韧性材料裂纹尖端孔洞群体损伤演化的实验和模拟

长期以来，材料的孔洞损伤一直是力学家和材料学家所关注的焦点之一，相应的研究方法很多，所得到的成果也很丰富。但是这些研究大部分是基于单个孔洞或有限个孔洞来考虑的，很少将大量的孔洞损伤作为整体来探讨。本文就是考虑到在韧性金属合金材料的破坏和失效过程中，往往是有大量的孔洞损伤参与其中的。我们试图将这些作为整体来考虑，并着重对初始裂纹钝化扩展过程的裂尖前沿来进行研究和讨论。本文从微孔洞数密度守恒方程出发，讨论了裂尖前沿孔洞损伤数密度群体化的方程以及它的解，探讨了损伤各阶矩的分布形式和演化规律。并且对一个系列低碳合金钢样品的I型初始裂纹的钝化扩展和断口孔洞的观察和统计的结果与计算模拟的结果进行了比较，得到了相同的趋势。计算模拟和试验的结果表明，在裂尖前沿孔洞损伤的群体演化过程中，损伤矩的分布是随着离开裂尖距离增加而减少的，并且这种分布随时间增加而且增加，并且趋于稳定分布。最后根据实验中反映出来的由于材料内部的不均匀等造成的孔洞损伤演化的不均匀性，引入随机涨落的概念导出局域孔洞数密度演化守恒方程来探讨这种不均匀性，通过模拟计算得到平均场理论和局域孔洞数密度守恒理论的差异，并由全场孔洞数密度演化守恒方程的分析来证实这个差异。

再入尾迹电磁特性的湍流效应研究

本文旨意在于通过探讨高超声速再入尾迹中的湍流等离子体与电磁波相互作用的机理，以及建立能反映此机理的应用性理论模型，从而提供一套可进行目标特性分析的方法，以便为工程部门的突防技术服务。本题目在再入气动物理现象研究中具有重要意义。综合分析指出，地面雷达观测到的非相干散射信号主要来源于再入尾迹的亚密湍流区产生的体积散射。因此，电磁散射特性分析主要针对尾迹亚密湍流等离子体。并且，这里所有的分析都是根据在工程应用中最成熟的一阶畸变波Born近似理论模型。再入尾迹电磁特性的湍流效应研究，着眼点就在于湍流等离子体场的研究。对湍流等离子体场理论模型，本文试图通过模式理论来表达，即求解平均化的全Navier-Stokes方程及其封闭方程k-ε-g模型，从而准确获得流动平均场和脉动场信息。这种表达方式较以前有了较大改进。注意到高超声速流动具有强烈可压缩性的特点，故使用的N-S平均方程由质量加权平均过程产生，湍流模型方程也经过可压缩性修正。方程的离散求解方法，都是运用带矢通量分裂的二阶TVD格式的有限体积法。再入尾迹湍流场的初始条件由近尾迹（底部）流动经N-S方程求解给定，初始值更加准确可靠。尾迹从层流到湍流的转捩过程采用相对成熟的半经验公式确定。飞行器的高超声速再入过程必然导致它周围的空气温度升高，使得流动表现出真实气体效应。对重点考察的湍流流动而言，真实气体效应主要表现为气体处于热化学平衡状态。就工程部门面临的实际问题，把一阶畸变波Born近似的解算方法做些改进，使其能够处理的范围从轴对称尾迹扩展到三维湍流等离子体场是必要的。这为深入的理论分析提供了有力的保障。在能够准确模拟湍流流动的刻划雷达散射截面的基础上，考察亚密湍流等离子体对电磁散射的影响。通过选择的几个有代表性的因素进行讨论，初步结果表明：湍流转捩方式、湍流尺度对尾迹雷达散射截面值计算影响不大，而电子组份脉动能初始值影响较明显，且在特定条件下湍流模型的影响亦不大。但由于湍流模型涉及脉动初始值，其影响需进一步确定。同时，一些今后开展继续此项研究工作的有益建议也提了出来。

