扰动对于湍流核心区发展的重要性。5．首次对可压缩槽道湍流及“二维槽道湍流”标度律进行了分析，得出了以下结论：a）槽道湍流中，在槽道中心线附近较宽的区域，存在标度律。b）该区域流场存在扩展自相似性（ESS）。c）在Mach数不是很高时，压缩性对标度指数影响不大。本文结果同SL标度律的理论值吻合较好，有效支持了该理论。对“二维槽道湍流”也有相似的结论，但与三维湍流不同的是，“二维槽道湍流”存在标度律的区域更宽，近壁处的标度指数比中心处有所升高。span>

电弧离子镀中脉冲偏压对TiN,CrN薄膜性能的影响

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">在电弧离子镀技术中使用脉冲偏压电源是近年来发展起来的一项新技术。研究表明，在薄膜沉积过程中，以直流偏压为基础，迭加一个高脉冲电压，有助于改善薄膜的性能，并且能够在较低的沉积温度下获得结合力较强、内应力较小、表面光洁度也比较好的薄膜。通过正交设计和方差分析，本文首次研究了在电弧离子镀技术中使用脉冲偏压电源， 在高速钢和不锈钢基体上沉积TiN和CrN的过程中，对薄膜的表面粗糙度、表面形貌、结合力、显微硬度、沉积速率等性能的影响，发现：（1） 在考虑气氛、弧电流和脉冲电源的各种参数的情况下，气氛和频率是影响薄膜性能的主要因素；（2）在气氛、弧电流不变的条件下，脉冲电源的频率和占空比是影响薄膜粗糙度的主要因素；（3）在比较了直流偏压和脉冲偏压的实验结果之后，认为利用直流迭加脉冲的偏压方式，经过优化参数，能够比较显著地 降低薄膜的表面粗糙度，提高沉积速率。span>

海床对水表面波动态响应的研究

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">在设计各种各样的海工结构物时，必须考虑海洋波浪引起的海床变形乃至失稳问题。本文旨在通过波浪作用下海洋土动态响应的研究，对海洋土在各种加载条件下所呈现的动力学特点做全面细致的了解，揭示一些现象的力学机制，为工程设计提供可参考的科学依据。系统地研究了线性波和有限深底床相互作用下底床土层的动态响应。应用弱非弹性多孔介质模型，针对波浪衰减、底床中应力场分布以及土骨架位移等问题，进行了详细地分析。预测了在不同的波参数和土参数下，土床可能发生破坏的最大深度，分别分析了粗，细砂土床中渗滤作用和土颗粒之间的库仑摩擦对底床稳定性所带来的影响。通过对不同土质底床在波浪作用下所表现的动态特征，讨论了粉土床发生共振液化的力学机制，提出了共振液化发生的必要条件。考虑了非线性波和弱非弹性多孔介质的耦合，推导了在弱非弹性多孔介质上传播的浅水波方式，得到了依赖于土参数的椭圆余弦波波面方程，以及土床应力场和土骨架位移的关系式。根据浅水波相速度和衰减率的计算结果，分析了浅水波在不同土质底床上的传播特性，具体讨论了在椭圆余弦波作用下土床中孔隙水压力随波高和周期的变化关系，通过和线性波结果的比较分析，给出了该理论的适用范围，并得到他人实验结果的验证。分析了短峰和底床相互作用所引起的防波提失稳问题。给出了非完全反射防波堤前土床中的应力场分布，对短峰波所引起的底床液化势及剪切破坏进行了详细地讨论。针对不同土质底床，计算了底床最大破坏深度以及破坏区域随加载波周期、水深及入射角的变化关系。参照实际工程，讨论了考虑防波堤自重情况下防波堤的失稳，给出了敏感区域。span>

