液氦温区VM型脉冲管制冷机的研究

本文的研究成果是世界上第一台热压缩机驱动的液氮温区脉冲管制冷机．它的主要特点是采用热压缩机来驱动脉冲管制冷机，主要研究目标有以下两个：无阀压缩机驱动的高效率液氦温区制冷机和使用最小容积的氦3得到低于2K的最低温度．热压缩机的设计与VM制冷机类似，利用室温和液氮之间的温差产生压力波，但一个重要的发明是功传递管的引入使得本系统中的热压缩机没有低温下的运动部件．使用这种设计也是一个全新的研究，它的重要性可以与脉冲管的引入取消了制冷机低温下的运动部件比拟．笔者进行了最初原型的调试，提出并完成了两次重要改进；最后在压比小于1.3的情况下成功地获得了3.5K的最低温度；为以后的发展打下了好的基础．

微重力下固体扩散火焰特征研究

该文利用数值模拟和理论分析的方法,研究了微重力下环境气体中的惰性气体辐射再吸收特性和环境压力等参数对火焰沿薄燃料表面传播的影响,以及微重力下水雾对固体扩散火焰的抑制,并对静止微重力下的驻火焰存在条件进行了分析,得到了如下主要结论:1.惰性气体对火焰传播有重要的影响.当惰性气体为N<,2>时,导热是火焰向燃料表面传热的主要形式.火焰传播存在冷熄控制区,在此区域内,火焰传播速度随着环境气体流速的增大而增大.当惰性气体为CO<,2>时,在小空气流动速度下,火焰向燃料表面的热辐射和热传导在火焰传播机理中几乎具有同等重要的作用,但随着空气流动速度的增大,导热逐渐成为火焰传播的主要驱动力.2.当惰性气体具有不同辐射特性时,环境压力对火焰沿燃料表面传播的影响具有不同的特征.当惰性气体为N<,2>时,在较小的环境压力下,火焰向燃料表面的热传导是火焰传播的主要驱动力.但随着环境压力的增大,火焰传播速度逐渐增大,火焰对燃料表面的热辐射逐渐成为火焰传播的主要驱动力之一.3.在正常重力环境中,自然对流不利于水雾灭火,水雾对燃料表面的冷却降温是水雾灭火的主要机理.而在微重力环境中,自然对流的消失增强了水雾对固体扩散火焰的抑制作用.水雾不仅能通过润湿燃料表面抑制火焰的传播,而且也可通过气相区域的吸热效应、稀释效应和化学反应链终止效应对火焰传播产生较强的抑制作用.4.空气流动强化燃烧,减少水雾在火焰锋面的蒸发量,使水雾对燃烧的抑制作用减弱.5.在微重力下,水务直径越小,水雾对火焰的抑制作用越强.在远离灭火浓度的情况下,可以通过减小水雾直径的方法增强对燃烧的抑制,但效果有限.6.球形物体在静止环境中燃烧时,存在两个使火焰熄灭的极限直径.当直径小于小的极限直径时,火焰由于质量扩散和能量扩散而熄灭;当球体直径大于大的极限直径时,火焰由于辐射损失而熄灭.7.在静止微重力环境中,无论环境气体中的氧浓度有多高,无限长圆柱形燃料燃烧不可能形成稳定的柱面扩散火焰;无限大平板燃料燃烧不可能产生无限大平面扩散火焰.

异形流动腔的数值分析和设计优化

动脉粥样硬化的非随机发生与当地的流体动力环境有关。完全模拟体内血流动力学环境是不可能的。我们的思路是将复杂的血管形态，分解成若干几何因素，尽可能地研究某一几何因素对流场和血管内皮细胞生长的影响。在体外实验中，为了便于在线观测，主要采用流动腔（Flow Chamber）技术。不同于国内外己有的研究，我们主要研究几何因素引起的流型的改变及其对血管内皮细胞生长的影响。本论文主要是用数值方法来研究五种几何因素（扩张、弯曲、驻点、分叉和后向台阶）引起的流型特征。分析各参数的影响，进而优化设计。为在体外进行血管内皮细胞培养实验，研究不同流场条件下由于几何形状改变引起的流场特性改变对内皮细胞生长的影响，提供理论依据。

微尺度压痕实验的数值模拟及相关问题研究

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.

若干流体力学问题的数学性质研究

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.