障碍物扰动对半开口管道中火焰传播特性的影响

自从1926年Chanman和Wheeler率先开创有障碍物管道中的火焰传播研究工作以来，管道中障碍物扰动引起的火焰加速现象引起了广泛的关注。由于这类现象在燃烧科学上的学术意义及其在生产中诸如安全问题等方面的实际意义，人们相继进行了一系列的研究工作。归纳起来，可以分为两大类：1）封闭管道的火焰传播。人们在不同形状的管道或容器中研究了障碍物对火焰加速的影响，在理论分析和数值计算方面也作了一些有益的工作；2）开口管道的火焰传播。相对于闭口管道，开口管道中的火焰传播研究则逊色得多。这方面尚缺乏系统的实验数据，理论方面的分析也欠缺得多。但当前在实际中，并不乏开口体系的应用，如，现已广泛应用于电力系统的一种燃气除灰装置，是一燃烧气体燃料的半开口系统。因此，研究半开口管道中非稳态燃烧的加速机制具有重要意义。在本论文工作中，通过大量的实验研究，比较系统地研究了障碍物的扰动对预混火焰传播特性的影响。实验在一长L=5m、内径D＝80mm的一端封闭、一端开口的火焰传播管内进行，管内均匀布置障碍物，通过改变障碍物的形状、间距、阻塞比大小，同时选用五种不同的可燃气体，探索了障碍物结构对预混湍流火焰加速和管内压力上升的影响。实验表明，对于敏感气体如氢气和乙炔，由于障碍物扰动产生的影响，火焰不断加速，并最终达到一准稳定状态；在适当的条件下，火焰传播状态可由爆燃向爆轰转变，此时火焰速度发生跃变；而对干不敏感气体如甲烷，则爆燃转爆轰现象不容易发生。在不同的火焰传播状态，障碍物结构特性对火焰速度和压力产生的影响各不相同。在缓燃态，随着阻塞比的变化，最大火焰速度先上升后下降，在BR=0.3～0.4之间存在一最大值；在銮塞态，最大火焰速度受阻塞比变化的影响不明显，略低于燃烧产物的声速；在阻塞比BR＝0.5附近，压力达到最大值。而在爆轰态，随着阻塞比的增加，最大火焰速度和压力逐渐降低，爆燃转爆轰的浓度范围变小。由于在有障碍物的管道中，火焰速度很容易达到声速（变塞态）或超声速（爆轰态），必须考虑流体的马赫数效应。本文在前人研究成果的基础上，给出了湍流马赫数修正的可压缩性两方程湍流模型，模拟了半开口狭长管道中重复布置的障碍物引起的湍流火焰加速现象。最大火焰速度和管内压力的计算结果与实验测量值吻合良好，这表明用修正后的湍流模型能够比较真实地模拟障碍物管内预混火焰的发展过程。通过对管道内障碍物扰动引起的燃烧波加速的机理和技术研究，对流场扰动对燃烧波产生和发展的影响规律有了比较全面的了解，研究结果对气脉冲除灰技术的完善具有直接的指导意义。

带压电陶瓷片梁的力学分析和二类变量广义变分原理

对于采用贴有压电陶瓷片作为作动元件的智能结构，在进行自适应控制时，往往要分析压电陶瓷片所引起的结构中的应力、应变和位移。对于带有压电陶瓷片梁的力学分析，文献中大多采用Euler-Bernoulli模型，即不考虑梁中的剪力，且假定梁沿厚度方向满足直法线假定。考虑到压电陶瓷片对梁的作用主要是通过粘贴层以剪力的形式传递到梁上，梁截面上的剪应力和剪应变一般很大，其影响不能忽略。本文采用Hellinger-Reissner二类变分广义余能原理，导出考虑梁截面上剪应力和剪应变影响的方程式，其中采用吉尔法求解非齐次常微分方程组。并将求得的解与相同条件的有限元解进行比较。结果证明该方法很有效。本文还对二类广义变分法进行了一般的讨论，发现，在使用二类广义变分法求解时，随着应力和位移所取项数的增加，结果有时反而变坏。并对二类广义变分法的使用提出了一些建议。

