一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型

介绍了一个新颖的中空纤维人工肾传质理论模型. 在模型中, 人工肾看成是一个由两个不相连通的多孔流动区域组成的多孔介质区域. 首先, 将透析液流动区域看成是一个多孔介质区域; 然后固定透析液流动区域和纤维膜所占区域, 人工肾中剩下的区域(也就是血液流动区域)也看成是一个多孔介质区域; 最后, 这两个多孔流动区域的交界面是纤维膜, 通过纤维膜进行质量交换. 透析液流动和血液流动均用带Darcy动量源项的Navier-Stokes方程描述, Kedem-Katchalsky方程作为其他的源项加进Navier-Stokes方程模拟通过纤维膜的渗透流. 计算过程中所有方程耦合求解, 模型被文献中的实验数据验证. 模拟结果显示, 模型预测的人工肾清除率与文献中的实验数据吻合, 并且优于其他模型对清除率的预测.     

体育场馆火灾烟气运动数值模拟中发现的2个典型现象

通过求解流体Navier-Stokes方程对一综合体育馆火灾场景进行了数值模拟. 模拟湍流采用Smagorinsky大涡模拟方法, 模拟燃烧采用混合比例燃烧模型, 对火灾工况下的流体流动做了低马赫数假设. 通过对数值计算结果揭示的流场速度、温度、组分浓度等物理量的的分析, 发现在火灾发生后, 利用自然通风或机械通风排烟过程中, 存在门效应和烟气堵塞两种不利于烟气控制的重要现象. 在这两种效应的作用下, 不合理的通风口位置, 甚至机械通风的引入都可能导致排烟效果的恶化. 分析了两种效应的产生原因和作用机理, 最后对消除这两种现象提出了参考性体育场馆火灾通风设计.     

Ni/MH动力电池循环过程热效应分析

通过建立二维热模型对6.5 Ah 圆柱型Ni/MH动力电池在常规循环和模拟工况循环过程中的热效应进行了分析, 并讨论了循环次数对电池热效应的影响. 实验采用石英频率微量热仪对电池的热容量及其在不同电流(1 C, 3 C, 5 C)过充电时的产热速率进行了测量, 继而将产热速率曲线拟合成分段函数, 以此建立精确的热模型. 实验采用有限元方法模拟了电池在不同循环次数时不同电流充电过程中其内部温度场分布. 结果表明, 电池在常规循环和模拟工况循环时, 循环次数与电池内部中心温度之间均近似呈现线性关系; 同时, 在对电池热效应的测试过程中, 充电电流越大, 循环次数对热效应的影响越显著. 由此, 可以预测不同循环次数时电池内部的温度分布, 从而对不同循环次数时电池的实际使用条件提供指导.     

结构I型氙水合物的分子动力学研究

采用分子动力学模拟研究了包含368个水分子内部有22个氙气分子的晶胞构成的氙水合物系统. 模拟中水分子和水分子之间采用TIP4P势, 氙-氙分子之间及水-氙分子之间采用Lennard-Jones势. 得到在势能曲线上75.0~100 K的范围内有一个平台和局部极小的特征. 通过分析异常热容、声子态密度和径向分布函数, 预测在该温度范围内存在一个二阶玻璃化相变.     

液体燃料回燃现象的理论分析

液体燃料的整个回燃过程包括预燃烧阶段、第二次供油阶段和产生回燃阶段. 针对这一过程, 定量地建立了热烟气层的温度随时间变化的动力学模型. 模型考虑了液体燃料挥发成气体带来的热损失率、热烟气层的质量增加以及由此带来的焓损失率. 本文把模型的模拟结果与实验结果进行了很好的比较并对模型的模拟结果进行了分析, 同时指出通风受限条件下的燃烧效率和实际燃烧的反应速率是很值得研究的问题.     

探究自旋为1和3/2的亚铁磁系统出现补偿温度的原因

基于格林函数方法,通过采用Tyablikov和Callen近似分别对系统最近邻交换耦合项和单粒子各向异性项进行退耦,研究了三维各向异性的混合自旋亚铁磁系统的磁性质,详细探讨了单粒子各向异性对系统补偿温度的影响,并对系统出现补偿温度的机理进行了分析.结果表明:当小自旋的单粒子各向异性D_a增大时,其子晶格磁化强度随温度下降的速度要比大自旋子晶格的磁化强度慢.当D_a增大到一定值时,如D_a~(min),系统出现补偿点,且补偿点随着D_a的增大而减小.同时,当其他参数取值变化时,D_a~(min)的大小也随之变化.这表明D_a~(min)的取值是依赖系统其他参数取值的.但如果D_a为零时,无论其他参数为何值,系统都不会出现补偿温度.因此,对于本文所研究的亚铁磁模型,出现补偿温度的前提条件是必须考虑小自旋的单粒子各向异性,且其取值存在一个最小值,即:D_a~(min).当且仅当D_a≥D_a~(min)时,系统出现补偿温度,否则补偿温度消失.     

