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研究边界条件效应

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  • 传热学三类边界条件的新定义及其背后的物理意义和应用

    传热学三类边界条件的新定义及其背后的物理意义和应用

    [size=16px][color=#339999][b]摘要:针对传热学三类边界条件目前常见的定义,本文从导热、对流和辐射三种传热机理出发介绍了三类边界条件的物理意义及其拓展。另外,本文重点介绍了三类边界条件更直观的温度形式的定义,以及这些边界条件温度形式在热物性测量中的实际应用。[/b][/color][/size][align=center][size=16px]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/size][/align][size=18px][color=#339999][b]1. 传热学三类边界条件的常规定义[/b][/color][/size][size=16px] 在常规条件下,固体物体的热传递有导热、对流和辐射三种形式。依据热传递的这三种基本形式,现有教科书和网络资料对物体传热过程中的三类边界条件定义,可以归纳为:[/size][size=16px] (1)第一类边界条件:规定了物体边界上的温度值。[/size][size=16px] (2)第二类边界条件:规定了物体边界上的热流密度(也称之为热通量)。[/size][size=16px] (3)第三类边界条件:规定了物体边界与周围流体间的表面传热系数和周围流体的温度。[/size][size=16px] 三类边界条件下物体内部的温度变化和传热形式如图1所示。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=01.三类边界条件传热示意图,690,223]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303301739128668_1088_3221506_3.jpg!w690x223.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图1 物体的三类边界条件及其内部温度变化形式[/b][/color][/size][/align][size=16px] 对于第一类边界条件很容易理解,就是物体在边界处的内外温度相同。[/size][size=16px] 同样,依据能量守恒定律,对于第二类边界条件,则是物体在边界处的热流密度相同,即进入物体表面单位面积上的热量等于在物体内部(边界内)单位面积上传导的热量。由于物体中进入热量并进行热传导,自然会形成温度梯度,这样就会与物体的导热系数发生关系,而这种热流密度与导热系数之间的关系则在很多热计算和导热系数测量中得到应用。[/size][size=16px] 从图1所示的三类边界条件可知,第一和第二类边界条件实际上是对物体导热传热时的描述,而第三类边界条件是对辐射或对流传热时的描述。这里之所以将辐射与对流归为一起,是因为辐射传热可以进行线性化处理近似为对流形式。[/size][size=16px] 当有流体通过或热源辐照物体边界,会使用对流或辐射边界条件,这在许多热工程应用中非常普遍,如散热器、热交换器、发动机和涡轮机等,这种第三类边界条件也会常被用来在对流和辐射条件下对物体的换热系数和热辐射系数进行测量。[/size][size=18px][color=#339999][b]2. 传热学三类边界条件的温度形式定义[/b][/color][/size][size=16px] 在传热学的实际应用中,无论是哪一种边界条件的实现和测量,最基本、最简单也是最直观的是物体边界的温度变化。因此,我们就以温度形式来对这三种边界条件进行说明和补充。[/size][size=16px] (1)第一类边界条件[/size][size=16px] 当物体在恒定的介质温度(T=常数)条件下进行加热时,物体表面温度随时间变化是一条直线,如图2所示,这一类加热(或冷却)的边界条件就是第一类边界条件,也称之为第一类正规工况。[/size][align=center][size=16px][color=#339999][b][img=02.以温度形式表达的三类边界条件示意图,690,193]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2023/03/202303301739299894_6022_3221506_3.jpg!w690x193.jpg[/img][/b][/color][/size][/align][align=center][size=16px][color=#339999][b]图2 以温度形式表达的三类边界条件示意图[/b][/color][/size][/align][size=16px] (2)第二类边界条件[/size][size=16px] 如果介质温度按线性规律变化,物体以恒定的速率被加热或冷却,或者物体是以恒定的热流加热或冷却,此时物体内任一点的温度是时间的线性函数,如图2所示,这就是第二类边界条件,也称之为第二类正规工况。[/size][size=16px] 在第二类边界条件下,经过短暂的初始时间后,物体内部任意点温度会呈线性变化,这使得物体内任意两点之间的温差始终保持不变,这种动态形式称之为准稳态,因此第二类边界条件也称为准稳态边界条件或准稳态工况。[/size][size=16px] 由于第二类边界条件的这种准稳态特性以及简便易操作,只需对物体进行线性加热或冷却就可实现,从而使得这类准稳态边界条件在热物性测试中得到较多应用。通过对被测样品加载恒定的升降温速率,理论上可用于测量任意温度范围内的高低温热物理性能参数,如ASTM E2584量热计法 。这种方法也常被用于各种热分析仪器,如差热量热仪(DTA)、差热扫描量热仪(DSC)和绝热量热仪等。[/size][size=16px] (3)第三类边界条件[/size][size=16px] 常规定义的第三类边界条件,是对实际对流和辐射传热的一种描述,但在传热性能试验测试中较难实现。这是由于第三类边界条件的实验模拟,很难获得稳定的对流环境,特别是实现高低温对流环境的准确控制更为复杂和困难。[/size][size=16px] 为此,可以将第三类边界条件同样转换成温度形式,温度变化呈正弦波形式,如图2所示。这种正弦波形式温度变化的第三类边界条件可以有两种基本形式,一种是纯正弦波变化形式,另一种是在纯正弦波上叠加一个现象变化,即温度在正弦波变化的同时还在线性升温,而温度的线性拟合曲线为一直线。[/size][size=16px] 这种温度形式的第三类边界条件在实际应用经常可以看到,如对于各种薄膜材料的热物性参数测量中,如Angstrom法、ISO 22007-3温度波法、ISO 22007-6温度调节比较法、3Omega法和交流量热法等。这种第三类边界条件在热分析中的重要应用是温度调制式差示扫描量热仪(MTDSC),这是一种在线性温度程序上叠加一个正弦波形式的温度程序,形成热流速率和温度信号的非线性调制的差示扫描量热法。[/size][size=18px][color=#339999][b]3. 总结[/b][/color][/size][size=16px] 通过以上描述和分析可以看出,传热学中的三类边界条件其背后的物理意义分别代表了物体的导热、对流和辐射三种传热机理,但在实际应用中,特别是在材料的热性能测试分析过程中,可将这三类边界条件分别转换为不同的温度变化形式,这将非常便于三类边界条件的工程实现。[/size][size=16px] 实际应用中采用温度形式的第二和第三类边界条件时,尽管测试模型的数学求解相对比较复杂,但除了工程实现简单之外,更重要的优势是可以保证测量的准确性和宽泛的温度范围,这是很多其他方法很难具备的测试能力。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