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。

连续激光辐照下受载结构的热力耦合破坏研究

本文以连续激光辐照下靶目标的变形与破坏等热力学响应特征为研究对象，采用了量纲分析、解析求解以及有限元方法等手段进行了较为系统的研究，得到了一些典型的靶结构变形与破坏的演化过程、主控参量和临界曲线。全文的工作主要包括，1.总结和评述了近四十年来国内外在此领域取得的重要进展，包括如下几方面：研究的背景和需求；不同激光参数下材料所表现出的破坏模态；激光辐照下靶目标温度场和变形场的实验和理论研究状况；热力耦合破坏机理的建立与应用等。并在此基础上，确定了本文的研究方向和路线。2.从π定理和基本控制方程入手，对连续激光在靶目标中引起的硬破坏效应进行了量纲分析，得以了8个具有明确物理背景的主控参量。这一工作有利于增强数值模拟工作的目的性，减少计算量。3.在不考虑材料参数温度依赖的前提下，利用热弹性板理论分析了承受横向载荷的薄板在激光辐照下的响应。通过特殊函数理论和级数解法的应用，得到了板中温度场和应力场的解析解。并将该解析解与数值解进行了对照和验证。4.利用ANSYS程序，数值模拟了平板和柱壳两种典型结构在连续激光辐照下的热力学响应。本工作的特色在于：一是在考虑了几何／材料非线性的条件下，利用3D实体单元，研究了机械载荷对激光诱导的变形和破坏过程的影响；二是首次获得了典型靶结构激光破坏的演化过程；三是在靶材料固定的前提下，得到了激光参数－载荷参数组成的临界破坏曲线。另外，我们在有限元分析模型的建立与单元网格的临界破坏曲线。另外，我们在有限元分析模型的建立与单元网格的划分上也进行了一些有益的探索和尝试。5.利用掌握的数值模拟方法，对含涂层结构的热冲击等问题进行了分析，为将来抗激光加固技术的数值研究奠定了一定的基础。最后，作者在总结全文内容的基础上，对相关领域中亟待发展和研究的课题进行了展望。

层流等离子体发生器的研究

在本文的工作中，研制出了大气压层流等离子体发生器，并从试验和数值模拟两个方面对层流等离子体射流的特征和发生机理进行了分析和研究。试验观察表明，与湍流等离子体射流相比，层流等离子体射流有明显的特点，射流长而细，与周围环境气体掺混很少，能量的衰减很慢，而且几乎没有噪音。在层流等离子体发生器的研制过程中，研究了层流等离子体射流的产生机理，结果表明，工作气体流量、电源的输出特性、进气方式、电压的大小、发生器的结构和加工等对层流等离子体射流的产生有重要影响。本文还对层流和湍流等离子体射流进行了数值模拟，结果表明，工作气体的流量对层流等离子体的射流的长度有较大的影响；发生器出口的射流初始湍流度对射流的流动状态和长度也有很大的影响。数值模拟的结果和试验观察到的现象是一致的。

铁基激光熔覆合金设计及微观组织与性能研究

本文设计并制备了具有优良的强韧性能和高温性能的激光熔覆涂层。利用 SEM、TEMEY X－射线衍射仪等研究了涂层的化学成分、宏微观结构及其转变机制，同时研究了涂层强韧性及耐高温磨损性能及其影响机制。对激光溶覆涂层进行了合金化、微观组织、强韧化机制、加工工艺性能设计。合金系为 Fe-Cr-C-W-Ni，成分配比（质量分数），Fe:52-60%, Cr:24-30%, C:5-6%, W:4.5-7.5%, Ni:5-6%。强化机制为两相强化、亚结构强化及固溶强化，其中强化相为合金碳化物，基体相为合金元素过饱和度极高的韧性奥氏体。亚共晶及过共晶组织的领先凝固相分别为奥氏体及 M_7C_3 合金碳化物，两相共晶组织均为韧性相奥氏体和强化相 M_7C_3 合金碳化物。加工工艺控制领先凝固相的结构、组织演化及力学性能。熔覆组织在高温时效过程中形成大量新的碳化物。在过饱和奥氏体内部，可弥散析出细小的 Mc、M_2C 及 M_(23)C_6碳化物；在奥氏体与 M_7C_3 相界面，亚稳相M_7C_3发生原位转变，形成 M_(23)C_6 及 M_6C碳化物。激光熔覆合金具有较高的综合力学性能，熔覆涂层有高的显微硬度、优良的抗回火稳定性、显著的二次硬化特征、优异的抗磨粒磨损和冲击磨损性能。Fe-Cr-C-W-Ni 激光熔覆合金具有较低的裂纹形成倾向和良好的表面成形性能，这与奥氏体较高的高温韧塑性及合金的低熔点共晶特征密切相关；实验及理论分析表明，通过调整合金成分、激光工艺参数和后续热处理工艺，可获得具有不同强韧性能的熔覆涂层。