基于多尺度混合有限元的离散裂缝两相渗流数值模拟

裂缝性介质通常具有多尺度特征,离散裂缝模型虽具有计算精度高、拟真性好的优点,但传统数值方法在解决此类多尺度流动问题时,难以突破计算量大的瓶颈,不利于实际应用.对此,本文将离散裂缝模型和多尺度混合有限元相结合,仅需进行宏观大尺度计算,通过多尺度基函数来刻画小尺度裂缝精细流动特征,在保证计算精度的同时降低了计算量.在小尺度上,采用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,该方法不仅具有良好的局部守恒性,而且适用于任何复杂离散裂缝网格.文章详细阐述了离散裂缝模型多尺度混合有限元两相流动数值计算格式的建立,重点介绍了如何使用模拟有限差分法构建离散裂缝模型的多尺度基函数,并采用超样本技术进一步提高计算准确性.数值结果表明,本文计算方法不仅能够准确捕捉离散裂缝性介质中的精细流动特征,而且具有很高的计算效率.     

基于混合正则化的无标签领域的归纳迁移学习

近年来迁移学习已经引起了越来越广泛的兴趣, 签数据以及源领域数据是不同分布的分类问题, 且建立一个归纳分类模型对新来的目标数据进行预测. 首先分析了直推式迁移学习(transductive transfer learning)中存在的类别比例漂移问题, 然后提出归一化的方法使得预测的类别比例接近于实际样本类别比例. 更进一步, 提出了一种基于混合正则化框架的归纳迁移学习算法. 其中包括目标领域分布结构的流形正则化, 预测概率的熵正则化, 以及类别比例的期望正则化. 这个框架被用于从源领域到目标领域学习的归纳模型中. 最后, 在实际文本数据集上的实验结果表明, 提出的归纳迁移学习模型是有效的, 同时该模型可以直接对新来的目标数据进行预测.     

生物油燃烧与污染物排放特性的数值模拟

应用CFD(computational fluid dynamics)软件FLUENT对实验室自砌小型窑炉装置内生物油的燃烧进行三维数值模拟.获得了炉膛流场、温度场、组分分布、火焰形状及污染物排放的详细信息,揭示了炉膛内部流动、燃烧及传热传质过程的特点.对不同过量空气系数下生物油的燃烧进行数值模拟,结果表明,随着过量空气系数的增加,炉膛内最高温度减小,燃烧区域增大,尾气中CO的浓度减小,但NO的浓度增加.模拟结果与试验数据吻合良好,验证了模型的可靠性,为燃烧工况的优化设计和污染物的控制提供了一定的依据.     

标量场夸克禁闭弦和ψ粒子谱

本文通过引入夸克场和标量场的相互作用,从量子场论的基本原理导出了具有线性禁闭势的薛定谔方程,并求得了和实验相符合的(?)粒子谱。希望使近年来通过线性势薛定谔方程唯象地讨论夸克禁闭的工作与量子场论结合起来。     

卫星热模型蒙特卡罗混合算法的修正方法应用研究

基于蒙特卡罗混合算法对地面试验状态下的一颗模拟热控星的热模型的修正进行了研究. 首先对热模型不确定参数进行了敏感性分析, 得到了卫星热控条件下的全局变量和局部变量; 进而将模型修正问题看作参数优化问题, 利用分层修正方法, 采用蒙特卡罗混合算法求解优化问题完成了热模型的修正. 结果显示, 多层当量发射率和涂层发射率是影响整星温度的全局变量, 而接触换热系数是局部变量; 修正后的热模型计算温度与试验温度的偏差全部在±3℃以内, 证明该方法优于传统方法, 完全满足卫星热模型修正的要求.     

湍流提升火焰条件矩封闭模拟

采用k-ε-g湍流模型、23步反应机理和径向平均条件矩封闭(Conditional Moment Closure)CMC技术, 模拟了氢气湍流提升火焰结构, 并探讨了火焰稳定机理. 作为针对湍流提升火焰进行耦合CMC模型的多维大涡模拟LES的第一步, 计算考虑了湍流对燃烧的作用, 数值格式采用高精度Padé格式, 推导并采用了基于特征波分析的多组分条件矩Navier-Stokes特征边界条件NSCBC, 本研究暂不考虑热释放对湍流的影响, 模拟集中于火焰提升区域. 与国际上公布的相关实验数据的比较表明, 模型精确地预测了提升高度、Favre径向平均温度和组分浓度. 研究结果表明, 径向平均CMC模型能够较好重构目前仍争议较大的提升火焰稳定机理.     