新型固井前置液研究及环空驱替机理分析

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">固井前置液是置于固井水泥浆与钻井液间的一段具有特殊性能的液体，用于冲洗井壁、防止污染，以提高固井质量。同时，前置液与固井水泥浆分界面的稳定性对固井质量亦有重要影响。以往，主要考虑配制淡水钻井液体系中的前置液。本文研究海水钻井液体系中前置液的配制，这是一个新课题，对保证这类油气井长期安全生产具有重要意义。 本文针对海水钻井液体系的特点，提出了一种新型前置液配方，对其在固井过程中的各种性能进行了众多的室内实验研究，结果表明：新型前置液属非牛顿流体，其本构关系基本符合幂律模式，高温高压的影响不大；新型前置液与海水钻井液、固井水泥浆及盐水等有良好的相容性；其中的固体颗粒及表面活性剂能实现物理与化学冲洗，有效冲刷井壁泥饼。 开展了高温高压下水泥浆流变性能的实验研究，表明水泥浆本构方程符合屈服幂律模式。采用屈服幂律模型，对水泥浆环空流动规律及影响因素进行了数值模拟，得到环空偏心度、环空返速和流动介质对流动不均匀性的影响规律，其中偏心度是引起环空流动不均匀的主要原因。同时开展了相应的实验研究，数值结果与实验相吻合。 研究了环空偏心度、环空返速及前置液物性参数对前置液－水泥浆界面稳定性的影响。表明，偏心度对环空驱替界面稳定性具有重要影响，降低套管偏心度可提高界面稳定性。环空返速和前置液物性对界面稳定性亦有一定影响，低速层流界面稳定，湍流驱替界面掺混程度低，增大水泥浆和前置液的密度差、降低前置液的流型指数、稠度系数和屈服应力都可使界面趋于稳定。 将新型前置液应用于胜利埕岛油田4个井组18口井，进一步开展了两期现场对比和两次推广应用试验研究。现场试验表明，应用新型前置液后，环空水泥浆界面清晰，混浆段长度缩短，第一界面的合格率除一口水平井为93％外，其余井均在95％以上，第二界面的合格率则可提高40～50％。因此，新型前置液具有很好的推广应用前景。span>

平台用高强度钢多次补焊及TIG熔修的疲劳分析

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">海洋石油平台在服役期内，由于受到各种环境载荷的交变作用，其受力的焊接构件不可避免地会出现疲劳裂纹。对出现的疲劳裂纹进行补焊修复，可以延长平台的使用期，带来巨大的经济和社会效益。本文通过实验研究，考察了多次补焊对海洋平台用高强度钢焊接接头疲劳性能的影响，以及是否可以通过TIG熔修工艺的采用提高补焊构件的疲劳寿命，达到延长补焊后平台的使用寿命，减少补焊次数的目的。本文涉及的主要研究内容如下：1、考察了多次补焊对焊接接头疲劳寿命的影响。通过对平台用高强度钢焊接接头初焊试样，以及重复三次补焊试样的疲劳实验，得到了各次补焊试样在对数正态分布和威布尔分布下的寿命估算式和考虑了存活率的R-S-N曲线。对实验结果进行了比较和分析，从而考察了多次补焊对焊接接头疲劳性能的影响。2、在每次补焊后，由于焊趾外移造成了焊趾角的变化，使得焊趾处的应力集中系数发生了变化。本文采用有限元方法计算了试样的应力场分布，得到了焊趾处的应力集中系数与焊趾角的关系。考虑到应力集中系数的变化后，对多次补焊试样疲劳实验的实验数据进行了重新处理。3、考察了多次补焊熔修对焊接接头疲劳寿命的影响。本文通过对平台用高强度钢焊接接头补焊及补焊熔修试样的疲劳实验，得到了多次补焊和补焊熔修试样对数正态分布和威布尔分布下的寿命估算式和考虑了存活率的R-S-N曲线。对实验结果进行了比较和分析，从而考察了补焊后采用TIG熔修工艺对焊接接头疲劳性能的影响。4、一次补焊后进行熔修处理可以极大的改善试样的疲劳性能，提高试样的疲劳寿命。但这一结果是在平焊位条件下得出了。为了将这一结果用于实际，还要考察实际操作中大量采用的立焊位条件下熔修的效果。本文完成了立焊位条件下补焊及补焊熔修试样的疲劳实验，得到了相应的S-N曲线。5、疲劳实验数据的处理中，大量采用威布尔分布作为数据统计的分布类型。但由于威布尔分布具有三个参数，给求解带来一定的困难。本文提出一种以在威布尔坐标纸上，数据分布的线形相关系数作为判据的求解威布尔参数的方法，并通过程序加以实现。为了对疲劳实验数据的处理更加方便和直观，编制了“疲劳实验数据处理程序“，将对疲劳实验数据的编辑、分布参数的求解、不同存活率下的疲劳寿命估算和各种分布类型图以及R-S-N曲线的绘制工作包括在该程序中。span>