冲击压缩下玻璃等脆性材料中失效波的实验和理论研究

本文首先回顾了失效波的研究进展和存在的问题，然后在现有实验手段改进的基础上对目前失效波研究中尚存的问题进行了较系统的实验研究，并建立了理论模型，进行了失效波传播的数值模拟。本文实验工作给出了K9玻璃中失效波速度和冲击载荷之间的定量关系和产生失效波的最小载荷阈值；通过：（1）玻璃样品和飞片表面状况对萌生失效波的载荷阈值的影响；（2）高速摄影观测冲击压缩下玻璃样品表面和内置界面处失效波的萌生和冲击波后压缩区内损伤演化情况；（3）回收样品的显微分析和Ｘ光衍射分析等实验，证实失效波的萌生基本与冲击相变无关，主要与玻璃样品表面状况有关，失效波的本质是玻璃样品表面固有微裂纹和冲击瞬间在此处萌生的微裂纹系统向玻璃样品中扩展的宏观统计表现。高速摄影观测到冲击波后有破碎界面在移动，其速度明显高于同等加载条件下VISAR测试的失效波速度，据此推测失效波是由大量裂纹扩展的宏观表现一破碎界面和其后方声阻抗明显降低的移动界面组成。实验同时研究了微晶玻璃、高纯度石英玻璃以及碱石灰玻璃在冲击压缩下的动力学响应特性。本文关于失效波方面的研究工作结果大部分未见相关文献报道。实验工作对于深入了解玻璃中失效波的萌生机制和失效波的力学性质等是非常重要的，并有助于建立与失效波萌生、传播有关的理论模型。改进有关实验技术，是完成本文实验研究的必要条件，也是本文工作的重要组成部分。本文设计了一种高接收效率、景深可调的新型VISAR探头，其技术指标接近国外同类产品，成本不到国外同类产品的二十分之一，且结构是国内外同类产品中最简单的。本文设计高速摄影的阴影和纹影光路，用于观察冲击压缩下玻璃样品中冲击损伤和失效波的演化及发展规律，其技术优于国外同类实验。本文设计了两种冲击压力低于玻璃样品HEL值的爆轰加载装置，用于配合高速摄影诊断实验。爆轰驱动厚飞片装置的设计，在飞片的炸药透镜之间增加了一个空腔，既降低了飞片的速度，又有效避免了以往同类装置驱动厚飞片时经常遇到的层裂问题，并且成功地进行了与爆轰驱动有关的数值模拟及设计工作。本文在理想微裂系统演化理论的基础上，建立了描述失效波的理论模型，分别讨论了表面损伤、微裂纹扩展和微裂纹形核、长大对失效波萌生、传播的影响，给出了描述失效波扩展的损伤演化方程，结合冲击压缩下材料的Resende压缩损伤本构方程，进行了各种加载条件下玻璃样品后自由表面速度和玻璃体内应力分存的数值模拟，计算结果与实验结果相符，表明本文建立的理论模型是可靠的，能够反映冲击压缩下失效波的传播特性的基本力学特性。用飞片碰玻璃样品时，实验测量的表面速度时程曲线出现“过冲现象”。本文通过高速摄影和VISAR等测试手段从实验上对其进行了较系统的研究，发现这种现象与玻璃样品后自由表面的破碎有关，并且其萌生所需的载荷阈值与萌生失效波的载荷阈值接近。本文建立了描述这一破坏现象的损伤演化方程，对其进行了数值模拟。计算结果和实验结果吻合，表明本文对这一现象的解释是合理的。