基于高通量计算的反渗透淡化三维传递MLP模型构建

全球淡水资源日趋紧张.反渗透(reverse osmosis, RO)是目前最先进的淡化技术之一,占据了50%以上淡化市场.高性能RO膜可显著提高产水效率,但其高通量的特性也导致了严重的浓差极化与膜污染等共性难题,严重制约其进一步广泛应用.因此,在传统膜组件迭代设计方法的基础上,开发更高效的优化设计方法,可加速高性能RO膜的商业化,极具研究意义.本文采用计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)和深度学习方法,结合超级计算,构建了多工况下基于高性能RO膜的海水淡化复杂进水通道的高维非线性传递模型:建立了RO膜组件进水通道中流体流动与盐组分传递的“多物理场全耦合高保真三维模型”;基于商业进水隔网在设计参数空间范围内进行类拉丁超立方抽样,生成726组不同工况CFD模型,并行计算规模可达2万核以上;基于数据驱动的深度学习方法,建立代理传递模型,可预测整个设计参数空间内大规模参数组合工况模型的三维局部速度、压力以及浓度分布,通过计算相对均方根误差,得到预测精度分别为93.5%、98.3%和95.1%,计算效率相比传统有限元方法提高了1～2个数量级.本文提...     

含一任意标量函数或泛函的主丛和非阿贝尔规范理论

我们在文献[1]中讨论了Minkowski时空M~4上的Kaluza型理论,考虑了M~4上含有一个任意标量函数或泛函的U_1主丛所描述的各种U_1规范理论的物理内容。本文讨论非阿贝尔规范理论的情形,利用含有一个任意标量函数或泛函的主丛的Riemann几何,讨论并推广了非阿贝尔规范理论,由丛上的测地线方程导出了检验粒子的规范荷     

Stockmayer流体气液相图的计算机模拟

提出粒子交换分子动力学模拟方法(particle exchange molecular dynamics, PEMD), 可以用来得到各种流体气液平衡相图. PEMD中有两个相互耦合的模拟箱, 具有恒定总粒子数、总体积, 粒子在两个模拟箱的转移由两箱粒子化学势之差驱动. 最终两个模拟箱拥有相同压强、温度及粒子化学势, 从而实现热力学平衡. 进而利用PEMD研究了极性Stockmayer流体的气液相平衡. 讨论了极性变化对相图的影响, 预测了临界点. 与Gibbs Ensemble Monte Carlo结果相比较, 发现两者符合得很好.     

Vif-APO相关的HIV-1病毒模型

病毒感染因子Vif对控制HIV-1病毒的感染能力非常重要,它通过和细胞抗病毒蛋白APOBEC家族(简写成APO)的相互作用,引发APO的快速降解从而阻止APO被包装到新生的病毒粒子中.在本论文中,我们提出一个数学模型来定量地描述这种典型的病毒-宿主相互作用.为检验该模型,我们将计算模拟结果和4组已发表的实验数据进行了对比.在此基础上进行了系统的参数敏感性分析和扰动分析,表明与APO相关的参数对于新生HIV-1病毒粒子的感染能力非常重要.我们发现病毒结构蛋白Gag的生成速率以及单位新生病毒粒子所需的Gag蛋白分子数目呈现出对高病毒粒子产生速率和低APO包装入新生病毒粒子程度的优化现象,并且模型中的许多参数只在较小的取值范围内对病毒才是有益的.我们还发现针对激活病毒RNA合成的调控蛋白Tat的小扰动会导致Vif和APO包装入新生病毒粒子的量呈现开关效应.这些发现将有助于理解HIV-1病毒的高突变率和潜伏现象,并为药物设计定位关键的靶标提供帮助.     