肝脏中生物流体流动的多重介质渗流模型和数值模拟

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。

脉冲激光离散重熔热物理及组织性能研究

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。

可压平面混合层稳定性分析及数值模拟

可压平面混合层是包含复杂多时空尺度运动的非定常流体力学部问题，具有深刻的理论意义和广泛的应用背景。针对该问题所涉及内容的多面性，本文的目的是，基于高精度、高分辨率数值算法的构造、发展和数值行为分析，采用线性稳定性分析和直接数值模拟方法。从理论和计算两方面集中研究压缩性效应、粘性效应、初值效应以及燃烧反应放热效应等对可压平面混合层早期稳定性行为和大尺度拟序涡结构非线性演化的影响。以混合层已有研究成果的分析和综述为开端，论文主体共包括四部分：第一部分是可压平面混合层时间/空间模式数值线性稳定性分析。实现了高精度对称紧致差分格式（SCD）对可压粘性扰动线性稳定性边值问题的求解，对导出的线性和非线性离散特征值问题，提出了两个高效局部解法。研究涉及二维/三维扰动波、无粘/粘性扰动波、特征函数和特征值谱、第一/第二模态、超声速快/慢模态、速度比和密度比等。验证了对流Mach数Mc为一个合理的压缩性参数。指出压缩性效应和粘性效应对最不稳定扰动波的波数（频率）和增长率呈相拟的抑制作用，且时间模式稳定性分析结果在许多方面是可信的。从随机和线性扰动场出发，采用高精度五阶迎风紧致和六阶对称紧致混合差分算法（UCD5/SCD6）对可压平面混合层的稳定性特征进行了直接数值模拟，揭示了初始主导线性扰动与一些实际涡结构非线性作用形态间的内在关联，印证了线性稳定性分析方法的合理性和有效性。第二部分是高精度迎风紧致差分格式（UCD）时空全离散数值行为分析。导出了其一维/二维一般色散表达式。研究表明，UCD格式在高波数区具有内在的全离散耗散和色散特性；其数值群速度的快/慢特征可因CFL数不同而改变；在稳定CFL数下简单附加人工粘性可强化UCD格式在高波数区的耗散量；提高时间精度可放宽稳定CFL数限制；UCD格式的二维全离散色散介质中存在三个不同性质的数值波，其全离散稳定性由数值声波主控。第三部分实现了高精度UCD5/SCD6差分算法对空间发展可压平面混合层的直接数值模拟。通过亚谐扰动波的个数和扰动频率的控制，捕捉到了基频涡的饱和、一次和二次对并等现象，显示了大尺度涡结构与入中初始扰动方式之间的内在联系。利用参数Mc观察了压缩性效应对大尺度涡空间演化及其相互作用的影响。第四部分实现了高精度UCD5/SCD6差分算法对非预混扩散火焰化学反应平面混合层的直接数值模拟。研究指出，放热效应可抑制和延迟涡的形成，使基频涡卷拉伸甚至丧失，混合层Reynolds 应力ρu'v'和流向速度波动关联项u'v'下降，以致涡结构与外流动量交换和标量输运减少，脉动输运能力被削弱，从而混合效率、产物生成率和混合层增长率下降，放热主要通过膨胀效应和斜压效应来抑制大尺度涡的演化。

微裂纹细观损伤理论

材料的宏细观破坏理论是当前固体力学和材料科学研究的一个重要课题。本文在对连续损伤理论和细观损伤理论进行评述的基础上，着重研究了脆性材料中微裂纹细观损伤问题。本文建立了一套完整的细观损伤理论来分析二维多裂纹体问题。该理论的基本方法是基本解叠加法，此方法直接考虑了微裂纹之间的相互作用以及有限边界的影响。通过叠加原理，使在裂纹面和外边界满足边界条件，用边界配置法化控制方程组为线性方程组，进行数值求解。本文以裂纹密度为参量，针对微裂纹随机分布和平行分布两种情况，计算了无限大体中代表性体元（VRVE）和多裂纹有限体的有效弹性模量。数值计算结果表明，本文所用方法具有统一与直能的优点，采用此法所得模量与试验结果吻合，在处理多裂纹体问题时计算效率高、精度好，对求解多裂纹问题非常有效。此外，通过建立微裂纹晶内扩展准则和穿晶扩展准则，分析了微裂纹扩展连接直至裂纹形成、扩展这一全过程的细观力学行为，对微裂纹的损伤演化过程进行了直接模拟，计算了含微裂纹矩形板的宏观应国变关系曲线。本文进一步提出了三维微裂纹相互作用的数学分析方法 — 扁球坐标和位移函数法，并采用边界配置法或裂纹面面力平均化方法进行求解。数值结果表明，扁球坐标和位移函数法分析三维微裂纹的相互作用问题是有效可行的。最后，本文提出了埋入基体的镶嵌体胞模型，建立了计算非均质体有效弹性模量的解析表达式。该式从理论上讲是严格的，且具有形式简单、内涵丰富及有效弹性模量能显式表达等优点。针对球体含球形夹杂、裂纹及旋转扁球体含球形夹杂、裂纹等不同体胞结构计算了其有效弹性模量，并与其他细观力学方法所得结果进行了比较。本文还将埋入基体的镶嵌体胞模型进行了发展，研究了二相颗粒复合材料的弹塑性本构关系（基体为弹性而颗粒为塑性材料），计算了球体含球形颗粒用旋转扁球体含扁球状颗粒两种体胞结构的宏观应力 - 应变曲线。