  • 织物接触冷暖感测试评价技术研究现状

    织物接触冷暖感测试评价技术研究现状

    [color=#cc0000]摘要:本文对目前织物冷暖感测试方法的研究现状进行综述,介绍了最大热流和吸热系数测试方法和仪器,分析各种测试方法的特点,并提出改进意见,以开展相应国产化测试仪器的研究和开发。  [/color][color=#cc0000]关键词:冷暖感、导热系数、吸热系数、织物、蓄热系数、热逸散系数[/color][align=center][img=织物接触冷暖感测试评价技术,690,325]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901162131221607_2636_3384_3.png!w690x325.jpg[/img][/align][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align][color=#cc0000][b]1. 引言[/b][/color]  织物冷暖感(或热舒适)是织物与人体皮肤接触后织物给皮肤的温度刺激在人大脑中形成的关于冷和暖的判断。当织物与皮肤接触瞬间,由于存在温差,织物与皮肤之间会发生热交换,使皮肤的温度升高或降低。织物与皮肤之间的热交换形式主要为热传导,织物内部的热辐射和自然对流影响很小,可忽略不计。通常情况下(除环境温度高于皮肤温度外),皮肤温度高于环境温度,因此织物与皮肤接触后往往使皮肤温度下降,如果温度下降(或上升)的量超过一定限度,就会使人产生不舒适感。从物理意义而言,冷暖感的强弱,取决于织物和人体接触过程中织物导走或保有人体热量的多少。  织物与皮肤接触瞬间,二者之间存在温差,有明显的传热传质变化。影响皮肤温度及其变化的物理参数主要有:皮肤温度、温度变化速率、温度变化量、环境温度和时间等。织物的冷暖感可以用不同的物理参数进行描述,常用的有导热系数、吸热系数、人体与织物接触时由人体通过织物流向环境的最大瞬态热流。  本文对目前织物冷暖感测试技术的研究现状进行综述,分析各种测试方法的特点,并提出改进意见,以开展相应国产化测试仪器的研究和开发。[b][color=#cc0000]2. 测试方法[/color][/b]  织物的冷暖感常用最大瞬态热流法、吸热系数法和导热系数法来进行评价,但最大瞬态热流和吸热系数测试中都包含了导热系数这个参数。因此目前冷暖感的各种测试评价方法主要集中在最大瞬态热流和吸热系数的测试方面。[color=#cc0000]2.1. 最大热流法(Q-max Method)[/color]  最大热流法是日本学者Kawabata根据瞬态热传导理论提出的一种织物接触冷暖感测试评价方法,最大热流法的基本原理是在模拟人体皮肤接触织物的瞬态传热过程中对热流变化曲线进行实时测量。如图2-1所示,在测量之前,首先将样品放在温度保持恒定的样品座上,并将由良导热体制成的热板温度升高到比样品高约5~10℃。测量时将热板放置在样品的上表面,热量从温度高的热板流向样品,记录和测量热板温度和接触面上热流密度随时间的变化曲线。[align=center][color=#cc0000][img=,690,230]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901162132495694_4159_3384_3.png!w690x230.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图2-1 最大热流法测量原理和测试模型[/color][/align]  目前国内外普遍用来测量织物热性能的仪器是日本KATO TEKKO公司生产的KES-F7 Thermo LABO型热性能测试仪器,如图2-2所示。对于织物接触冷暖感的测试,此仪器所采用的方法就是上述最大热流法。由于KES-F7型测试仪只考虑热板初始温度比样品表面温度高的情况,因此测出的最大热流密度实际上是相对冷暖感,大的热流密度值对应冷感,小的热流密度值对应暖感。[align=center][color=#cc0000][img=,690,466]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901162135395707_2074_3384_3.jpg!w690x466.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图2-2 KES-F7型热物理性能测试仪[/color][/align]  如图2-3所示,KES-F7型冷暖感测试仪由以下三个基本部分及其控制系统构成:  (1)T. Box(Temperature Detecting Box, 温度测试以及蓄热板)  (2)B. T. Box(Bottom Temperature Box, 热源台)  (3)Thermo Cool(恒温台)[align=center][color=#cc0000][img=,690,457]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901162136193576_9190_3384_3.png!w690x457.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图2-3 KES-F7 Thermo LABO接触冷暖感测试仪[/color][/align]  KES-F7型热性能测试仪具有以下三种测试能力:[color=#cc0000]2.1.1. Q-max测试(冷暖感测试)[/color]  如图2-4(a)所示,将样品放置在恒温台上,并将蓄热板放置在热源台上进行蓄热,然后将蓄热板快速放置在样品表面上。蓄积的热量立即移动至低温侧的样品上,此时测试出的热流峰值为Q-max值,测试过程可在1分以内完成。[align=center][color=#cc0000][img=,690,473]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901162136380354_6647_3384_3.png!w690x473.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图2-4 冷暖感测试仪操作示意图[/color][/align][color=#cc0000]2.1.2. 稳态导热系数和热扩散系数测试[/color]  如图2-4(b)所示,首先将恒温台设置为室温,将50 mm×50 mm的样品放置在上面,再将热源台的热板紧贴试样放置在上面。在热源台以及护环的温度达到稳定后,通过测量稳态热流既可得到稳态导热系数,测试过程可在2~3分以内完成。  通过达到稳定前的动态热流和温度变化曲线,并结合特定边界条件,还可以实现对热扩散系数的测量。  通过上述测量的导热系数和热扩散系数,如果知道样品的密度,则可以计算得到样品的比热容。  由此可见,KES-F7型热性能测试仪是一个非常经典的瞬态热物理性能测试仪器,通过测试模型和相应的边界条件,可以对样品厚度方向的热物理性能参数进行测量,即KES-F7型热性能测试仪的热性能测试带有明确的方向性。[color=#cc0000]2.1.3. 保温性能测试[/color]  将上述冷暖感测试仪结合风洞来进行织物的保温性能测试,如图2-5所示。  将样品(100 mm×100 mm以上、最大200 mm×20 mm)和样品安装框一起固定至100 mm×100 mm热源台上进行测试。通常风洞内的空气温度与室温相同,热源台温度为比室温高10℃。当热源台温度以及热流值稳定时,测量热流值就可计算得到保温性能,测试通常在2~5分钟内完成。在具体测试中,还可使用各种测试方法,例如Wet法、Space法和Wet Space法等。[align=center][img=,643,800]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901162136585934_7979_3384_3.png!w643x800.jpg[/img][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图2-5 织物保温性能测试仪[/color][/align][color=#cc0000]2.1.4. 测试标准[/color]  尽管最大热流法测试技术已经开发了近30年,但一直没有形成国际化的标准测试方法,具体原因将在后续进行分析。基于最大热流法,目前已经建立了相应标准测试方法的国家和地区只有大陆和台湾,如国家标准GB/T 35263-2017《纺织品接触瞬间凉感性能的检测和评价》,以及台湾纺织产业综合研究所制定的《织物瞬间凉感验证规范》(FTTS-FA-019)产业标准。[color=#cc0000]2.2. 吸热系数法(Thermal Absorptivity Method)[/color]  由于人体皮肤在接触织物时的瞬态传热过程中,动态热传递会受到织物的导热系数、比热容和密度的影响。类似上述最大热流法原理和基于瞬态热传递,捷克学者Hes提出了另外一种表征织物冷暖感的参数——吸热系数。吸热系数的定义为:[align=center]b=( [i]λ ρ c[/i] )^0.5   [/align]  式中:[i]λ [/i]代表织物的导热系数;[i]ρ[/i] 代表织物的密度;[i]c[/i] 代表织物的比热容。由此可知,织物的热吸收能力与其导热系数、密度和比热容有关,反映织物和人体接触时织物从人体吸收热量的能力。  为了测试织物的吸热系数,Hes基于瞬态热传导理论开发了相应的测试仪器Alambeta,Alambeta仪器可快速测量瞬态和稳态热物理特性(隔热和热接触特性),也能测量样品厚度。该仪器由两个测量头组成,测试样品放置在两个测量头之间,如图2-6所示,两个测量头都配有热电偶和热流传感器。通过合适的冷却装置将底部测量头调节到环境温度,将顶部测量头调节到受控的恒定温差,热流传感器作用在两个测量头的接触面上。当顶部测量头下降接触被测样品时,可以测量流经样品的上下表面热流。Alambeta仪器可测量多个参数,主要包括导热系数、热扩散系数、吸热系数、热阻、最大热流与静态热流密度之比以及接触点处的静态热流密度,该仪器还可以用来测定织物的厚度。[align=center][color=#cc0000][img=,687,632]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901162137266204_8528_3384_3.png!w687x632.jpg[/img][/color][/align][align=center][color=#cc0000]图2-6 Alambeta测试仪结构示意图[/color][/align]  吸热系数(thermal absorptivity)也常称之为蓄热系数或热逸散系数(thermal effusivity),针对织物的吸热系数等热物理性能参数,2016年美国推出了ASTM D7984“采用改进型瞬态平面热源(MTPS)仪器测量织物吸热系数的标准试验方法”。  ASTM D7984改进型瞬态平面热源法是基于经典的瞬态平面热源法,将瞬态平面热源法中双样品夹持薄膜探头的测试结构改变为单样品测试形式,将另外一个样品用已知热物理性能的材料代替,并与薄膜探头集成为一个测试探头,同样可以实现瞬态平面热源法的大部分测试功能,可以实现对吸热系数和导热系数的测量,但无法直接测量最大热流密度。  执行ASTM D7984标准的典型测试仪器为加拿大C-Therm公司的TCi仪器,如图2-7所示。与瞬态平面热源法一样,TCi仪器测试过程中是给探头中的加热元件施加固定量的热能(已知电流),给被测样品提供少量热量。该热量导致样品表面温度升高1~1.5℃,接触面处的温度升高引起传感器元件的电压变化,根据温度升高的多少和快慢来测量吸热系数和导热系数。[align=center][img=,690,436]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/01/201901162137462214_3758_3384_3.png!w690x436.jpg[/img][/align][color=#cc0000][/color][align=center][color=#cc0000]图2-7 改进型瞬态平面热源仪器。(A)TCi仪器和测量探头,(B压缩测试附件[/color][/align][color=#cc0000][b]3. 分析和结论[/b][/color]  综上所述,上述各种测试方法具有以下特点:  (1)KES-F7和Alambeta仪器中的最大热流法测量实际上都是非常主观的相对测试仪器,织物冷暖感的最大热流取决于测试仪器和设定参数,最典型的如蓄热板的材质和尺寸,不同材质和尺寸的蓄热板代表不同的蓄热量,相应的就会得出不同的最大热流值。另外,热源台和恒温台的不同温度设定也会得到不同的测量结果。这也就是说最大热流值并不能代表织物自身的热物理性能,这也是造成三十多年来最大热流法一直无法形成标准测试方法的主要原因。  (2)KES-F7和Alambeta仪器都是瞬态热物理性能测试方法的典型应用,其最大特点就是通过一维传热测试模型和相应的边界条件,可以对样品厚度方向的热物理性能参数进行测量。改进型瞬态平面热源法是基于三维传热模型,测试的是样品整体的热物理性能,因此无法进行方向性的测试评价,而织物的各向异性特征非常明显。  (3)KES-F7和Alambeta仪器的测试模型都是基于等温或绝热边界条件,这与同样基于瞬态传热理论的闪光法非常相似,不同之处只是加载到样品前表面的热信号形状不同。在闪光法中,样品绝热边界条件通过空气或真空环境来实现,而在KES-F7和Alambeta仪器对织物的测试则只能采用低导热隔热材料,由此给导热系数和热扩散系数测量带来了较大测量误差(10%),而闪光法测量误差一般小于3%。这种较大的测量误差很容易将织物结构和纤维等的变化所带来的影响掩盖掉,不利于织物的研究、生产和评价。因此,如何使得测量装置更准确的符合测试模型边界条件要求,提供更准确的测试评价,将是下一步研究工作的重点。  (4)与其他测试方法一样,ASTM D7984标准方法也对边界条件有严格的要求,其中一个重要边界条件是加载到样品上的热量只能在样品内部传递,即瞬态平面热源法(包括改进型)测试模型中相对于加热量和加热时间而言要求样品是半无限大。对于很多较薄的织物则不能满足这种边界条件,由此使得测量结果的误差往往会非常巨大。因为这个原因,ASTM D7984标准方法比较适合最大热流密度比较小的保暖性织物的测试评价,而对于最大热流密度较大的轻薄凉爽型织物的测量则会误差较大。为了尝试解决使用ASTM D7984标准方法中存在的这个问题,TCi仪器采用将样品放置在探头之上,依靠样品另一侧的空气作为绝热边界条件,但这又带来了织物样品与探头表面接触不良的问题,测试结果中会包含很大的接触热阻。总之,对于织物这类较薄的材料,采用改进型的瞬态平面热源法进行测试非常勉强,这与经典的瞬态平面热源法一样,对薄膜热物性测试的可靠性很低。正因为如此,瞬态平面热源法测试仪器厂家HOT DISK公司为了解决较薄材料的测试,专门又开发了新的测试方法。  (5)ASTM D7984标准方法的最大问题是无法直接测量最大热流,需要测量一系列其他热性能参数并进行复杂的计算才能得到最大热流。但无论是瞬态平面热源法还是改进型的瞬态平面热源法,在热扩散系数和比热容测试中都存在较大的系统误差,这势必会对最大热流的计算结果带来较大的误差积累。  (6)对于织物热性能的上述测试方法,都存在的一个问题就是测量准确性的考核评价,缺乏稳定可靠的标准材料。在这方面美国ASTM已经开始着手开始进行相应的工作,并组织进行多个实验室的对比测试。  通过对上述两种织物接触冷暖感测试评价方法的介绍和分析,可以看出这两种测试方法都是基于人体皮肤接触织物时的瞬态传热进行测量。尽管两种方法测试的参数和物理意义都不同,但基于瞬态传热方式,最大热流密度和吸热系数这两个参数具有内在的关联性。后续我们将对这种内在关联性进行分析研究,并研究相应的测试方法和仪器,来同时满足上述两种测试方法。  下一步的研究重点还包括以下两方面内容:  (1)测试边界条件的保证:在最大热流法和吸热系数法测试中,边界条件包括等温边界条件和绝热边界条件两种。下一步工作重点是在硬件上如何更完美的实现这些边界条件要求,从而保证测量准确性和可靠性。  (2)仪器测量准确性考核:测量准确性考核从三方面进行,首先是采用数值模拟计算的方法对最大热流法测量准确性进行检验考核,第二是与其他热物性测试方法进行对比来考核导热系数、热扩散系数和吸热系数测量的准确性,第三是采用已知热性能的固体薄片材料(或标准材料)来进行考核。[color=#cc0000][b]4. 参考文献[/b][/color]  略[align=center]=======================================================================[/align]

