Numerical simulation of temperature field evolution of metallic alloy surface due to pulsed laser treatment

This paper performed a numerical simulation on temperature field evolution for the surface layer of a metallic alloy subjected to pulsed Nd:YAG laser treatment. The enthalpy method was adopted to solve the moving boundary problem, I.e. Stefan problem. Computational results were obtained to show the temperature field evolution. Effects of latent heat and mushy zone width on the temperature field were investigated. The results also show very high values of temperature gradient and cooling rate, which are typical characteristics during the solidification process.

Progress In Modeling Of Fluid Flows In Crystal Growth Processes

Modeling of fluid flows in crystal growth processes has become an important research area in theoretical and applied mechanics. Most crystal growth processes involve fluid flows, such as flows in the melt, solution or vapor. Theoretical modeling has played an important role in developing technologies used for growing semiconductor crystals for high performance electronic and optoelectronic devices. The application of devices requires large diameter crystals with a high degree of crystallographic perfection, low defect density and uniform dopant distribution. In this article, the flow models developed in modeling of the crystal growth processes such as Czochralski, ammonothermal and physical vapor transport methods are reviewed. In the Czochralski growth modeling, the flow models for thermocapillary flow, turbulent flow and MHD flow have been developed. In the ammonothermal growth modeling, the buoyancy and porous media flow models have been developed based on a single-domain and continuum approach for the composite fluid-porous layer systems. In the physical vapor transport growth modeling, the Stefan flow model has been proposed based on the flow-kinetics theory for the vapor growth. In addition, perspectives for future studies on crystal growth modeling are proposed. (c) 2008 National Natural Science Foundation of China and Chinese Academy of Sciences. Published by Elsevier Limited and Science in China Press. All rights reserved.

脉冲激光导致不锈钢表层温度场演化的模拟

采用焓方法对Nd:YAG脉冲激光导致的不锈钢材料表面熔凝过程的温度场进行了数值模拟.在此基础上,结合材料的结晶动力学和快速凝固理论,对材料微结构演化的几个重要参数,包括凝固速率、冷却速度和界面温度梯度做了估算和讨论.

燃烧物理学基础

Influence of heated catalyzer on thermal distribution of substrate in HWCVD system

Based on Stefan-Boltzman and Lambert theorems, the radiation energy distribution on substrate (REDS) from catalyzer with parallel filament geometry has been simulated by variation of filament and system layout in hot-wire chemical vapor deposition. The REDS uniformity is sensitive to the distance between filament and substrate d(f-s) when d(f-s) less than or equal to 4 cm. As d(f-s) > 4 cm, the REDS uniformity is independent of d(f-s) and is mainly determined by filament number and filament separation. Two-dimensional calculation shows that the REDS uniformity is limited by temperature decay at filament edges. The simulation data are in good agreement with experiments. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Influence of heated catalyzer on thermal distribution of substrate in HWCVD system

Based on Stefan-Boltzman and Lambert theorems, the radiation energy distribution on substrate (REDS) from catalyzer with parallel filament geometry has been simulated by variation of filament and system layout in hot-wire chemical vapor deposition. The REDS uniformity is sensitive to the distance between filament and substrate d(f-s) when d(f-s) less than or equal to 4 cm. As d(f-s) > 4 cm, the REDS uniformity is independent of d(f-s) and is mainly determined by filament number and filament separation. Two-dimensional calculation shows that the REDS uniformity is limited by temperature decay at filament edges. The simulation data are in good agreement with experiments. (C) 2003 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