均匀来流绕旋转及旋转振荡圆柱绕流研究

该文通过数值方法求解二维不可压Navier-Stokes方程，对均匀来流中静止、旋转和旋转振荡圆柱绕流进行了系统的数值模拟.该文采用有限体积法对控制方程进行离散，选用元结构化四边形网格剖分计算区域，关于速度-压力耦合的处理使用了SIMPLEC方法.经过了大量的数值模拟，分盺166L鸬玫搅苏饧钢秩屏鞯氖的Ｄ饨峁?该文重点是用快速傅里叶变换（FFT）方法对旋转振荡圆柱绕流中的频率耦合现象进行研究，并分析在不同频率耦合作用下涡形成、发展和脱落的规律.

基于多矩的有限体积浸入边界法研究

浸入边界法（Immersed Boundary Method）是计算流体力学中求解具有复杂、移动边界流动问题的一类有效途径，该方法在笛卡尔坐标系上离散求解流体控制方程，并通过在控制方程中添加相应源相来代表浸入边界。尽管浸入边界法借助其简单、高效的显著特点在计算流体力学应用中显示出极强的生命力，特别是针对复杂的实际流动及动边界流动问题有着无可比拟的优势，但仍有许多问题需要进一步的研究。 本论文基于浸入边界方法及多矩VSIAM3（Volume/Surface Integrated Average Multi-Moment Method）格式提出了一种不可压缩流体求解数值格式。不可压N-S方程使用VSIAM3格式进行法进行离散，引入浸入边界法处理复杂、移动流动边界条件，使用虚拟网格方法计算动量方程修正项，同时还考虑了对连续方程的修正。VSIAM3格式是一种基于多矩的有限体积法，在方程的离散中总是使用两种或两种以上的矩，如：VIA（Volume Integrated Average）和SIA（Surface Integrated Average）。而不同的矩在求解过程中依据不同形式的控制方程使用不同的离散方法进行更新。VSIAM3格式更多的局地自由度及同时使用交错网格和同位网格的特点使浸入边界法的实施更加便利、高效。研究中，浸入边界法不仅应用于处理动力边界条件，同样可以处理热动力边界条件。 研究中对大量经典算例进行了数值实验，包括一维线性初始问题、方腔流问题、二维绕静止及振荡圆柱流动、三维绕球流动及热对流问题等。数值结果同实验值及其它计算结果保持一致，该算法可准确、高效处理具有复杂、移动边界及存在热对流的不可压流动问题，为实际应用打下了基础。