肝脏中生物流体流动的多重介质渗流模型和数值模拟

<span style="color: #000000; font-family: 'Trebuchet MS','Lucida Sans Unicode',Arial,sans-serif; font-size: 12px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: 22px; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; background-color: #ffffff; display: inline ! important; float: none">本文采用生物渗流理论，建立了肝脏内不同生物流体流动的多重介质渗流模型，采用有限元法求解这种特殊的渗流问题，根据数值计算结果揭示了肝内血液、组织液以及胆汁等的流动规律，并探讨了肝脏血流动力学的一些问题。论文将肝脏内部与生物代谢功能有关的肝血窦和窦周间隙当作两重并存的多孔介质，血液在肝血窦中，以及组织液在窦周间隙中的流动均当作渗流处理，通过Starling公式考虑了两重介质之间的流量交换，从而建立了肝血窦-窦周间隙的双重介质模型。针对肝脏胆汁分泌功能，将肝脏内密布的毛血肝管网当作多孔介质，以受静压及渗透压驱动的流体跨壁流动表示肝汁从肝细胞向毛细肝管的分泌，肝汁在毛细胆管网中的流动作为渗流处理，从而建立了肝汁分泌与输运的双重介质模型。采用有限元法求解了生物流体的双重介质渗流问题，针对非牛顿渗流和两重介质的相互作用，本文发展了一种嵌套迭代方法，即采用直接迭代求解血液在肝血窦中的非线性渗流，采用交替迭代解决双重介质渗流中由跨壁流支引起的相互流体交换，直接迭代嵌套于交替迭代中。这种算法比较有效的解决了包含非牛顿渗流的双重介质渗流问题。根据生物多孔介质中微细管系统的构筑方式以及不同微细管系统之间的联系方式，论文提出将生物多孔介质划分为分级多孔介质和多重多孔介质两种主要类型。基于多相混合物的平均化的理论，论文推导了双重多孔介质中的动量守恒方程、质量守恒方程以及相应的渗流方程，建立了双重多孔介质渗流的平均化模型。基于分级多孔介质渗流的理论，论文将脏器中的血管树按管径分为不同级别的多孔介质，各级血管中和血液流动均作为渗流处理，从而提出了计算脏器整体血流的一种渗流方法。采用这种方法，在论文提出的肝血窦 - 窦周间隙双重介质渗流流模型的基础之上，初步研究了肝脏门静脉系统的血液动力学规律。采用本文提出的肝血窦 - 窦周间隙双重介质模型和胆汁分泌 - 流动的双重介质模型，得到了血液、组织液和胆汁在肝小叶中的压力分布和速度分布，并分析了肝血窦壁的跨壁流动模式，胆汁流量的影响因素，以及窦周间隙中组织液流量与肝血窦中血液流动及肝血窦壁渗透系数等因素的关系，揭示了肝脏内血液、组织液及胆汁等生物流体流动的一般规律。span>

纤维增强复合材料裂纹动态起始行为的研究

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">本论文主要研究线弹性纤维增强复合材料在冲击载荷作用下裂纹的动态起裂行为。全文共分六章。第一章对裂纹动态起始问题的研究方法和纤维增强复合材料中裂纹动态起始问题的国内外研究现状进行了综述，确定了本论文的主要研究内容和研究方法。第二章用有限元方法研究有限尺度含裂纹纤维增强复合材料板在阶跃冲击载荷作用下的动力响应，分析了裂尖附近的应力分布、应力波在板中的传播和应力强度因子时间历程。第三章根据第二章的计算结果用线弹性简单梁理论和拉格朗日运动方程研究了各向同性材料和纤维增强复合材料中裂纹在阶跃冲击载荷作用下的动力响应和起裂行为，得到了应力强度因子初始上升阶段的数学表达式和裂纹起裂的临界载荷面。第四章提出了用于单向和层合纤维增强复合材料裂纹静态和动态起始预测的拟应力强度因子比准则。该准则将裂纹的起裂和起裂方向的预测合二为一，只需测定材料的四个基本动态断裂韧性，就可据此准则对任意角度单向板中裂纹的起裂和起裂方向进行预测，用于层合板时，还可以对铺层裂纹的起裂顺序进行预测。第五章用SHTB（分离式Hopkinson拉杆）技术对纤维增强复合材料裂纹动态起始问题进行了实验研究。测量了碳纤维增强环氧树脂复合材料板裂纹起裂的I型动态断裂韧性，并首次验证了拟应力强度因子比准则在裂纹动态起裂预测中的合理性。第六章对全文进行了总结，归纳了本论文的主要结论，并展望了今后的研究工作。span>