东北多年冻土对气候变化的响应

近地表面多年冻土对寒区生态系统的植被覆盖、水文条件、土地利用和工程建设具有重要影响，随着气候变化研究的广泛开展，区域冻土环境的变化也成为学者关心的重要议题。中国东北的多年冻土处于欧亚大陆多年冻土带的南缘，多年冻土不如以北地区发育，是十分脆弱的多年冻土。然而，多年冻土在东北寒区生态系统中却起着重要的作用。若东北多年冻土发生退缩，则有可能加速落叶松北移和湿地退缩的过程，也会对C的释放产生重要影响。因而探明现实气候条件下东北区域多年冻土的影响因子和发育状况以及未来气候条件下多年冻土的退缩趋势，将有助于促进东北寒区生态系统的冻土和其它学科研究，同时也可为寒区开发建设提供有意义的参考。 本研究从分析东北多年冻土的主要影响因子——气候、地形和土壤条件等入手，准确地掌握了多年冻土的发育状况，并以此为根据进行了景观尺度上多年冻土分布信息的提取和融深信息的研究。同时，在区域尺度上对多年冻土的现实分布和未来气候条件下多年冻土的可能分布状况进行了探讨。最终得到以下重要结论： （1）冻结数对东北多年冻土分布具有重要的指示作用 冻结数模型具有明确的物理意义，可以指示多年冻土的发生状况。研究中，利用地形、纬度等因子，结合气温和降水数据模拟了现实气候条件下东北地区的冻结数值；并依据冻结数模型的区划标准对东北多年冻土进行分区。结果表明，冻结数在指示多年冻土分布时具有重要作用。 （2）土壤含水量、地形坡度和群落因子对多年冻土具有重要影响 以大兴安岭呼中国家级自然保护区为例，调查了该区多年冻土活动层厚度，并利用多重对比分析和相关分析的统计方法，对多年冻土活动层的影响因子进行了分析。结果表明，多年冻土活动层厚度与多个环境因子之间存在着复杂的关系。其中，土壤表层含水量与活动层厚度具有极显著的负相关关系（P<0.001），其相关系数在0.90以上，说明含水量越高，活动层厚度越浅。地形坡度和活动层厚度的相关性也达到显著水平（相关系数为0.321，P=0.006），表明坡度越陡，活动层厚度越大。几乎每个样带的海拔与活动层厚度都有显著的相关性，但在整体研究区域内海拔与活动层厚度不存在相关性。这说明活动层厚度的变异仅在本研究的样带尺度上具有规律性，而在稍大尺度上这种规律性就消失了。对于不同的群落活动层厚度的多重对比分析表明，群落的差异对活动层厚度也有明显的影响，其中狭叶杜香-泥炭藓群落（Larix gmelini-Ledum palustre var. anqustum-sphagnum magellanicum）更有利于多年冻土的保存。 （3）景观尺度上的多年冻土分布状况 在景观尺度上，以呼中国家级自然保护区为研究区，应用神经网络方法，同时以土地覆盖、等效纬度、坡向和土壤湿度多种影响因子为数据源，对多年冻土分布信息进行提取。结果表明，考虑土地覆盖、等效纬度和土壤湿度的数据源组合可以获得高精度最高的多年冻土分布信息，分类精度可以达到89.0%，多年冻土面积占研究区面积百分比达到46.71%，为780.1 km2。 （4）景观尺度上多年冻土的融深状况 研究考虑了包括植被和等效纬度两个影响活动层厚度的重要因子，并将Stefan公式进行变形，简化为包含热量条件的等效纬度因子和植被条件的C因子的函数关系。