聚二甲基硅氧烷（PDMS）表面液滴动力学的实验研究

液滴是自然界中普遍存在的一种物质形态。非连续微流体（液滴）是近年来微流体技术重要发展方向之一。对液滴的产生、启动、移动、合并、分离和碰撞过程的研究对于航天、微纳系统、电子显示、计算机冷却、喷墨、生物医学等学科领域有着重要的应用价值。液滴属于软物质，其力学性质介于流体和固体之间，其类固体（solid-like）行为来自于曲率产生的Laplace压力和表面张力的约束。对液滴动力学行为的研究有着重要的学术价值。 本文的主要工作是针对生物微电子机械系统（Bio-MEMS）以及柔性微纳电子加工中常用的材料聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）为基底的液滴动力学实验研究。 液滴是一个理想的微反应器，许多实验可以集成在一个液滴或多个液滴内完成。液滴本身的动力学特性对于实验的完成效率和质量有着重要的影响。液滴的微操控技术包括多相流法、电润湿法、热毛细管法、介电泳法等。液滴的动力学特性受到基底的影响非常大，包括基频、振动模态、运动过程等均随基底的润湿性、弹性模量的变化而有所变化。 在Bio-MEMS以及柔性微纳电子加工当中，PDMS扮演着越来越重要的角色，尤其是PDMS的润湿性和电润湿特性。目前的PDMS在Bio-MEMS当中主要是用于制备各种微流道。常见的问题主要是一方面PDMS是疏水材料，影响流体的输运。另一方面是液体在这种低Reynolds数情况下不易混合，反应效率低。本文提出了在PDMS表面溅射纳米厚度的金来减小PDMS表观接触角的方法。这种方式在特定喷金量的情况下可以在PDMS表面产生多层次的压应力波纹。这种压应力波纹对于柔性微纳电子加工，以及微流道中加速流体混合有着非常重要的作用。 电润湿是另一种可以使PDMS亲水化的方法。实验证明，PDMS具有较好的电润湿性质。此外电润湿也是目前操纵液滴的主要方式。目前一个常见的问题是电击穿现象阻碍了驱动电压的低压化，且低Reynolds数情况下液滴的混合效率偏低。此外电极还会由于少量电解的发生导致腐蚀及对液体样品的污染。本文提出了接触式的电润湿，在电极逐渐触碰液滴的过程中，液滴发生百Hz的失稳振动，稳定后接触角减小。这种电润湿模式可以有效的提高临界击穿电压，避免液滴被腐蚀后的电极污染，同时可以加快液滴的混合效率。其失稳特征时间在10 ms量级，这恰是所用液滴特征尺度在1 mm左右的电润湿器件的最快响应时间。并采用液滴振动的理论估算了液滴的失稳时间，同时还考虑了基底润湿性对液滴振动过程的影响。 液滴的启动是电润湿操控液滴过程中的重要环节。通常的液滴启动都是在非连续基底上依靠逻辑电路产生的电势变化来驱动液滴。无论是逻辑电路的设计还是驱动装置的加工都非常复杂。本文首次实现了在超疏水生物样品荷叶上的液滴启动，启动速度为数十毫米/秒，启动时间为10 ms量级。并利用PDMS成功的仿制了荷叶结构实现了超疏水的PDMS表面，荷叶同仿荷叶的PDMS超疏水表面具有相近的润湿性。 在数字微流体操控液滴的过程中，液滴的合并涉及液滴的碰撞，而且MEMS系统当中利用液滴撞击进行冷却的实验已经有所开展。同时理解液滴碰撞还对许多领域包括生物、化学、喷墨、大气物理等有着非常重要的作用。本文实验研究了Weber数和毛细数对液滴碰撞过程的影响，通过改变Weber数和毛细数得到了四种不同的响应模式。

IP方法模拟硬盘读写头气膜润滑问题

本论文中采用IP方法模拟硬盘读写头的气膜润滑问题，并选择耗时但精准的DSMC方法作为该问题中IP方法的检验标准，IP方法计算得到的读写头表面压力分布及读写头所受净升力为读写头的设计提供可靠的参考数据。 首先，将读写头复杂表面简化为平面并假定尺寸为微米（远小于真实的毫米），微米尺寸时可以得到DSMC的模拟结果用于比较。IP法对该问题的模拟结果与DSMC的模拟结果完全吻合。 其次，选定一个真实的读写头表面几何，但仍然假定尺寸为微米。IP法在该问题的应用过程中遇到四点困难，我们提出或采取了相应的解决办法。在复杂表面几何的读写头气膜润滑问题中，IP法的模拟结果与DSMC的模拟结果也相符一致。 最后完成真实几何、真实尺寸（毫米）的读写头气膜润滑问题的模拟，这也是本论文的最终研究目标。IP法模拟该问题时需要采用大网格，为此我们构造二维检验模型验证了大网格的合理性。 真实几何读写头气膜润滑问题的模拟结果表明，在流场的局部区域压力沿着高度方向变化显著，这意味着读写头问题的传统计算方法（即概括性雷诺方程）在该局部区域不成立，故用它计算得到的结果值得认真检验，但文献中尚未给出过这类检验。这正是该论文的研究背景和采用新方法（IP方法）的原因。 本论文研究的问题属于过渡领域、低速流动问题，故本论文还介绍了该领域另外一种粒子模拟方法（LVDSMC方法）以及我们对该方法提出的一些改进。 关键词：硬盘读写头，气膜润滑，概括性雷诺方程，IP方法，DSMC方法，过渡领域，LVDSMC方法