  • 【资料】-微波加快化学反应中非热效应研究的新进展

    [i]自然科学进展;2006,16(3):273-279[/i][b]微波加快化学反应中非热效应研究的新进展[/b][b]黄卡玛,杨晓庆[/b]摘 要:微波已经被广泛应用于加快化学反应。然而,微波加快化学反应所产生的特殊效应,特别是非热效应仍是人们争论的焦点。文中介绍了近年来微波加快化学反应中产生的非热效应、机理分析及实验方法等方面的研究进展。关键词:微波化学反应非热效应特殊效应由于微波独特的选择性加热方式和化学反应速率对温度的敏感性,人们自然联想到降微波应用于加快化学反应以提高反应速率。近年采大量的实验已证实微波可以极大地提高一些化学反应的反应速率,使一些通常条件下不易发主的反应迅速进行,微波现已被广泛应用于从无机反应到有机反应,从医药化工到食品化工,从简单分子反应到复杂生命过程的各个化学领域。近年来,当人们用微波加快化学反应时,发现了许多有别于传统加热的特殊效应,例如:1990年Rose将反应物放在装有冰水混合物的烧杯中以确保恒温,在这样的条件下,他们获得了与相同温度下传统加热方法不一样的结果 Bogdal等在1998年研究不同的有机合成实验中观察到微波加热与传统加热有不同的反应速率 Agrawal等2004年报道了材料烧结过程中发现在腔体中电场最大处和磁场最大处产生了不同的结果 2004年Barnhardt等发现很多在低温条件下不能进行的化学反应,在同样温度条件的微波辐射下可以进进行。这些与传统加热不同的效应引起了人们的关注。2004年在武汉召开的第五届全国微波化学会议,2004年在日本高松举行的微波化学会议、2005年在美国奥兰多举行的第三届世界微波化学大会上微波对化学反应的特殊效应都有专门报道。2004年在奥地利的格拉茨还专门举行了针对微波加热化学反应特殊效应的圆桌会议。 在这些特殊效应中,有一些特殊效应可以用微波的快速加热和选择性加热来解释,如过热现象。很多实验表明在微波加热下各种溶剂的沸点都有不同程度的提高。这是因为微波加热方式造成的。传统加热中,外部靠近热源的容器壁最先热起来,而那里是最容易形成气化核,当其饱和蒸气压等于液体上方气体压强时,溶剂就沸腾了,而微波加热因为是一种选择性的内加热,在内部温度较高的地方缺乏汽化核,致使液体内部因缺乏汽化核而加热到传统沸点时仍不能沸腾。再如热点现象,也是因为微波加热方式造成的。一般说来,热点形成可能由于下面3个原因:(1)具有不同介电损耗的材料的非均匀分布 (2)非均匀分布的微波场 (3)反应物内存在不同的热传导速率。美国宾州大学的Agrawal小组已经成功的观测到了在铁氧体去结晶过程中的热点,其热梯度为2000-4000℃ /mm,该热点持续了31s。还有热失控现象,在微波加热过程中随着温度上升有些物质的介电损耗也随温度增加,这便形成了一个正反馈,导致温度迅速上升将反应物烧毁。在微波加热食品、橡胶和陶瓷中已经报道有热失控现象发生。反之,有些特殊效应不能用温度的变化解释,例如前面所提到的微波低温反应等。而这些难以用温度变化和特殊温度分布来解释的现象就是人们所说的“非热效应”。很多文献中把特殊效应与非热效应等同起来,其实非热效应和特殊效应有本质差别。特殊效应是微波所特有的效应,两者区别在于特殊效应并不排除与温度的相关性。非热效应应该属于特殊效应的一种,它是无法用温度变化来解释的特殊现象。而可以用温度变化解释的特殊效应是热效应。 是否存在非热效应?这个问题一直没有定论,并且微波加快化学反应中的非热效应起源于微波对经典的Arrhenius公式中指前因子和活化能影响的争论,而这两项也正好与化学反应系统中的墒和焙相联系,那么,问题本身就在于对微波不以热的方式对化学反应系统的嫡和烙的影响上。其中Stuerga等反对存在非热效应,而Loupy等则认为存在非热效应。[color=red]最后有全文的下载[/color]

  • 【原创大赛】锑对稀土元素基体效应的研究

    通过ICP-AES研究样品中锑对稀土元素的影响,测定了不同浓度(0-1000ppm)下锑对试液密度、粘度的影响,研究了锑对等离子体激发温度、Ha线半宽度及对MgⅡ/MgⅠ强度比的影响。结果表明,在0-1000ppm浓度的Sb基体下,同一观测位置的激发温度差别不大。稀土元素谱线强度的测定显示,Sb对稀土元素(La、Y、)无显著的抑制作用,对稀土元素(Eu、Nd、Yb)有一定的抑制作用,随着基体浓度的增加,元素(La、Y、)的发射强度并无明显的变化,元素(Eu、Nd、Yb)的发射强度有一定的衰减。由此推断Sb不同于另外一种两性元素AL,会与稀土元素在高温条件下形成难熔和难挥发的稀土酸盐类化合物,从而对稀土的测定产生明显的基体效应。

  • 【原创】除尘系统中风流的数值模拟,也可用专用测量仪器。

    本文在分析风流数值模拟基本过程的基础上,介绍了商业化流体计算软件LUENT,并以静电-布袋除尘器为例,对其内部风流的流线、速度场、穿孔板以及内部压力分布进行了模拟,其结果可用以指导除尘器的设计或系统改造。  从现场应用的角度看,系统阻力是决定除尘系统成功的关键因素之一,它涉及到能源消耗的多少。除尘系统的阻力与管道、除尘器内部结构、风流速度、进出口形状等许多因素有关。尽管人们已经积累了一些除尘器设计的经验和常用的除尘器降阻措施,但对于除尘器内部风流形状、阻力、静压分布等参数的掌握还仅停留在经验的水平或实验测试的阶段,而实验测试通常要投入很多的人力、物力与时间。对于旧系统的改造,由于需要考虑现有条件,设计时会存在更大的针对性,在缺少经验的前提下,如何保证系统风流分布的合理性,使系统阻力最小成为设计者的重要任务。  风流的数值模拟是以风流运动的质量、动量和能量守恒微分方程为基础、借助于计算机数值分析的手段对风流在限定的物理模型和运动边界下的流动情况进行模拟的方法。通过对新设计或需改造的系统进行风流模拟,可以提前发现风流的涡流区和速度、压力分布情况,从而通过修改系统形状、尺寸使系统更优。该方法被广泛用于系统的前期设计和结构优化方面。  2、风流数值模拟的过程  对流体的流动进行数值计算模拟的方法称为计算流体动力学(CFD),该方法通常包括如下步骤:(1)确定研究对象的几何模型  针对所要模拟的管道、除尘器、通风系统或现场的实际情况,使用特定的计算机图形软件或一些CFD 的专业前处理器软件,在二维或三维坐标系中,按照现场的实际尺寸来建立精确的几何模型。(2)建立物理模型  以流体力学、热力学、传热传质学、燃烧等学科的基本原理为出发点,建立基本的守恒程组,包括连续方程、动量方程、能量方程、组分方程、湍能方程等,这些方程构成非线性偏微分方程组。并根据实际情况设定边界,边界条件可分为两类,一类是确定物理过程所必需的物理边界条件,另一类是在数值计算中需要给定的辅助数值边界条件,CFD 模拟的基本边界条件包括流体进口边界,流体出口边界,给定压力边界、对称边界,壁面边界、周期性边界。(3)几何模型网格化  对所建立的方程组,目前还无法通过解析方法求解,只能使用数值方法。为求解所建立的数学模型,通常需要借助网格使用有限差分法、有限元法、有限体积法来建立针对控制方程的数值离散。网格是CFD 模型的几何表达形式,是模拟与分析过程的关键部分,而且网格质量对CFD 计算精度和计算效率有重要影响。网格划分通常使用工具进行。(4)求解过程  求解器使用适当的初始数值和边界条件的输入以及控制参数来对方程组进行迭代,并计算参差,如果误差较大则重新计算,直到精度满足要求。求解需要对离散方程进行某种调整,并对各未知量(如速度、压力、温度等)的求解顺序及方式进行特殊处理。经常使用的两种数值求解方法为分离解法和耦合解法。均可以求解守恒型积分方程,其中包括动量、能量、质量以及其它标量如湍流和化学组分的守恒方程。(5)报告  解算的结果可以使用报告形式来表示,如速度、压力和温度的参差,以及气流摩擦因子、压力降等,也可在XY 二维坐标系中显示该结果。(6)后处理  数值模拟的优点在于可以使用计算机来直观的表示最终结果,根据所求量的不同,可以有流体的速度矢量图、流线图、压力等值线图、等温线、等浓度线等图形和动画。系统的阻力主要来源于流线的涡流,直观的显示有助于发现缺陷,不断修改设计,使系统的结构最优。  3 模拟软件  复杂的 CFD 模型和计算过程使流体的数值仿真的应用存在一定难度,所幸一些通用的商业软件使其成为可能,如FLUENT、PHOENICS、CFX、STAR-CD、FIDIP 等专业化软件。  FLUENT 是应用最广的软件。它提供了灵活的网格特性,用户可以方便地使用结构网格和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分,对于具有较大梯度的流动区域,FLUENT 提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。其通用求解器,适用于低速不可压流动、跨音速流动乃至可压缩性强的超音速和高超音速流动等各种复杂的流场。FLUENT富的物理模型使得用户能够精确的模拟无粘流、层流、湍流、化学反应、多相流等其它复杂的流动现象。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术,因而FLUENT 能达到最佳的收敛精度,使其在层流、湍流、传热、化学反应、多相流等领域取得了显著的成效。FLUENT家族很庞大,FLUENT6.0 各软件包之间的关系如图2 所示:

  • 微扰弦理论

    弦论是现在流行的不多的量子引力途径之一,至于最终能否成为真正正确的量子引力理论,通过直接的检验去验证几乎是不可能的,这是因为量子引力理论的能量标度是10^19Gev ,因此在某种意义上可以说弦论仅在理论本身自恰上具有吸引力,弦论可能是一种纯精神上的娱乐。 弦论中最基本的对象当然是弦,根据边界条件的不同可以把弦分为开弦和闭弦。类比经典相对论性粒子,我们可以写出经典相对论玻色弦的作用量为弦的张量T(弦的质量处以其长度)乘以对弦世界面的积分。我们可以利用正则量子化或路径积分量子化等等方法对玻色弦进行量子化,并考虑一些对称性(Poincare sysmmetry, Weyl symmetry,etc.)约束后,玻色弦理论自恰时空维数为26,以及一堆粒子谱, 其中有快子(质量平方小于零),一些无质量粒子及其他的大质量粒子。因为这些大质量粒子的质量成正比与弦的张量T的平方根,而T^(1/2) 约为10^19 Gev , 在微扰弦中可以扔掉这些粒子谱,在非微扰弦理论中,这些重的粒子谱可能对应理论强耦合部分的一些态。在无质量粒子中有标量粒子,矢量粒子及引力子,所以从包含引力子上说,弦论是一个引力的量子化的理论。还有我们已经看到,粒子谱中存在快子,至少从目前的物理上来说是不合理的。 同时也应该注意到粒子谱中并没有费米子。 为了得到时空上的费米子,可以引入超对称。为了得到世界面上理论的超对称,要在玻色弦经典作用量中加入相应的费米部分。(略去一些细节……….),考虑对称约束,我们得到自恰超弦理论的时空维数是10,以及粒子谱,其中就有规范粒子伴子和引力子伴子,同时和玻色弦一样有快子。由于此时粒子谱中存在快子,且无质量的玻色子和费米子数目不相等,所以为了去除快子且得到时空上的超对称,人为的引入GSO投影,去除了快子且得到了时空上的超对称 ( RNSformulation of superstring). 目前为止,我们知道的在10维时空上自身自恰的超理论共有5种:IIA型, IIB型 , I 型SO(32), E8×E8 杂化弦和SO(32)杂化弦 。 下面分别介绍之。(1) II 型超弦理论:在光锥规范下,此理论从世界面上看有8个标量场以及8个Majorana费米场。这8个Majorana费米场可以分为8个左手的16分量Majorana-Weyl 费米场和8个右手的16分量Majorana-Weyl 费米场。因为II型弦理论是一个闭弦理论,因此标量场满足周期性边界条件,费米场可以满足周期性边界条件(Ramond)和反周期性边界条件(Neveu-Schwarz)。因此满足条件的态可以分为4 sector:NS-NS 全纯部分满足反周期边界条件和反全纯部分也满足反周期边界条件,在此sector中,全纯部分费米场是32分量的且可约的,可以把他分为8个左手的16分量Majorana-Weyl 费米场和8个右手的16分量Majorana-Weyl 费米场,对反全纯部分同理。因此可以把NS-NS sector 分为4个sector ,(NS+,NS+),(NS-,NS+),(NS+,NS-),(NS-,NS-)NS-R 全纯部分满足反周期边界条件和反全纯部分满足周期边界条件,可分为(NS+,R+),(NS+,R-),(NS-,R+),(NS-,R-)。R-R 全纯部分满足周期边界条件和反全纯部分满足周期边界条件,可分为(R+,R+),(R-,R+),(R+,R-),(R-,R-).R-NS全纯部分满足周期边界条件和反全纯部分满足反周期边界条件,可分为(R+,NS+),(R-,NS+),(R+,NS-),(R-,NS-).量子化后,在(NS-,NS-) sector 存在快子,并且NS- 与其他匹配时不满足对称约束条件,必须去掉,这时显然时空上的玻色子和费米子数目不相等,通过GSO投影后(考虑基态费米数后),可以得到两个没有快子且具有时空超对称的超弦理论,IIA和IIB ,这两个理论只有在反全纯部分的R sector 部分不同,即具有不同的手征。(IIA 可以通过T duality 变为IIB) . 我们可以写出这两中理论的粒子谱,IIA : 在(NS+,NS+)sector有,一个标量,一个2阶反对称张量,一个2阶对称张量,共有64个自由度在(R+,R-)sector有一个矢量,一个4阶反对称张量,共有64个自由度。在(NS+,R-)sector一个8自由度的gaugino,一个56自由度的gravitino,共有64个自由度。在(R+,NS+)sector一个8自由度的gaugino,一个56自由度的gravitino,共有64个自由度。因此从粒子谱可看出玻色和费米自由度是相等的IIB : 在(NS+,NS+)sector有一个标量,一个2阶反对称张量,一个2阶对称张量,共有64个自由度在(R+,R+)sector有一个矢量,一个2阶反对称张量,一个自对偶的4阶反对称张量,共有64个自由度。在(NS+,R+)sector一个8自由度的gaugino,一个56自由度的gravitino,共有64个自由度。在(R+,NS+)sector一个8自由度的gaugino,一个56自由度的gravitino,共有64个自由度。