丝状加热面池沸腾临界热流尺度效应研究

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">本文以丝状加热表面上的池沸腾传热现象为主要研究对象，利用地面常重力实验，研究了不同热丝直径、不同过冷度下（(0～40℃）的丝状加热片面FC-72液体和丙酮液体的池沸腾传热特性。 本文利用自主研发的一套可控过冷度池沸腾实验设备，使用纯度为99.99%的铂丝同时作为加热元件和测温元件，加热丝直径分别为0.06mm、0.025mm、0.1mm，长度为30mm。实验采用控制加热电压按阶梯形式增长或下降（时间常数约20s）的稳态加热方式。 实验所得单相自然对流传热数据同Kuehn-Goldstein（1976）换热公式预测结果具有较高的一致性，说明实验设备可靠、实验数据可信。 实验过程中发现，在相同压力条件下，随着过冷度的增加，沸腾传热强化；CHF值在低过冷度时呈线性增加，然后增加趋势变缓。丙酮实验中，0.06mm热丝和0.1mm热丝在低过冷度(2.5～10℃)情况下都出现了从自然对流直接进入双膜态现象，不过，当降低加热电压时，膜态沸腾仍转化为核态沸腾，此时继续增高加热电压，沸腾曲线仍沿常规核态沸腾曲线上升至CHF后，再转换为膜态沸腾。对于同等直径热丝，无论核态沸腾或双膜态沸腾，在丙酮中所产生汽泡尺寸明显偏大。 过冷沸腾中，临界热流随过冷度的增加呈现出非线性依赖关系。在低过冷度线性区，FC-72中实验结果与几种低过冷度线性模型较一致；丙酮中实验结果 随 变化斜率明显高于几种低过冷度线性模型的预测，显示出对尺度的依赖关系。这说明在小Bond数时存在尺度效应对过冷度的影响，即对于小Bond数情况过冷度和尺度效应的耦合作用是非常重要的。 饱和沸腾中，FC-72和丙酮的CHF值随热丝直径的减小而不断增加，其中，FC-72的CHF数值尽管比LD模型预测结果略低，但定性地依然可用LD模型进行描述，尽管相比于LD模型原始的适用范围 已扩大了1~2个数量级；但丙酮的实验数据却远小于LD模型预测结果。综合分析表明，尽管热丝直径相同，但物性的差异使得FC-72和丙酮实验中的数据点分别处于不同的尺度特征区域，反映了小Bond数情形下分区准则的物性依赖性。span>

脉冲激光离散重熔热物理及组织性能研究

<span style="color: #000000; font-family: 'Trebuchet MS','Lucida Sans Unicode',Arial,sans-serif; font-size: 12px; font-style: normal; font-variant: normal; font-weight: normal; letter-spacing: normal; line-height: 22px; orphans: 2; text-align: left; text-indent: 0px; text-transform: none; white-space: normal; widows: 2; word-spacing: 0px; background-color: #ffffff; display: inline ! important; float: none">利用OM及FEM研究了铁基合金Nd:YAG脉冲激光熔凝区的几何形态及其变化规律、以及熔凝的热物理过程；利用OM、SEM、TEM、X-射线衍射仪及磨损实验机，研究了两种铁基热模具材料脉冲激光熔凝组织及其时效组织结构，以及熔凝区规则离散分布规律对材料抗磨损性能的影响。在10~5～10~7W/cm~2的脉冲激光平均功率密度范围内，可得到热传导型和深熔型两类强化区，当临界平均功率密度大于5 * 10~5W/cm~2，同时临界激光作用时间大于2ms时，热传导型强休区向深熔型强休区转变。熔化过程中，在熔池中形成上部以对流传热为主，底部以导热为主的传热模式，流场、温度场和压力场均随脉冲激光作用时间变化，最大流速、压力和温度梯度分别可达100m/s、数个大气压和10~(8-9) ℃C/m量级。凝固过程中，固液界面上的最大温度梯度、凝固速率和冷却速度时间和空间位置变化，分别可达10~(8-9) ℃/m量级、10~(-1)m/s量级和10~(7-8) ℃/s量级，其中冷却速度得到实验验证。亚共晶合金铸铁脉冲激光熔凝组织为δ-铁素体与M_3C的层片状共晶组织，还含有部分γ-奥氏体和少量的高碳孪晶马氏体组织，δ-铁素体和γ-奥氏体中均存在高密度位错亚结构。5CrMnMo钢脉冲激光熔凝组织由板条马氏体及少量的孪晶马氏体构成，马氏体中也存在高密度位错亚结构。上述两种组织经高温时效后，仍保持较细的晶粒，并有大量细小均匀弥散分布的碳化物析出，其中铸铁熔凝组织析出M_(23)C_6碳化物，M_(23)C_6可在M_3C/γ-奥氏体相界面或M_3C内部原位形核，亦可在δ-铁素体中弥散析出。两种材料的熔凝组织及其时效组织的显微硬度均明显高于相应的原始组织，也高于激光连续扫描熔凝的结果。脉冲激光规则离散熔凝加工在材料表面形成软硬相间的“原位”功能层，能显著降低裂纹形成的敏感性，提高材料表层的抗磨粒磨损性能，时效后仍具有较好的抗磨损性能。以熔凝强化区直径作为中心间距进行规则离散熔凝处理可使材料表面获得最佳抗磨损性能。span>