有机污染物的混合毒性QSAR模型及其机制研究进展

环境有机污染物的联合暴露是一条普遍规律.化合物定量结构与活性相关研究(quantitative structure-activity relationship,QSAR)模型是研究有机污染物毒性的重要方法.本文以有机污染物的混合毒性及其机制研究为主线,将化合物按照毒性作用方式分为3类:非极性麻醉型、极性麻醉型和反应性化合物,并概述了3类化合物基于毒性作用机制的混合毒性QSAR模型.简单综述了非极性麻醉型化合物混合毒性的定量预测方法,发现非极性麻醉型化合物的毒性预测方法最为简单,仅由混合体系的总疏水性决定,可通过统一的QSAR模型预测;概述了极性麻醉型化合物混合毒性的定量预测方法,指出极性麻醉型化合物的混合毒性由混合体系总疏水性和氢键效应共同决定;重点解析了反应性化合物的混合毒性QSAR模型,发现由于反应性化合物作用机制较为复杂,目前仍缺乏统一的混合毒性定量预测方法.进一步从混合物组分、化合物之间相互作用和化合物与靶蛋白的相互作用3方面入手,综述了反应性化合物混合毒性QSAR模型的最新研究进展.最后指出,采用基因组学和代谢组学等更为先进的实验手段进一步揭示化合物的分子生物学机制,进而建立更为通用的有机污染物混合毒性预测方法是今后发展的方向.     

玻恩-英费尔德非线性标量场为物质场的量子宇宙模型

最近,Lemos采用Arnowitt-Deser-Misner的方法讨论带有标量场的平坦的R-W量子宇宙模型,得到一个非奇性的量子宇宙模型.我们采用流行的以Hawking,Vilenkin和Linde为代表人物的量子宇宙学方法,发现对于非线性玻恩·英费尔德标量场的R-W量子宇宙模型,当非线性标量场的参量λ>0时,仍能得到一个非奇性量子宇宙模型解.系统作用量取为:     

通用陆面模式(CoLM)湖泊过程方案与性能评估

对新版通用陆面模式CoLM(the Common Land Model)中的湖泊过程方案CoLM-Lake做了介绍,并通过10个湖泊的观测数据评估了它的模拟性能,同时讨论了模拟结果对模型关键参数的敏感性.模拟结果显示,CoLM-Lake对于浅湖的模拟效果非常理想,对于表层温度、湍流通量和垂直热力结构的量级和季节变化特征模拟的比较准确,同时对湖泊冻融循环过程给出了合理的刻画.CoLM-Lake对于深湖垂直结构及其变化的模拟亦较为准确,但对垂直混合强度的刻画仍然不足.虽然模型对于北美五大湖表层温度的模拟误差相对明显,但其量级和季节变化特征仍在合理的范围之内.通过模型参数的敏感性分析发现,动力学地表粗糙度可通过改变湍流通量的大小修正湖泊表层温度的模拟.湖泊深度、辐射消光系数和热力扩散系数可共同影响湖泊的热力结构.较大的湖泊深度,较小的消光系数和较大的热力扩散系数均使得湖泊内部传递和存储更多的热量,从而增加湖泊的热力惯性,降低湖泊各层温度的季节震荡和变化幅度,推迟湖泊冬季的冻结时间.湖泊到达最大密度时的温度受湖泊盐度的影响,调整此温度同样可使得模型的模拟结果得到改进.以上敏感性分析说明CoLM-Lake对于湖泊热力过程的模拟可以通过模型参数优化进行改进.总体上,CoLM-Lake可以合理地刻画各个湖泊的主要特征,模拟的误差均在参数取值的不确定性范围之内,因此CoLM-Lake在全球尺度上适用于对湖泊物理过程的模拟.     

格子Boltzmann方法的工程热物理应用

格子Boltzmann方法在过去的20年里已经发展成为一种有效的数值模拟方法, 它是介于微观分子动力学方法和基于连续介质假设的宏观方法之间的一种介观方法. 该方法与传统的流体模拟方法不同, 它基于分子动理论, 通过跟踪粒子分布函数的输运而后对分布函数求矩来获得宏观平均特性. 基于本课题成员的一些工作, 本文对格子Boltzmann方法在工程热物理领域中研究进展做了简要回顾, 包括: (1) 格子Boltzmann方法的发展简介; (2) 沿着Boltzmann方程 —— Maxwell分布 —— Boltzmann-BGK方程 —— 格子Boltzmann-BGK方程这一主线对格子Boltzmann方法的基础理论和基本模型做了简要介绍; (3) 在格子Boltzmann方法的模型发展方面, 介绍了用于理想气体可压缩流动与传热的耦合双分布函数模型和用于非平衡态气体流动模拟的格子Boltzmann模型. 在格子Boltzmann方法的边界处理方面, 介绍了反弹与镜面漫反射格式及质量修正格式. 在格子Boltzmann方法的计算格式方面, 介绍了显式-隐式有限差分格式, 该格式能够有效地提高计算效率; (4) 在格子Boltzmann方法的应用方面, 着重对其在交变流动、可压缩流动、多孔介质流动、微尺度气体流动及热声中的应用做了详细介绍; 最后指出了格子Boltzmann方法在工程热物理领域中需要进一步研究的内容.