  • 【原创大赛】圆柱形锂离子电池径向导热系数测试:传热模型的有限元仿真和验证

    【原创大赛】圆柱形锂离子电池径向导热系数测试:传热模型的有限元仿真和验证

    [color=#cc0000][size=18px]摘要:本文特别针对圆柱形锂离子电池的径向导热系数,开展了测试方法研究。在不破坏电池和只有电池圆周外表面的边界条件下,分别采用了恒温和恒流两种测试方法建立了相应的测试模型和解析表达式,并通过有限元仿真来验证了测试模型和解析表达式的准确性,为测试仪器的设计提供了有效指导,为在其他规格锂电池热性能测试中的推广有重大意义。[/size][/color][hr/][size=24px][color=#cc0000]1. 问题的提出[/color][/size][size=18px]  锂离子电池有多种规格和外形尺寸,所以锂电池的热性能参数测量会涉及多种测试方法和测试仪器设备。我们首先选择圆柱形锂离子电池的热性能测试开展研究,特别是针对圆柱形锂离子电池径向导热系数测试技术开展研究,主要出于以下几方面的考虑:[/size][size=18px]  (1)圆柱形锂离子电池是目前最常见的电池类型之一,应用十分广泛,而圆柱形锂电池径向导热系数测试技术并未成熟,国内外都还处于阶段,所报道的各种测试方法误差较大,无法满足电池热模型和热管理的需求。[/size][size=18px]  (2)锂电池的圆柱形结构非常特殊,特别在径向方向上只有一个圆周面,在不破坏电池条件下进行热性能测试,则只有一个圆周外表面能用来进行产生相应的测试边界条件,这往往是热性能参数测试技术中难度最大的测试。如果能够在圆柱形电池径向方向实现热性能参数测试,并能够达到满足的测量精度,则可以将测试技术很容易推广应用到棱柱形和袋装电池。[/size][size=18px]  (3)圆柱形锂离子电池中的自热热量通常是最低的,要低于棱柱形和袋装电池中的热量。同样,所研究的测试方法如果能够在热量较低的圆柱形锂电池上获得满意的测量精度,则可以在棱柱形和袋装电池的高热量测量中得到更高的测量精度。[/size][size=18px]  (4)另外,通过圆柱形锂离子电池径向导热系数测试技术的研究,可以尝试实现锂电池热性能测试仪器的多功能化、模块化、快速化和低造价。[/size][size=18px]  本文将特别针对圆柱形锂离子电池的径向导热系数,开展测试方法研究。在无损电池和只有电池圆周外表面的边界条件下,建立相应恒温和恒流两种测试模型和解析表达式,并通过有限元仿真来验证测试模型和解释表达式的准确性,预期为测试仪器的设计提供有效指导。[/size][size=24px][color=#cc0000]2. 圆柱形锂电池径向导热系数测试解析模型[/color][/size][size=18px]  根据圆柱形锂电池的内部结构和传热方向,圆柱形锂电池的径向传热方式都是一个典型的径向圆周四散方式,因此采用柱坐标形式来描述圆柱形电池的测试模型,如图2-1所示,而其他形式的测试模型都无法准确描述圆柱形电池的传热方式。对于一个半径为R、高度为H的圆柱形锂电池,其径向导热系数测试的边界条件只能产生在r = R处的圆周外表面上。[/size][align=center][size=18px][img=,250,311]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070846574960_9557_3384_3.png!w533x664.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000]图2-1 圆柱形锂电池径向导热系数测试模型[/color][/size][/align][size=18px]  如果假设圆柱形电池的上下两个端面为绝热面,那么电池外表面上的边界条件无外乎传热学中的三类边界条件,即恒定温度、线性升温和交变温度。由于被测电池尺寸相对较大,而且交变温度这种第三类边界条件的较难实现和解析模型非常复杂,因此我们只针对恒定温度和线性升温这第一和第二类边界条件开展相应的测试方法研究。[/size][size=18px]  对于图2-1所示的柱坐标径向加热情况,热量仅沿径向流动。因此,温度分布在空间上是一维的,热流也是一维热流,并假设径向导热系数是均匀的,并且在较小的温度区间内与温度无关。[/size][size=18px][color=#cc0000][b]2.1. 第一类边界条件:恒温测试解析模型[/b][/color][/size][size=18px]  第一类边界条件是表面温度恒定,也就是在测试过程中,起始温度为T0的电池突然放置在温度Ts的环境中,而且此环境温度要高于起始温度T0,并保持恒定不变,由此热量通过电池径向进行传递,而在电池两个端部处于绝热状态。[/size][size=18px]  以第一类边界条件进行的恒温测试,这里假设圆柱形电池是一个无限长棒传热模型,电池内的热传导方程为:[/size][align=center][size=18px][img=,690,128]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070851382180_6133_3384_3.png!w690x128.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  其中T(r,t)是电池内坐标r处在时刻的温度,ρ、kr和Cp分别是电池的密度、径向导热系数和比热容。那么方程(1)的解为:[/size][align=center][size=18px][img=,690,100]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070852022891_578_3384_3.png!w690x100.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  特征值λn由方程J0(λn)的根获得,J0表示第一类0阶贝塞尔函数。[/size][size=18px]  当加热时间足够长之后,方程(2)可以简化为:[/size][align=center][size=18px][img=,690,75]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070852313819_8684_3384_3.png!w690x75.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  其中αr=kr/(ρCp)为径向热扩散系数。对方程(3)两端去对数后,得:[/size][align=center][size=18px][img=,690,69]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070853086401_7706_3384_3.png!w690x69.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  由此可见,方程(4)是一个随时间变化的线性方程,通过其斜率m中包含着感兴趣的径向热扩散系数。对于圆柱形电池这种柱状坐标内的热传递,此时A1=1.6021,λ1=2.4048,那么方程(4)的斜率为:[/size][align=center][size=18px][img=,690,53]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070853455432_5404_3384_3.png!w690x53.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  由此,可以通过测量获得内部温升变化数据,经过对数转换后得到一条直线,由此直线的斜率就可以通过方程(5)计算得到电池的径向热扩散系数。[/size][size=18px]  在测试过程中不允许破坏圆柱形锂电池,因此在实际测试中并不能在电池内部上插入温度传感器获得T(r,t)测量值,但可以采用热流传感器在电池外表面获得热流随时间变化曲线。同样,通过对此恒温加热过程中的热流密度变化曲线取对数,其对数随时间的变化曲线也是一条斜率为方程(5)的直线。具体推导过程不再详述。[/size][size=18px]  在此恒温测试过程中,电池比热容随温度的变化为:[/size][align=center][size=18px][img=,690,39]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070854129544_7533_3384_3.png!w690x39.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  其中A代表电池圆周侧面受热面积,q(t)代表热流计检测的热流密度,m代表圆柱形电池的质量,dT/dt代表升温速率。[/size][size=18px]  假设在此温度变化范围内比热容是一个与温度无关的常数,那么在圆柱形电池从起始温度投入到环境温度T0中并最终达到稳定,则有:[/size][align=center][size=18px][img=,690,58]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070854434347_7090_3384_3.png!w690x58.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  这样,通过得到的径向热扩散系数和比热容,结合圆柱形电池密度ρ的单独测量值,则可以计算得到径向导热系数kr:[/size][align=center][size=18px][img=,690,39]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070854588515_1777_3384_3.png!w690x39.jpg[/img][/size][/align][size=18px][color=#cc0000][b]2.2. 第二类边界条件:线性升温测试解析模型[/b][/color][/size][size=18px]  第二类边界条件是表面温度线性升温,也就是在测试过程中,电池外表面加载恒定热量来加热电池,并假设在整个加热过程中恒定热量不会随时间发生损失。另外由于圆柱形电池是轴心对称结构,电池四周侧面加热形式会使得电池轴心线上是一个绝热状态。由此,电池内的热传导方程和相应的边界条件为:[/size][align=center][size=18px][img=,690,209]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070855152111_5660_3384_3.png!w690x209.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  其中θ(r,t)是高于起始温度T0的温升θ(r,t)=T(r,t)-T0,T(r,t)是电池内坐标r处在时刻t的温度,ρ、kr和Cp分别是电池的密度、径向导热系数和比热容。[/size][size=18px]  由于只有恒定热流进入系统,没有任何热损失,这个测试模型并没有一个稳定的解,从理论上讲,电池温度会随着时间不断上升。实际上,随着加热时间的增大,辐射等效应会限制电池温度的无限升高,而电池的热性能测试只在相对较低的温度范围内进行,辐射等效应可以忽略不计。因此,θ(r,t)的表达式可以通过电池的平均温度(用θm(t)表示)必须随时间线性上升而导出。已经证明,对于这种表面温度线性变化的瞬态问题,由θ(r,t)减去θm(t)得到的子问题有一个解,该解包括稳态分量s(r)和指数衰减瞬态分量w(r,t)。[/size][size=18px]  平均温升θm(t)可通过考虑电池质量的总比热容来确定。通过使用线性叠加和特征函数展开来解决剩余的子问题,最终的解被导出为:[/size][align=center][size=18px][img=,690,155]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070855468233_8537_3384_3.png!w690x155.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  方程(10)表明,在电池中任意处的温升有三个分量:第一即随时间线性增加的分量,其斜率与比热容成反比;第二是一个随时间不变的空间变化项,与径向导热系数成反比;第三是指数衰减项,其时间常数与径向热扩散系数成反比,当时间常数足够大之后,也就是说加热时间足够长,第三项的指数衰减项可以忽略不计,也就是说此时电池内部温度变化进入了准稳态过程。一般来说,对于第二类边界条件的传热问题,基本上都是一个准稳态问题。[/size][size=18px]  在测试过程中探测的是电池表面(r=R)温度,在进入准稳态过程后,那么方程(10)可以改写为:[/size][align=center][size=18px][img=,690,63]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070856126333_2457_3384_3.png!w690x63.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  由此可见,在进入准稳态过程后,电池表面的温升随时间变化将是一个以时间为变量的线性函数。对于这种恒定热流径向加热的测量方法,如果电池密度可以单独测量,并假设在小的温度范围内密度不随温度发生变化,那么就可以利用此线性温升函数的斜率和截距同时测定电池的比热容和径向导热系数。[/size][size=24px][color=#cc0000]3. 有限元仿真模拟[/color][/size][size=18px]  从上述获得的不同边界条件时的表面温度解析表达式,可以采用恒温和恒流两种不同测试方法来实现对电池径向导热系数和比热容的测量。依据测试方法进行测试仪器设计和实施具体测试试验前,还需进行有限元仿真模拟计算,一方面是验证测试模型的准确性,另一方面是确定被测电池样品之外其他辅助测量部件对测试模型的影响,由此对测试仪器设计、具体试验方法和校准修正进行指导。[/size][size=18px]  在有限元仿真模拟中,选择了与电池热性能相近的各向同性塑料类材料。这样做的目的一方面是有准确和可溯源的材料,另一方面是可以采用其他测试方法(如瞬态平面热源法和热流计法等)对这些材料进行准确测量以便于对比。所选材料为ABS塑料,其密度为1020kg/m3,导热系数为0.2256W/mK,比热容为1386J/kgK。有限元仿真为随时间变化的瞬态形式,起始温度为20℃,总加热时间为600s。[/size][size=18px][color=#cc0000][b]3.1. 恒温加热测试方法的模拟[/b][/color][/size][size=18px]  在恒温加热测试的仿真模拟中,为缩小瞬态仿真的计算量,根据圆柱形电池的轴对称性取圆柱形电池的四分之一进行仿真。仿真对象完全按照18650圆柱形电池尺寸设计(直径26mm,高度65mm),考虑到要在电池表面安装薄膜热流计,设计了一个厚度为0.1mm的纯铜圆筒来代表实际测试中紧贴电池表面的绝缘膜和薄膜热流计等,最终设计的测试仿真模型如图3-1所示。[/size][align=center][size=18px][img=,200,442]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070848153976_8892_3384_3.png!w323x715.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000]图3-1 有限元仿真模型[/color][/size][/align][size=18px]  当圆柱形电池从起始温度20℃开始在表面温度突然提升至25℃后,在电池整体达到温度稳定后降温至20℃。对于这个完整的加热过程,仿真结果如图3-2所示,显示了仿真计算得到的电池轴心温度和电池表面热流密度随时间变化曲线。图3-3显示了表面热流密度变化曲线及其对数形式的对比。[/size][align=center][size=18px][img=,690,407]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070848451495_7520_3384_3.png!w690x407.jpg[/img][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000]图3-2 恒温加热方法有限元仿真结果:电池轴心温度和表面热流密度变化曲线[/color][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000][img=,690,407]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070849029885_9003_3384_3.png!w690x407.jpg[/img][/color][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000]图3-3 恒温加热方法有限元仿真结果:表面热流密度变化曲线及其对数形式[/color][/size][/align][size=18px]  从图3-3可以看出,电池表面热流密度曲线的对数形式是一条直线,其斜率为0.005323。根据方程(5),则可以计算得到径向热扩散系数为1.556×10-7m2/s,与仿真计算的理论值1.596×10-7m2/s相差了2.5%。同样,对获得的表面热流密度按照时间进行积分,根据方程(7),则可以计算得到比热容为1378J/kgK,与仿真计算的理论值1386J/kgK相差了0.6%。根据仿真得到的热扩散系数和比热容,则可以计算的电池径向导热系数为0.2186W/mK,与理论值0.2256W/mK相差了3.1%。[/size][size=18px]  从上述仿真结果可以明显看出,电池径向导热系数测量结果的误差主要来自径向热扩散系数,这是因为在仿真计算的测试模型中考虑了铜制薄膜所带来的影响。如果不考虑铜制薄膜而只对电池本身进行仿真,径向热扩散系数的相对误差为1.3%,比热容的相对误差为0.1%,径向导热系数的相对误差为1.3%。[/size][size=18px]  通过以上恒定温度测试方法的仿真模拟,可以得到以下结论:[/size][size=18px]  (1)证明了恒定温度测试方法的有效性,证明了用方程(5)可测量径向热扩散系数,用方程(7)可测量比热容,以及最终准确得到径向导热系数,并具有很高精度。由此可以实现只需检测圆柱形电池表面热流变化就可以同时测量电池的径向热扩散系数、径向导热系数和比热容。[/size][size=18px]  (2)恒定温度测试方法的一个显著特点是加热温度可以任意设定,即可以在一个较窄的温度区间内(如1℃范围)测试相应的导热系数和比热容,并通过温度的台阶式不断升高来覆盖较大温度范围导热系数和比热容的测量。另外,这个能力一方面可以用来测量整个被测样品内部相变过程中的热性能,另一方面可用来代替绝热量热计进行电池热失控测量。[/size][size=18px]  (3)通过仿真发现,在测试仪器设计和实际测试过程中,要考虑除电池之外的其他部件(如薄膜热流计、加热膜、均热膜和绝缘膜等)对测量的影响。因此,在实际测试过程中,要进行修正和校准,以最大限度消除这些影响。[/size][size=18px]  (4)恒定温度测试方法中,测量径向热扩散系数的误差较比热容的误差略大,虽然都可以获得较高的测量精度,而比热容的测量精度更高。[/size][size=18px]  (5)这种恒定温度测试方法的另一个特点是测试时间较长,一个温度步长的测量就需要近40分钟,如果采用多温度步长来覆盖较宽的温度区间,则需要更长测试时间。[/size][size=18px][color=#cc0000][b]3.2. 恒流加热测试方法的模拟[/b][/color][/size][size=18px]  在恒流加热测试方法的仿真模拟中,同样采用图3-1所示的仿真模型,但边界条件是恒流加热方式。当设定加热功率为0.3W时,仿真结果如图3-4所示。[/size][align=center][size=18px][color=#cc0000][img=,690,468]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070849223050_1234_3384_3.png!w690x468.jpg[/img][/color][/size][/align][align=center][size=18px][color=#cc0000]图3-4 恒流加热方式有限元仿真结果[/color][/size][/align][size=18px]  图3-4所示的仿真结果显示了电池中心轴线和外表面温度随时间的变化,为了便于观察还显示了内外温度差。从内外温差曲线可以看出,在开始加热的400s后,温差曲线开始保持恒定不再变化,完全进入了准稳态过程,400s以后的外表面温度随时间变化呈现出线性状态。线性拟合400s后的表面温升曲线,得到一个标准的线性方程θ(R,t)=0.0237t+3.0094。由方程(11)可以得到:[/size][align=center][size=18px][img=,690,66]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2020/06/202006070856479346_3131_3384_3.png!w690x66.jpg[/img][/size][/align][size=18px]  根据已知的热流密度Q、电池半径R和密度ρ,则可以同时获得电池的径向导热系数和比热容,分别为0.2376W/mK和1400J/kgK。[/size][size=18px]  将仿真模拟的计算结果与设定值比较可以发现,仿真结果得到的导热系数偏差约5%,比热容则偏差约1%。这种偏差主要是由于代入计算的0.3W加热功率并没有完全用来加热电池,部分功率用于加热了铜膜。[/size][size=18px]  对仿真测试模型进行更改,去掉铜膜,使0.3W加热功率完全作用在电池上,此时得到的径向导热系数和比热容分别为0.2269W/mK和1380J/kgK,与设定值相比误差在0.5%左右,完全与设定值吻合。[/size][size=18px]  通过上述恒定热流测试方法的仿真模拟,可以得到以下结论:[/size][size=18px]  (1)证明了用方程(11)描述准稳态过程中电池表面温升是合理的,由此实现了只需检测电池表面温度变化就可以同时测量电池的径向导热系数和比热容。[/size][size=18px]  (2)需要注意的是,用方程(11)得到的径向导热系数和比热容,是整个温升范围内的平均导热系数和平均比热容,并不是某一个温度点下的热性能数值。由于整个温升区间较小,认为在此温度区间内导热系数和比热容是常数。[/size][size=18px]  (3)测试仪器设计和实际测试过程中,要考虑除电池之外的其他部件(如加热膜、均热膜和绝缘膜等)对测量的影响,这些部件因自身热容会损耗掉一部分加热功率。因此,在实际测试过程中,要进行修正和校准,以最大限度消除这些影响。[/size][size=18px]  (4)径向导热系数测试对上述其他部件的影响最为敏感,比热容测试则并不敏感,这就是径向导热系数准确测量的难度所在。[/size][size=24px][color=#cc0000]4. 结论[/color][/size][size=18px]  特别针对圆柱形锂离子电池径向导热系数测试技术开展了研究,建立了简单易操作的测试方法,并用有限元仿真对测试方法进行了验证,整个研究工作得出以下结论:[/size][size=18px]  (1)针对圆柱形锂离子电池径向导热系数,建立了恒温和恒流两种测试时模型和相应的测试方法。有限元仿真模拟证明了这两种测试方法都具有很高的测量精度,完全可以应用在实际测试中,这对锂离子电池的热性能测试有着重要意义。[/size][size=18px]  (2)建立的两种测试方法,都可以通过一次升温试验就可以获得径向导热系数、径向热扩散系数和比热容数值。特别是恒温测试方法还可以进行宽温区范围的热性能参数随温度变化的测量,甚至可进行整个相变过程中的热性能测量。[/size][size=18px]  (3)建立的等温测试方法,已经基本具有了常用的加速绝热量热仪的功能,可代替和补充加速绝热量热仪进行电池的热失控检测。[/size][size=18px]  (4)建立的两种测试方法简单且易于实现,试验操作方便,非常适合电池性能考核中其他变量的加载,如电池充放电过程中的热性能检测。[/size][size=18px]  (5)圆柱形锂电池径向导热系数测试方法上的突破,可将恒温和恒流两种测试方法推广应用到其它规格锂离子电池的热性能测试中,可进行各种加载条件和各个方向上的锂电池热性能测试。[/size][size=18px]  (6)所研究的恒温和恒流两种测试方法原理简单,边界条件易于实现,非常有利于低价仪器化和模块化,以及与其他测试仪器的集成。[/size][align=center]~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~[/align]