高焓超声速载气的产生

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">本文所做的工作，是为研究与探索乙烯新工艺－气动加热裂解法制取乙烯作铺垫。其任务是设计并加工一套燃气发生器系统以产生高焓超声速载气。这里所说的载气，其成分实际上就是水蒸气。从化学动力学的角度察看热裂解制取乙烯这一化学反应，为提高乙烯的单程产率，必须为原料气的裂解反应创造所需的高温条件，相应缩短原料气在高温的驻留时间。但是，目前的竖管式裂解炉制取乙烯工艺，由于采用炉管外加热，工艺受炉管的材料、传热等性能的，因此原料气的反应湿度并未达到高乙烯产率所要求的裂解温度，并且反应停留时间过长。在探索如何提高乙烯的单程产率这一问题上，气动加热裂解法可以说是一重要里程碑。新方法提出了一全新概念：让反应气流通过强激波，气流通过激波后由于其温度的急剧升高而发生热裂解。此方法的关键问题是：（1）如何使反应气流产生强激波而进行自加热；（2）如何合理控制反应气流的裂解反应时间，即其驻留高温状态的时间。针对第一个问题，解决的方案是以高焓声速载气（即水蒸气）与反应气流进行混合，以提高反应气流的速度与温度。本文的工作，集中在如何产生高焓水蒸气这一问题上。其主要任务，就是设计与加工一套以氢气与氧气为燃料与氧化剂的燃气发生器系统。本文主要概括论述了其中一的些关键性问题：（1）氢气与氧气的流量与混合比的控制。组合使用稳压阀（或稳压器）与临界流量喷管，以控制氢氧流量及其混合比。（2）燃烧室燃气温度的控制。由于氢氧直接燃烧后产生的水蒸气温度太高；同时乙烯裂解试验方案要求载气温度具有可调节性，这就要求燃气发生器产生的水蒸气其温度在一定范围内可调控。采取的方案是向燃烧室喷入水雾，藉以控制燃气温度。（3）燃烧室压力控制。与燃气的温度必须具有可调节性要求一样，乙燃总体试验方案要求其压力也具有可调节性。采取的方案有两种：首先是调节氢氧配气系统中汇流排的总压值以改变氢氧各自的流量，从而达到改变燃烧室的燃烧压力；其次，调节尾喷管喉道的大小可以达到改变燃烧室压力的目的。（4）点火与燃烧稳定性。采用加热电阻丝的点火方案。实验表明，低压状态（小于10大气压）下氢氧燃烧稳定性没有太大问题。在设计的燃气发生器上，我们分别适当改变了供气参数（主要是压力参数）与尾喷管喉道面积以察看各种工况下燃气发生器的工作情况；测定了燃烧室内燃气的压力参数的改变趋势，并根据燃气的流量与压力对燃气的温度进行了估算，从中得出一些基本结论：（1）尾喷管喉道面积减小时，燃烧室的压力将增大。在未改变氢氧供气来流的情况下，燃烧室压力与尾喷管喉道面积基本成反比关系；同时，随着燃烧室压力的增大，燃气的温度略有所降低。（2）继续减小尾喷管喉道面积，由于燃烧室压力的增大，这将破坏供气系统中临界喷管的临界工作状态，从而改变（减小）氢氧的来流流量、并很有可能破坏氢氧的化学当量配比，这将彻底改变燃气的成分与温度。（3）增加氢氧的来流压力时，燃烧室压力将增大，同时燃气温度也有明显增加；燃烧室压力与尾喷管喉道面积仍然呈反比关系，但两者乘积值将增大。（4）燃烧室压力较小时，燃烧现象有高频的振荡，但压力振幅较小；当尾喷管面积减小而导致燃烧室压力增大时，燃烧振荡将由高频转为低频，同时压力振幅增大。锅炉、卵石床都能产生高焓水蒸气。由于总体方案要求的水蒸气流量小，与其它方法相比，以氢氧燃烧的方法产生的水蒸气，其温度更高、更符合乙烯总体方案的要求，温度、压力等参数的调节方便，而且相对而言设备较为简单，是一种切实可的方案。span>