冲压发动机喷气催化复合效应研究

在高超声速飞行条件下，流入冲压发动机燃烧室并降至低速的空气的温度随飞行马赫数增加而愈来愈高。燃料与高温空气混合燃烧释放的化学能中的一部分将转化为解离能。这些解离能在长度受限的尾喷管中难以充分复合形成推力，使冲压发动机推力在高超声速范围内随飞行马赫数增大而下降，难以满足高超声速飞行器的推进要求。 与亚燃冲压发动机相比，流入超燃冲压发动机燃烧室的空气的温度在同样飞行马赫数条件下将明显降低，上述困难可大大缓解。然而目前超燃冲压发动机还存在关键性难点有待克服。若保持现有亚燃冲压发动机的吸气与燃烧方式，通过催化促进燃气解离组分在尾喷管膨胀过程中复合，可以增大冲压发动机的推力，满足高超声速飞行器的推进要求，为高超声速飞行器推进提供新的选择。 本论文主要研究内容如下： （1） 研究了亚燃冲压发动机燃烧室内燃气解离能与飞行马赫数的关系。通过对冻结流、平衡流和有限化学反应速率的流动的数值计算，确定了回收解离能增大推力的潜力。 （2） 以双爆轰技术为基础，建立起一套地面燃气产生装置。所产生的燃气的组分、温度和压力均与冲压发动机在高空飞行时燃气完全相同。调试出总温3200K、总压20Bar（对应来流马赫数6）和试验时间17.5ms以及总温4000K、总压5Bar（对应来流马赫数8）和试验时间12.5ms两种状态参数的试验用燃气。 （3） 建立了基于动量守恒原理的通过皮托管测压力换算推力的测量方法。对催化复合增大推力的实验而言，一般要进行特定流动条件下喷水与未喷水两种情况下推力大小的比较，其精度可以达到2%甚至更高。 （4） 完成了尾喷管喉道下游管壁喷水试验，成功释放出高温燃气中的解离能，有效增大了推力，证实了催化增推的想法是可行的。在来流马赫数6的条件下获得了11.0%的推力增量；在来流马赫数8.0的条件下也获得了11.7%的推力增加。

Intramolecular conflict : conformation and self-assembly of architecturally complex macromolecules in solution

The solution behavior of linear polymer chains is well understood, having been the subject of intense study throughout the previous century. As plastics have become ubiquitous in everyday life, polymer science has grown into a major field of study. The conformation of a polymer in solution depends on the molecular architecture and its interactions with the surroundings. Developments in synthetic techniques have led to the creation of precision-tailored polymeric materials with varied topologies and functionalities. In order to design materials with the desired properties, it is imperative to understand the relationships between polymer architecture and their conformation and behavior. To meet that need, this thesis investigates the conformation and self-assembly of three architecturally complex macromolecular systems with rich and varied behaviors driven by the resolution of intramolecular conflicts. First we describe the development of a robust and facile synthetic approach to reproducible bottlebrush polymers (Chapter 2). The method was used to produce homologous series of bottlebrush polymers with polynorbornene backbones, which revealed the effect of side-chain and backbone length on the overall conformation in both good and theta solvent conditions (Chapter 3). The side-chain conformation was obtained from a series of SANS experiments and determined to be indistinguishable from the behavior of free linear polymer chains. Using deuterium-labeled bottlebrushes, we were able for the first time to directly observe the backbone conformation of a bottlebrush polymer which showed self-avoiding walk behavior. Secondly, a series of SANS experiments was conducted on a homologous series of Side Group Liquid Crystalline Polymers (SGLCPs) in a perdeuterated small molecule liquid crystal (5CB). Monodomain, aligned, dilute samples of SGLCP-b-PS block copolymers were seen to self-assemble into complex micellar structures with mutually orthogonally oriented anisotropies at different length scales (Chapter 4). Finally, we present the results from the first scattering experiments on a set of fuel-soluble, associating telechelic polymers. We observed the formation of supramolecular aggregates in dilute (≤0.5wt%) solutions of telechelic polymers and determined that the choice of solvent has a significant effect on the strength of association and the size of the supramolecules (Chapter 5). A method was developed for the direct estimation of supramolecular aggregation number from SANS data. The insight into structure-property relationships obtained from this work will enable the more targeted development of these molecular architectures for their respective applications.