  • 科学家将“自旋塞贝克效应”放大千倍 有助于推动新型热电发动机研究

    中国科技网讯 热电循环需通过“塞贝克效应”来产生热,据物理学家组织网7月11日报道,俄亥俄大学找到了一种新方法,能将“自旋塞贝克效应”放大1000倍,将其向实际应用推进了一大步。该研究有助于热电循环的实现,从而最终有望开发出新型热电发动机,还可用于计算机制冷。相关论文发表在本周出版的《自然》杂志上。 热电循环是电子设备循环利用自身产生的部分废热,将废热转化成电。根据“塞贝克效应”,当导体被放在一个温度梯度中时,会产生电压使热能转变为电能。而2008年日本发现了“自旋塞贝克效应”,即在磁性材料中,自旋电子会产生电流使材料接点产生电压。这以后,许多科学家都在试图利用自旋电子学来研发读写数据的新型电子设备,以便在更少空间、更低能耗的条件下更安全地存储更多数据。但这种“自旋塞贝克效应”产生的电压一般非常小。 目前新方法是将此效应放大为“巨自旋塞贝克效应”。研究人员利用锑化铟及其他元素掺杂制成所需材料,并将温度降低到零下253℃至零下271℃附近,外加3特斯拉磁场。当他们将材料一面加热使其升高1℃时,在另一面检测到电压为8毫伏,得到比以往的5微伏高三个数量级的电流,是迄今为止通过标准“自旋塞贝克效应”产生的最高电压,且功率提高了近百万倍。 俄亥俄大学物理学与机械工程教授约瑟夫·海尔曼斯说,科学家认为热是由振动量子所组成,他们能在半导体内部引发强大的振动量子流,在流过材料时撞击电子使电子向前运动。而由于材料中原子使电子自旋,电子最终就像枪管中的子弹那样旋转前进。 以往人们只在磁性半导体和金属中发现过“自旋塞贝克效应”,而此次“成功的关键是选择材料,”该校材料科学与工程夫教授罗伯托·梅尔斯说,但由于材料是非磁性的,还需要外加电场和低温环境,这是实验的不足之处,他们还在进一步研究其他材料。 海尔曼斯表示,其最终目标是开发出一种低成本高效率将热转化为电能的固态发动机。这些发动机没有运动部分,不会磨损,可靠性几乎是无限的。“这是真正的新一代热电发动机。17世纪我们有了蒸汽机,18世纪有了燃气机,19世纪有了第一个热电材料,而现在我们正要用磁来做同样的事。”(常丽君) 《科技日报》(2012-07-13 二版)

  • Science: 低温强磁场磁力显微镜—调控拓扑绝缘体磁畴壁手性边界态

    Science: 低温强磁场磁力显微镜—调控拓扑绝缘体磁畴壁手性边界态

    拓扑绝缘体,顾名思义是绝缘的,有趣的是在它的边界或表面总是存在导电的边缘态,这是拓扑绝缘体的独特性质。近期,理论预测存在的拓扑绝缘体在实验上被证实存在于二维与三维材料中,引起了科研界的大量关注。通常二维电子气体系中存在着量子霍尔效应,实验中观测到了手性边界态存在于材料的边界。在三维体材料的拓扑绝缘体中实验上可观测到反常量子霍尔效应。 K. Yasuda, Y. Tokura等人利用德国attocube公司的低温强磁场磁力显微镜attoMFM在0.5K温度与0.015T磁场环境下,证实了拓扑绝缘体磁畴壁的手性边界态的可调控性能,不同于之前实验上观测到的拓扑绝缘体中自然形成随机分布的磁畴中的手性边界态。Y. Tokura等人基于Cr-掺杂 (Bi1-ySby)2Te3制备了拓扑绝缘体薄膜,基底是InP(如图1C)。图1D为在0.5K极低温下使用MFM测量的材料中的磁畴分布,可以清晰看到自然形成的随机分布的大小与形貌不一的磁畴。通过使用MFM磁性探针的针尖在0.015T的磁场环境下扫描样品区域成功实现了对材料磁畴的调控。图1F为调控后样品的磁畴情况,被探针扫描过的区域,磁畴方向保持一致。[align=center][img=,500,273]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807311331396935_7457_981_3.jpg!w690x378.jpg[/img][/align][align=center]图1: A&B 拓扑绝缘体磁畴调控示意图;C 拓扑绝缘体材料结构;D attoMFM实验观测自然形成多个磁畴; E&F MFM探针调控磁畴[/align][align=center][/align][align=center] 该拓扑绝缘体磁畴反转的性能随磁场大小变化的结果也被仔细研究。通过缓慢改变磁场,不同磁场下拓扑绝缘体样品的磁畴方向可清楚地被证实发生了反转(见图2)。通过观察,随机分布气泡状磁畴(0.06T磁场附近)一般的大小在200纳米左右。[/align][align=center][/align][align=center][img=,500,206]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807311339098931_5066_981_3.jpg!w690x285.jpg[/img][/align][align=center]图2: A 霍尔器件电测量结果;B attoMFM观测不同磁场下拓扑绝缘体的磁畴情况[/align][align=center][/align][align=center] 不仅通过attoMFM直观观测分析磁畴手性边界态调控,电学输运结果也证实手性边界态的调控。图3为在温度0.5K的时候,拓扑绝缘体电学器件以及相应的电学测量数据。数据表明,霍尔电阻可被调控为是正负h/e2的数值,证实了不同磁畴的手性边界态的调控被实现。作者预见,该实验结果对于低消耗功率自旋电子器件的研究提供了一种可能的途径。[/align][align=center][/align][align=center][img=,500,565]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807311333567372_456_981_3.jpg!w690x780.jpg[/img][/align][align=center]图3:拓扑绝缘体制备器件反常量子霍尔效应结果证实磁畴手性边界态调控[/align][align=center][/align][align=center][img=,500,303]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2018/07/201807311334450730_967_981_3.jpg!w690x419.jpg[/img][/align][align=center]图4:拓扑绝缘体磁畴手性边界态调控相关设备—低温强磁场原子力磁力显微镜[/align][align=center][/align][align=center][/align]低温强磁场原子力磁力显微镜attoAFM/MFM主要技术特点:-温度范围:mK...300 K-磁场范围:0...12T (取决于磁体)-样品定位范围:5×5×5 mm3-扫描范围: 50×50 μ㎡@300 K, 30×30μ㎡@4 K-商业化探针-可升级PFM, ct-AFM, SHPM, CFM等功能参考文献:“Quantized chiral edge conduction on domain walls of a magnetic topological insulator” K. Yasuda, Y. Tokura et al, Science 358, 1311-1314 (2017)

  • 蒙特卡罗模拟任意几何结构的充电效应

    分享一篇英文文献,原文请附件下载。以下为摘要google翻译。当被带电粒子照射时,绝缘材料通常会受到充电效应。在本文中,我们提出了蒙特卡罗研究电子束辐照对具有任何复杂几何形状的样品结构的充电效应。当在绝缘固体中运输时,电子遇到弹性和非弹性散射事件 Mott横截面和Lorentz型介电函数分别用于描述这种散射。此外,还考虑了带隙和电子长光学声子相互作用。非弹性散射中的电子激发导致电子 - 空穴对的产生 这些负电荷和正电荷建立了内部电场,进而引起电荷的漂移被固体中的杂质,缺陷,空位等捕获,其中陷阱位点的分布被假定为具有均匀的密度。在充电条件下,内部电场使电子轨迹失真,并且表面电势动态地改变二次电子发射。在这项工作中,我们提出了一种迭代建模方法,用于自洽的电位计算 与图像电荷方法相比,该方法在处理具有任意复杂几何形状的任何结构方面具有优势 - 图像电荷方法限于非常简单的边界几何形状。我们的建模基于:有限三角网格方法的组合,用于任意几何构造 一种自洽的空间势能计算方法 以及对存放电荷运动的完整动态描述。已经进行了实例计算以模拟半无限固体的SiO 2的二次电子产率,在Au基板上生长的SiO 2膜的异质结构的充电,以及具有粗糙表面的SiO 2线结构和具有不规则形状的SiO 2纳米颗粒的SEM成像。模拟已经探索了纳米粒子表面下方有趣的交错电荷层分布以及产生它的机制。

  • 光学显微镜的边缘效应?

    光学显微镜会有边界效应么?我做的渗碳的样,边缘有一白色的边,不知道是氧化物,还是边缘效应反光的结果,由于试样一面黑一面亮,有时候我做渗氮的样,总怀疑白亮层是否是真的,还是边界效应引起的白边.