水泥回转窑热工控制模型研究及其仿真

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">水泥回转窑是建材工业发展的方向，我国是水泥生产大国，而国内回转窑与发达国家相差甚大，尤其在热工控制方面。由于水泥回转窑具有时变、分布参数和非线性特性，是一个典型的复杂过程，因而水泥回转窑控制系统是一个很有意义且困难的研究方向，本论文在借鉴国内外同类研究的基础上，提出了模糊专家系统控制模型，进行了深入地研究，并且对该模型进行了计算机仿真，希望通过这项研究，提高我国在水泥回转窑先进智能技术的控制水平。主要研究内容有：对水泥回转窑的热工过程进行了详细分析，对其不同控制方法进行全面的综述，对水泥回转窑实现控制的人工智能方法进行了全面的综述，并介绍了国内外的研究现状；研究了对水泥回转窑控制的模糊控制模型、专家系统设计方法，以及利用模糊控制与专家系统相结合的方法对水泥回转窑进行安全而有效控制的方法：研究了专家系统的实时性问题，提出了静态排列专家系统的推理时间模型、优化排列专家系统的时间估计模型与排列准则；利用计算机仿真方法，实现对水泥回转窑这种复杂而昂贵系统控制进行实验研究，以较低的代价实现对其分析。本论文的主研究成果如下：1. 详细研究了水泥回转窑的技术发展与结构演化过程，分析了水泥回转窑的热工过程以及影响水泥生产的各种因素，总结了影响水泥生产质量的主要因素与次要因素，确定了控制水泥回转窑的主要并且可测量的过程参数。2. 用推理全成方法研究模糊控制模型，实现从模糊的角度研究水泥回转窑的控制：从专家 系统角度研究水泥回转窑的控制问题，并提取了有关的专家系统控制规则；在模糊控制与专家系统的基础上，将水泥回转窑的模糊控制与专家系统相结合，利用层次化的控制器结构，底层为模糊控制器，顶层为专家系统，实现了水泥回转窑的安全与有效控制。3. 从定量的角度研究了专家系统的推理时间问题，给出了三种相应的时间估计模型，这不仅可以分析水泥回转窑系统中的专家系统的实时性，而且也可以分析一般专家系统的推理时间和问题。4. 本文提出的计算机仿真工具，为三组数据分别进行计算机仿真，以此研究水泥回转窑控制策略的性能以及对其动态过程进行分析，为水泥回转窑这样的复杂且昂贵的控制系统研究提供有效的手段。span>

受冲击的饱和砂土产生裂缝和通道的实验研究

<span style="font-family: 'Trebuchet MS', 'Lucida Sans Unicode', Arial, sans-serif; line-height: 22px">本文首先对饱和砂土在动载荷下的液化、密实和结构破坏等方面做了文献综述，同时也叙述了化工冶金中的液固流态化的有关情况。本文探讨了饱和砂土中产生水平裂缝和纵向通道等现象的机理。为此，进行了扁平砂柱的落锤冲击实验和模拟圆柱落锤冲击实验中产生水平裂缝和纵向通道等现象的底部加压实验。扁平砂柱落锤冲击实验的目的是为了更清楚地观察饱和砂土结构破坏和孔隙水流动的情况，观察纵向通道和水平裂缝的产生和发展，以及水平裂缝和纵向通道之间的联系。为了探讨水平裂缝和纵向通道产生的条件和机理，设计和进行了底部加压实验，用来模拟落锤冲击实验的后期变形和渗流效应，测量出现水平裂缝和纵向通道时的超孔隙水压力和平均水流速度，统计分析采用什么样的参数可以表征水平裂缝和纵向通道的出现及其特性，发现液化指数等于1是出现水平裂缝的必要条件。此外，针对含有细砂层的饱和砂土在该层出现水平裂缝的现象，提出了一个简化模型，推导出砂柱的液化指数一维分布，根据液化指数等于1才能出现水平裂缝，能够说明水平裂缝出现的条件和位置。span>