最后应用该函数关系模拟了呼中自然保护区活动层厚度空间分布，模拟结果的精度为87.25%。在模拟结果中，面积和所占比例最大的活动层厚度为70-80 cm间的活动层厚度，所占面积达到341.4 km2 ，占整个研究区面积的20.43%。而面积最小的活动层厚度为30-40 cm间的活动层厚度，面积为0.02 km2 。通过群落与活动层厚度的空间分布对比发现，呼中自然保护区占最大比例的活动层（70-80 cm）所对应的植物群落主要为落叶松-丛桦-笃斯-藓类群落（Larix gmelini-Betula ovalifolia-Vaccini uliginosum-moss）。说明呼中自然保护区冻土湿地植被主要以该群落类型为主，演替处于中间阶段。 （5）区域尺度上多年冻土的分布状况 利用证据权重法，以可能影响多年冻土分布的气候、地形和土壤等因子作为数据源，对研究区在现实气候条件下的多年冻土分布进行预测，获得了多年冻土在现实气候条件下的分布概率等信息。结果表明，当分布概率大于0.17时，划分出的多年冻土的精度最高，为78.71 %。此时，多年冻土面积为2.03×104 km2 ，约占研究区总面积的1.76%。 （6）东北多年冻土分布对气候变化的响应 利用空间代时间的方法和Kappa指数，对证据权重法在预测未来气候变化条件下多年冻土分布的准确性进行了验证，结果表明，证据权重法预测气候变化条件下多年冻土的分布状况是可行的。 在CGCM3模拟的三种气候模式下，多年冻土在2050年和2100年都将发生明显的退缩。2050年，SRES A1、SRES A2和SRES B1三种气候情景下多年冻土的面积分别为786.38 km2，705.94 km2和1 028.81 km2。与现实气候下多年冻土的面积2.03×104 km2相比，多年冻土分别退缩了96.13%，96.53%和94.94%。而2100年的模拟结果表明，三种气候情景模式下，多年冻土已经全部退化。 （7）气候变化条件下东北多年冻土的分区变化 研究将冻结数等值图与2000年中国东北冻土分区图进行叠加，计算了不同多年冻土亚区的边界对应的冻结数值，建立了利用冻结数进行中国东北多年冻土分区的标准。根据冻结数指标确定的新的中国东北冻土分区与原中国东北冻土分区进行Kappa指数认证。结果表明，冻结数分区标准更适用于中国东北多年冻土的区划。 利用新的冻结数分区标准对CGCM3模拟的三种气候情景模式下的气候变化数据进行区划表明，三种气候模式下东北多年冻土区在21世纪都会有非常明显的退缩。2050年时冻土区缩减了37.7%-42.6%，2100年时缩减了62.5%-74.0%。同时，研究结果显示，东北多年冻土区域的退缩不仅发生在多年冻土区的南界，同时多年冻土的中心退缩也较为明显，即大片连续多年冻土亚区和大片连续—岛状多年冻土亚区的退缩最为剧烈。2050年时，三种气候情景下，大片连续多年冻土亚区将退缩88.8%以上；2100年时，SRES A2模式下，大片连续多年冻土亚区将完全消失。