  • 【原创大赛】被研究了八百遍的基质效应

    做农药残留经常会碰到一种现象,基质效应。小明同学做了一个实验,回收率非常高,180%,那么他做的实验非常成功吗?NO!事实上,基质效应已经被农药残留各位专家研究的可以写N本书了,而基质效应重要的评价指标就是回收率。农药残留回收率一般混标为70—120%,单标在80-100%为合格,具体要求可以参考GB/T 27404-2008.然而基质效应并不是影响回收率的唯一指标,还有前处理,还有进样系统及检测系统。所以遇到基质效应大的样品,三个字,烦烦烦。目前来讲,我们经常使用的[color=#333333]GB 23200.8-2016[/color][color=#333333],[/color][color=#333333]NY/T761-2008, GB/T20769-2008等标准中有些标准对基质效应提出了自己了解决方法,基质匹配。[/color][color=#333333]空白基质配制标准曲线,而有些标准则并没有考虑。[/color][color=#333333]实际检测过程中,有些老师认为一类样品要对应一个标曲,那么你知道有多少蔬菜种类吗?[/color][color=#333333]假设按照“科”来分类,你知道的,辣椒和茄子一个科,萝卜和白菜一个科,芹菜和胡萝卜一个科。这能行吗?[/color][color=#333333]还有老师认为选择两种作为空白基质的代表就可以了,黄瓜和西瓜。这可行吗?[/color][color=#333333]也有老师认为现如今的前处理净化已经可以解决基质问题了,这个就比较扯淡了。[/color][color=#333333]另外一种方法,标准加入法。[/color][color=#333333]它是一个比空白基质做标液步骤要求更多的方法,对实际检测来讲,能不用尽量不要用。[/color][color=#333333]为了准确度,可以,为了发表论文,可以,为了复检可疑样品,可以。[/color][color=#333333]其它是扯淡,不是每家公司都不在乎时间、人力以及物质的投入。[/color][color=#333333] [/color][color=#333333]那么实际检测过程中,如何去减少基质效应对检测过程中的影响呢[/color][color=#333333]我们是这样操作的。[/color][color=#333333]实际检测过程时,我们本身有个农产品检测基地,常检测的样品如辣椒、茄子、萝卜、白菜等都会自己种植,[/color][color=#333333]不使用农药,并且在种植过程中尽量排除农药残留的干扰,当做空白样品。[/color][color=#333333]第一步检测样品中农药残留时使用最后定容溶剂配制的标准曲线,检测出样品中的农药残留和加标样品中的农药残留。[/color][color=#333333][/color][color=#333333]第二步,使用空白样品基质配制与样品及加标样品中农药残留浓度相同或相近浓度的单个浓度点,以单标的形式重新走样。[/color][color=#333333][/color][color=#333333]以第二次走样的样品浓度及计算的回收率为准。[/color][color=#333333][/color][color=#333333]个人做法,仅供参考[/color]

  • 空间用VPX机箱与板框紧固结构接触热阻标准化测试思路

    空间用VPX机箱与板框紧固结构接触热阻标准化测试思路

    [b][color=#ff0000]1. 技术现状[/color][/b] 目前国内外针对空间用VPX机箱与板卡紧固结构接触热阻的测试,大多采用如图 1-1所示的测试模型。[align=center][img=,450,558]http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2017/06/201706262131_01_3384_3.png[/img][/align][align=center][color=#3333ff]图 1-1 板框紧固结构接触热阻测试模型示意图[/color][/align] 接触热阻测试过程中,一般将整个测试装置放置在真空腔体内。如果需要在振动环境下进行考核,还需将放置了热阻测量装置的真空腔固定在振动台上。 测试过程中,先通过真空腔和振动台模拟出空间使用环境,然后通冷却液,并对电阻加热器通电和对压紧条加载一定的扭矩。当测量装置达到稳定状态后(真空度、振动频率、加热电流电压、温度和扭矩恒定不变),通过测量加载的电流电压以及温度值,可以按照下列公式计算出相应的接触热阻。[align=center]R=ΔT/Q[/align] 式中: R代表接触热阻、ΔT代表相应位置之间的温度差、Q代表加载的电功率。[b][color=#ff0000]2. 问题的提出[/color][/b] 以上测试模型所假设的边界条件是热阻测量装置四周绝热,即假定加热器产生的热量全部流经板框进入冷却的VPX机箱壳体而没有其它热损失。但这种假设会给实际测试带来巨大误差,这主要是因为以下三个原因: (1)加热器的一部分热量会通过加热器表面以对流和辐射形式散失掉。 (2)板框上加热器未覆盖部分表面也会以对流和辐射形式散热。 (3)测试环境的温度、湿度和气压的不同造成对流与辐射散热大小的不同。 由于以上原因,造成流经接触面的热量往往要小于所加载的电功率,如果直接采用加载的电功率进行热阻计算,所得到的热阻测试结果往往会比实际热阻小很多,加热功率越大这种误差就会越大。 尽管国内外对卡框接触热阻测试技术的研究已经开展了二十多年,但至今国内外还未建立相应的标准测试方法,主要难度在于测试过程中如何保证边界条件的一致性和消除上述的热损失。[b][color=#ff0000]3. 标准化测试关键技术[/color][/b] 为了解决卡框接触热阻测试标准化问题,需要解决以下几方面边界条件的一致性: (1)电加热器加载功率的恒定 尽管国外有文献报道采用隔热材料包裹整个测量装置,但这种被动式方法还是会带来较大散热,加热器上很大一部分热量被用来加热了隔热材料。最有效的办法是采用主动式护热技术(等温绝热技术),主动式护热技术在材料热物理性能测试技术中常被用到,如ASTM D5470、ASTM C177和GB/T 10294等,也就是距离加热器外表面一定间距加一个护热套,采用温差探测装置来控制护热套与加热器的温度始终保持一致,从而实现等温绝热,使得加热器热量无热损的只能向板框传递。 (2)真空度的恒定 真空度是接触热阻变化的一个重要变量,标准化的热阻准确测量,必须要对真空度进行精确控制。

  • Mie氏散射理论的实验研究

    Mie氏散射理论的实验研究

    Mie氏散射理论的实验研究众所周知,Mie氏散射理论主要用于从亚微米至微米的尺寸段,在微米以下至纳米的光散射则近似为形式更明晰简单的瑞利散射定律,而对大于微米至毫米的大粒子则近似为意义明确的夫琅和费衍射规律。用这些定律可成功解释各类散射现象,并指导颗粒的粒度分布的测试技术,Mie氏散射理论是对处于均匀介质中的各向均匀同.性的单个介质球在单色平行光照射下的Maxwell方程边界条件的严格数学解,它是目前颗粒测试中的主流理论。下面我们在分析国内外颗粒散射理论和测试技术基础上设计了一套采用光子技术测量亚微米量级颗粒散射信息的实验系统来对Mie氏散射理论进行更加深入的研究。为了将亚微米乃至纳米范围内的颗粒更加精确地测量其粒径大小,实验中采用光子技术,合理地设计样品池与入射光之间的角度,很好地提高了实验精度,得到与Mie 理论吻合较好的结果,并创新提出采用光纤探头结合光电倍增管与光子计数器作探测器的粒度仪,较有限环靶更好地适用于亚微米颗粒的粒度测试,并可更好的和计算机接口,提高测试水平,从而大大提高了小颗粒粒度测量的分辨能力,并在此基础上探测性地研究新一代亚微米颗粒检测仪器。该研究采用高时空分辨率观测技术,以物理模拟结合实验测量为主要研究手段。采用He-Ne激光光源照射到均匀分散的颗粒上,用光纤接受散射信号,通过光电倍增管将散射信号放大后,用光子计数器来测量激光作用下各微粒的散射信息。通过对散射信号的分析计算,可得到所测场中颗粒物理参数的定量结果。 本实验采用的光路示意图如下:http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305251136_441470_388_3.jpg如图1所示,进行Mie氏散射实验,最主要的问题就是如何将颗粒的散射光信号进行更加精确的探测,围绕这一主要问题我们将实验光路进行了更为周密的设计,其中主要表现在本次实验引入了光子技术,采用光纤采集散射信号,经过光电倍增管将信号放大后并通过光子计数器表征出来,这样一来我们可以探测到极为微弱的散射光,大大提高了探测精度;同时为了防止杂散光的出现,我们将激光器置于整个散射系统的外部,仅让激光通过一个小孔进入散射系统,这也为探测到准确的散射信号提供了有力的保障。入射光线与样品池之间夹角的确定为什么要确定样品池与入射光线之间的夹角,在这里说明一下,首先我们看一下当光线垂直样品池入射的情况,如图2所示,n0 =1,n1=1.33, n2=1.5 http://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2013/05/201305251136_441471_388_3.jpg[/fon

  • 【分享】一篇文章《320μm内径毛细管电色谱柱的分离条件研究》

    320μm内径毛细管电色谱柱的分离条件研究尤慧艳 张维冰 阎 超 张玉奎(中国科学院大连化学物理研究所国家色谱研究分析中心,大连116011)摘 要:在毛细管电色谱中,随着柱径的加粗,焦耳热效应使柱效急剧降低,甚至产生气泡,导致断流现象;采用有机盐缓冲溶液作为流动相,在320μm内径反相毛细管柱中成功地使几种苯取代物得到较好的分离,并且可以在较高的电压下操作,得到了比加压电色谱法更高的柱效。通过对选择缓冲溶液的讨论,说明了大内径毛细管柱中调节流动相组成的一般原则。关键词:大内径毛细管柱,流动相,电色谱下载链接:http://www.instrument.com.cn/download/shtml/155609.shtml

  • 迁移方程的解析解怎么求解

    迁移方程的解析解怎么求解

    做有机气体迁移实验,气体迁移过程满足Fick第二扩散定律,已知边界条件和初始条件,能求出相应点位置的浓度吗,示意图和方程见图片。[img=,607,294]https://ng1.17img.cn/bbsfiles/images/2019/07/201907091556348040_257_3230500_3.jpg!w607x294.jpg[/img]