Linear spatio-temporal instability analysis of ice growth under a falling water film

A linear spatio-temporal stability analysis is conducted for the ice growth under a falling water film along an inclined ice plane. The full system of linear stability equations is solved by using the Chebyshev collocation method. By plotting the boundary curve between the linear absolute and convective instabilities (AI/CI) of the ice mode in the parameter plane of the Reynolds number and incline angle, it is found that the linear absolute instability exists and occurs above a minimum Reynolds number and below a maximum inclined angle. Furthermore, by plotting the critical Reynolds number curves with respect to the inclined angle for the downstream and upstream branches, the convectively unstable region is determined and divided into three parts, one of which has both downstream and upstream convectively unstable wavepackets and the other two have only downstream or upstream convectively unstable wavepacket. Finally, the effect of the Stefan number and the thickness of the ice layer on the AI/CI boundary curve is investigated.

月表热参数模型与月壤厚度的被动微波遥感理论分析

利用被动微波遥感亮度温度数据反演月壤厚度是“嫦娥”探月工程的科学目标之一，也是人类探测月壤厚度的一种新的尝试。深入研究月表太阳辐射、月球内部热流以及月表温度的分布和变化规律，是解译遥感数据，反演月壤厚度的前提条件，也为进一步开展月球探测、开发利用月球资源乃至建立月球基地相关研究工作提供必要的参考。 本文根据月表有效太阳辐照度与太阳常数、日月距离和太阳辐射入射角的关系，建立了月表有效太阳辐照度的实时模型如下： (1) 其中， (2) (3) 通过对月表有效太阳辐照度实时模型的各个参数分析发现，影响月表有效太阳辐照度变化的主要因素是日地距离和太阳辐射入射角的变化。对模型的误差分析表明，从1950年到2050年的100年内，月表有效太阳辐照度计算结果的误差百分比小于0.28％，能更准确地反映月表有效太阳辐照度的变化情况。从2007年月表有效太阳辐照度的计算结果发现，该年内的月表有效太阳辐照度变化在1321.5～1416.6 W•m-2之间，平均为1368.0 W•m-2，一个月内的变化最小幅度为6.0 W•m-2，最大幅度为23.6 W•m-2。 在月表有效太阳辐照度的实时模型基础上，根据能量守恒和Stefan-Boltzmann定律，本文还得出了月表温度分布模型如下： (4) 其中，初始条件由下式决定， (5) 通过与月表温度实际观测结果的比较发现，当月表反射率、热发射率和热惯量分别取0.127、0.94和125 J•m-2•s-1/2•K-1时，模型的计算结果与实际观测值比较符合，能较好地预测理想条件下的月表温度。 月表热参数研究的一个重要应用就是解译对月被动微波遥感的亮度温度数据。在对月被动微波遥感探测中，辐射计获得的亮度温度反映了月球表层的热辐射特性。月球表层的热辐射与其自身的热状况紧密相关，结合文中建立的月表热参数模型，根据辐射传播理论进一步分析了对月微波遥感探测中，月球表层在不同情况下对亮度温度的贡献，确定了亮度温度随月表温度和月壤厚度的变化关系，对被动微波遥感探测月壤厚度的可能性和可能达到的精度进行了估算。 对月球表层的热辐射传播的分析发现，对月被动微波遥感探测获得的亮度温度受月球表层热辐射的控制，与月壤厚度具有指数相关性，并受到月表温度的影响。当月壤和月岩的复介电常数分别为2 + 0.005 j和9 + 1 j、相对磁导率均为1时，对应3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz和37.0GHz四个频率的亮度温度与月壤厚度及月表温度的关系可分别近似表示为， 3.0GHz亮度温度： (6) 7.8GHz亮度温度： (7) 19.35GHz亮度温度： (8) 37.0GHz亮度温度： (9) 当月壤厚度和月表温度分别在0.5m~30m和100K~400K之间变化时，上述四个频率的亮度温度变化范围分别在212.5K～252.8K、207.4 K～266.7K、193.8 K～288.6K和174.0 K～310.9K之间。对于较低频率的被动微波遥感，亮度温度随月壤厚度的增大逐渐增大并趋于稳定；对较高频率的被动微波遥感，亮度温度随月壤厚度的增大会产生起伏波动，不利于用单波段反演月壤厚度。亮度温度梯度在频率较高时梯度较大，在很小的月壤厚度范围内很快就趋于0，不利于厚度较大时的月壤厚度反演，但对于厚度较小时的月壤厚度反演精度较高；同时，除3.0GHz外，7.8GHz、19.35GHz和37.0GHz三个频率的亮度温度梯度随月表温度的升高降幅较大，尤其是19.35GHz，适合在夜间对月壤厚度较小的地区进行更精确的探测。对于3.0GHz，其亮度温度梯度受月表温度变化的影响很小，能反映出较深层月壤厚度的信息，可以对月球进行全球全天时探测。若辐射计的分辨率为0.02K，3.0GHz频率对10m厚月壤的判别精度达到0.07m；对于20m厚月壤的精度为1.4m。当月壤厚度小于0.5m时，随着月壤厚度从0到0.5m增加，月球表层的亮度温度贡献呈先减小后增大的趋势，从而使某一亮度温度值可能对应存在两种不同的月壤厚度。因此，对于月壤厚度小于0.5m的区域，利用单波段被动微波遥感亮度温度反演月壤厚度是比较困难的。 在对月被动微波遥感探测中，可以利用月球夜晚时段的亮度温度数据判别月壤厚度是否小于0.5m。当月表温度为100K时，3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz和37.0GHz四个频率的亮度温度判别参考值分别为212.9K、207.4K、193.5K和174.1K；月表温度为240K时，上述四个频率的亮度温度判别参考值分别为220.8K、226.8K、234.1K和237.2K。当亮度温度小于参考值时表示月壤厚度小于0.5m，反之，表示月壤厚度大于0.5m。更进一步地，可以根据月表温度的影响系数对月岩是否裸露于月表进行判断。当3.0GHz、7.8GHz、19.35GHz和37.0GHz四个频率的月表温度影响系数接近0.77、0.82、0.84和0.85时，可以认为月岩直接暴露于月表。