  • 我科学家首次发现量子反常霍尔效应

    美妙之处或可加速推进信息技术进步的进程 新华社北京3月15日电 (记者李江涛)由清华大学薛其坤院士领衔,清华大学、中科院物理所和斯坦福大学研究人员联合组成的团队在量子反常霍尔效应研究中取得重大突破,他们从实验中首次观测到量子反常霍尔效应,这是我国科学家从实验中独立观测到的一个重要物理现象,也是物理学领域基础研究的一项重要科学发现。 该成果于北京时间3月15日凌晨在美国《科学》杂志在线发表。 据介绍,美国科学家霍尔分别于1879年和1880年发现霍尔效应和反常霍尔效应。在一个通有电流的导体中,如果施加一个垂直于电流方向的磁场,由于洛伦兹力的作用,电子的运动轨迹将产生偏转,从而在垂直于电流和磁场方向的导体两端产生电压,这个电磁输运现象就是著名的霍尔效应。而在磁性材料中不加外磁场也可以观测到霍尔效应,这种零磁场中的霍尔效应就是反常霍尔效应。反常霍尔电导是由于材料本身的自发磁化而产生的,因此是一类新的重要物理效应。 量子霍尔效应之所以如此重要,一方面是由于它们体现了二维电子系统在低温强磁场的极端条件下的奇妙量子行为,另一方面这些效应可能在未来电子器件中发挥特殊的作用,可用于制备低能耗的高速电子器件。 例如,如果把量子霍尔效应引入计算机芯片,将会克服电脑的发热和能量耗散问题。然而由于量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场,因此至今为止它还没有特别大的实用价值,因为要产生所需的磁场不但价格昂贵,而且其体积庞大(衣柜大小),也不适合于个人电脑和便携式计算机。 据了解,量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场,因此,这项研究成果将会推动新一代的低能耗晶体管和电子学器件的发展,可能加速推进信息技术进步的进程。

  • 扫描隧道显微镜的简介

    扫描隧道显微镜的简介自1993年Ruska和Knoll等人在柏林制成第一台电子显微镜后,已有许多用于表面结构分析的现代仪器问世.1982年,国际商业机器公司苏黎世实验室的Gerd Bining博士和Heinrich Rohrer博士及其同事们,研制成功了世界第一台新型表面分析仪器--扫描隧道显微镜(Scanning Twnneling Microscope,以下简称STM).它的出现,使人类能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物理、化学性质,在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着广阔的应用前景,被国际科学界公认为80年代世界十大科技成就之一.1986年为表彰STM的发明者,授予他们诺贝尔物理学奖.STM的基本原理是利用量子力学里的隧道效应。原理图可以简单的描述如下:探针与样品不接触,它们之间有一个势垒,因为有隧道效应,电子有一定几率穿过势垒形成电流。探针与样品之间的距离远,势垒就大,隧道电流就小,电流的大小转化为空间尺度,利用电脑分析就可以得到样品表面的图像。扫描探针一般采用直径小于1nm的细金属丝,被观测样品应具有一定导电性方可产生隧道电流.1 隧道效应理论及有关概念1.1 隧道效应理论  在量子力学中,隧道效应是粒子波动性的直接结果.当一个粒子进入一个势   垒中,势垒势能比粒子动能大时,粒子越过壁垒区出现在势垒另一边的几率为P.设Φ为矩形势垒的高度,E为粒子动能,该粒子穿透厚度为z的势垒区几率P为      P∝e-λkz. (1)其中 ,m为粒子的质量.  基于Bardeen隧道电流理论,隧道电流公式为    I=(e/h)∑f(Eμ),(2)其中f(E)是费米分布函数;U是所加偏压;Mμ,ν是探针的Ψμ态与表面Ψν态间的隧道矩阵元;Eμ是无隧穿情况下Ψμ的能量.Bardeen给出了计算矩阵元Mμ,ν的表达式:   Mμ,ν=(h2/8mπ2)∫dS(Ψμ*Ψν-ΨνΨμ*). (3)1.2 针尖-样品表面作用模型对针尖的微观结构目前并不清楚,在这里我们采用Tersoff等人的处理方法,即将针尖的最接近样品出定义为局部球形势阱,如下图:R是针尖的局部曲率半径。区域曲面中心在ro处,d是距样品表面最近的距离。在感兴趣的区域,针尖的波函数可取将近球形式,即     (4)其中 是探针体积,假设针尖的功函数Φ与样品表面的功函数相等。参数 由针尖的几何形貌、电子结构细节及针尖-真空边界条件决定。如果针尖与样品表面距离不是非常近,而偏压又很小时,隧道哈密顿方法可以用来描述这种隧穿过程.采用独立粒子模型,隧道电流I可近似表示为      I=(e/h)∫dEA(R,E,E+eU), (4) A(R,E,E′)=∫ΩΤdρ∫ΩΤdρ′UT(ρ)UT(ρ′)gS(ρ+R,ρ′+R,E)gT(ρ′,ρ,E′), (5)其中gS和gT是样品表面和针尖的格林函数的虚部,其表达式为      gS(r,r′;E)≌∑Ψμ(r)Ψμ*(r′)δ(E-Eμ),(6)      gT(r,r′;E)≌∑Ψν(r)Ψν*(r′)δ(E-Eν).(7)(5)式的积分遍及针尖的体积ΩΤ;ρ和ρ′是由固定点R处到针尖表面的极坐标;R表示针尖到样品表面的相对位置;U(ρ)表示针尖的势Ψμ;E(Ψμ,Eμ)为样品(针尖)的本征波函数及本征能量.

  • 塞曼效应研究

    大家好,最近再摸索塞曼扣背景的原理,有几个问题想请教一下大家问题一:因为我们的仪器是PE AA 800的,应该是横向加热,交变磁场塞曼扣背景的(据说磁场强度是1.9T),由于磁场下的正常塞曼效应是列分为π和O正负(那个叫“诗歌吗”的符号不会打),根据塞曼原理,应该是元素原子在磁场中高能级态的谱线分裂成三条??还是空心阴极灯发出的光在磁场中发生分裂???

  • 【原创】研究昆虫气味仪器昆虫四臂嗅觉仪

    四臂嗅觉仪特点:采用进口全透明加厚有机玻璃制作,密封性能好,可定做多个抽气孔,或定做多个昆虫通道,专为研究昆虫溴觉气味之用,原理:每种昆虫所喜欢各种气体味道不同,在各个通道端,连接上不同的气味源,昆虫会爬向喜欢的气味一端,从以知道各种昆虫的溴觉性能。尺寸:可定做各种规格。许多膜翅目寄生性昆虫首先通过嗅觉反应趋向于寄主栖息地,然后再寻找寄主,为了研究这个过程,就需要一种嗅觉测定仪。过去采用的Y型或T型嗅觉测定仪,因为它们不能形成边界分明而毗连的气味区域而让天敌自由进出,此外,在Y型或T型管的三臂相交处会导致气味的混合,因而存在干扰效应。在这种情况下,小型寄生昆虫难以进行趋化性试验,通常由于行为上的诱导(例如强烈的趋光性反应

  • 【资料】-超临界流体的共溶剂效应和混合流体研究进展

    [b]超临界流体的共溶剂效应和混合流体研究进展[/b][i]牟天成,韩布兴[/i]摘 要:共溶剂的出现极大地拓展了超临界流体的应用范围,推动了超临界流体科学与技术的发展。本文从相行为和分子间相互作用热力学的角度,对相行为测定、量热技术、光谱技术和分子模拟等在超临界流体中共溶剂效应的研究作了综述,主要介绍超临界流体中共溶剂的作用机理和混合流体在临界点附近热力学性质研究,并对其未来发展方向进行了展望。关键词:超临界流体 共溶剂 分子间相互作用 混合流体1 引 言最近20年以来,超临界流体科学和技术得到了快速发展,其理论和应用研究正处于快速增长阶段。随着人们对超临界流体本性认识的提高,超临界流体在萃取、化学反应、材料制备、分析技术、胶体和表面科学、生物技术等领域得到了广泛应用,其应用范围和领域还在不断扩大之中,而且必将有更为广阔的应用前景。超临界流体得到人们广泛关注,是因为它具有一些特殊性质:(1)超临界流体的密度可以从气态密度连续变化到液态密度,尤其是临界点附近,压力和温度的微小变化可导致密度成倍变化;(2)由于粘度、介电常数、扩散系数和溶解能力都与密度有关,可以通过调节温度和压力来控制超临界流体的物理化学性质。在超临界流体中,CO2的使用最普遍,原因如下:CO2溶解能力强;临界温度和临界压力适中;无毒无害,便宜易得;化学惰性,易分离等,是环境友好的绿色溶剂。[color=red]下面有全文的Word文档,需要的可以下载。[/color]

  • 【资料】复合材料力学的研究内容

    [color=#00008B]同常规材料的力学理论相比,复合材料力学涉及的范围更广,研究的课题更多。 首先,常规材料存在的力学问题,如结构在外力作用下的强度、刚度,稳定性和振动等问题,在复合材料中依然存在,但由于复合材料有不均匀和各向异性的特点,以及由于材料几何(各材料的形状、分布、含量)和铺层几何(各单层的厚度、铺层方向、铺层顺序)等方面可变因素的增多,上述力学问题在复合材料力学中都必须重新研究,以确定那些适用于常规材料的力学理论、方法、方程、公式等是否仍适用于复合材料,如果不适用,应怎样修正。 其次,复合材料中还有许多常规材料中不存在的力学问题,如层间应力(层间正应力和剪应力耦合会引起复杂的断裂和脱层现象)、边界效应以及纤维脱胶、纤维断裂、基体开裂等问题。 最后,复合材料的材料设计和结构设计是同时进行的,因而在复合材料的材料设计(如材料选取和组合方式的确定)、加工工艺过程(如材料铺层、加温固化)和结构设计过程中都存在力学问题。[/color]

  • 英牛津大学专家指出 量子反常霍尔效应成果预示新时代来临

    新华社伦敦4月14日电(记者刘石磊)中国科学家从实验中首次观测到量子反常霍尔效应,英国牛津大学专家对此发现予以高度评价,并指出这一成果预示着一个令人兴奋的新时代的来临。 牛津大学物理系讲师索斯藤·赫斯耶达尔说:“这一成果预示着一个令人兴奋的新时代的来临——对于基础物理学来说,观察到量子反常霍尔效应让研究新的量子系统成为可能;对于更广泛的(电子)设备领域来说,这一成果为研发新式电子器件提供了基础。” 英国牛津大学物理系讲师陈宇林指出,在反常霍尔效应发现120年后,清华大学和中科院物理所的研究团队,在磁性掺杂的拓扑绝缘体材料中实现了量子反常霍尔效应,这是一个很了不起的成就。 陈宇林解释说:“反常霍尔效应是固体中由电子自身的自旋和轨道运动耦合导致的一个输运过程。而在量子反常霍尔绝缘体中,自发磁矩和自旋轨道耦合结合产生了拓扑非平凡电子结构,引起在无外加磁场条件下的量子霍尔效应。因为只有一个自旋通道参与电子导电,使其无损耗的导电比量子自旋霍尔体系更不容易被干扰,这将更有利于应用在低损耗电子和自旋电子学器件中。” 陈宇林认为,这个成就也肯定了近年来中国对基础研究的重视和投入。他说:“在拓扑绝缘体领域,华人科学家和中国国内的研究组作出了巨大的贡献。在过去两年中,清华大学和中科院物理所的研究人员做了大量工作,克服了各种困难,终于在世界上首次实现了这个优美的物理学现象。这说明只要有合适的条件,中国的科研是可以走在世界前沿的。”

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