温稠密氦的状态方程、热输运性质和辐射不透明度的理论研究

温稠密状态下氦元素广泛存在于核聚变内爆过程和宇宙星体中,其热力学性质和辐射输运参数等物质特性在聚变实验设计和星体结构演化研究中起着至关重要的作用.本文采用充分考虑温稠密物质中电子离子碰撞物理效应的量子郎之万分子动力学方法,通过模拟宽广温度密度区域氦离子和电子的响应特性,构建了温度在10-60 kK,密度为1-24 g/cm^(3)范围内温稠密氦的状态方程数据库和电子热导率数据库,并计算了该温度密度下温稠密氦的辐射不透明度.本文的计算结果可以为聚变物理研究和很多基本天体物理问题建模提供必要的输入参数.

温稠密氢氘混合物热力学、光学和电子输运特性理论研究

温稠密状态下的氘氚混合物是惯性约束聚变必然要经历的中间物质状态.其在温稠密状态下的热力学特性和输运参数在聚变实验设计研究中起着重要作用.但由于氚具有放射性,实验中可以用氢氘混合物来模拟替代研究氘氚混合物.本文采用了密度泛函理论分子动力学模拟和基于自洽流体变分理论的化学模型,构建了氢氘混合物在0~200 GPa和300~10000 K宽范围状态方程和声速数据库.此外,结合Kubo–Greenwood公式计算得到了氢氘混合物电子电导率以及光学反射率和折射率,建立起混合物绝缘–金属化相变与实验上易探测的光学物理量反射率和折射率之间的联系,为从实验角度探索氢及其同位素的金属化提供了理论指导.

变热物性非稳态导热下人工冻土温度场解析解

为优化冻结方案、准确掌握人工冻土温度场发展状况、处理紧急情况,需要了解变热工参数对人工冻土温度场的影响。以圆形断面为计算断面,在特定的温度场定解条件下,假定变热系数随径向按照一定规律变化,从而推导了平面极坐标下人工冻土温度场方程的解析解,得出了三种不同变化形式下的温度场变化情况,并可以根据算出的温度场方程反推冻结冰峰移动情况。

论VLW状态方程

论述了VLW状态方程中爆轰产物分子势参数的确定;根据不同类型炸药爆轰性能参数计算结果对炸药爆轰产物碳在CJ态的相进行了分析讨论,认为不同的炸药,产物碳有石墨和金刚石两种相存在;将VLW状态方程和BKW状态方程进行了比较分析,指出了BKW状态方程与VLW状态方程的区别及其产生的原因,并给出了VLW状态方程计算含能材料(包括高能炸药、燃料空气炸药、民用炸药)的爆轰性能参数计算结果。结果表明,计算值与实验值符合较好。

液态CO_2高温高密度状态方程研究

利用二级轻气炮作冲击加载手段，采用自己建立的低温靶，比较系统地研究了液态ＣＯ２的冲击压缩行为。在２０～６０ＧＰａ压力区获得六个新的Ｈｕｇｏｎｉｏｔ数据点。根据这些实验点，采用液体统计力学理论和化学平衡方法，重新优化获得一组ＣＯ２－ＣＯ２，ＣＯ２－Ｏ，ＣＯ－Ｏ作用势参数。分析表明，引起体系在２５ＧＰａ以上区域冲击软化现象的主要机制是ＣＯ２离解反应，ＣＯ２—→ＣＯ＋Ｏ。

超临界CO_2热力学性质的理论计算

应用BWR方程在温度为310～600K、压强为75～300bar范围内拟合的超临界CO2流体状态方程,计算了超临界状态下CO2体系的熵、热容和焓。研究表明,这些热力学函数具有明显的超临界特性;与文献值相比,超临界状态下CO2熵的相对误差小于0.4%,而定压热容的相对误差稍大,为2.45%(T:330～360K),其数据为进一步从理论上研究超临界CO2与金属铀表面反应的热力学行为奠定了基础。

液氮的冲击压缩理论计算

使用修正的ＷＣＡ状态方程研究液氮的冲击压缩特性，并利用ｅｘｐ－６形式的势函数、用Ｒｏｓｓ变分微扰理论计算分子间相互作用贡献的自由能。计算的液氮冲击压缩Ｈｕｇｏｎｉｏｔ曲线与实验数据符合较好。

金属镍吸附氢同位素的量子力学计算(二)——溶解度的计算方法

本文讨论了气固多相反应的一般条件 ,同时 ,根据文献 [1]的H2 -Ni系统的平衡压力 ,进一步计算H2 在Ni(β)中的溶解度为 338.11～ 96 6 .5 5 cm3cm3 atm1/ 2 ,溶解热为 - 4 0 6 4 .0 6～ - 4 316 .2 4cal以及溶解度系数公式为S =T0 .4648exp 4 894 .33RT ,均与文献相合。这也表明文献 [1]所建议的电子振动近似法的正确性。

临界点附近的H_2气体的状态方程

将ＢｅｎｅｄｉｃｔＷｅｂｂＲｕｂｉｎ（ＢＷＲ）方程应用于Ｈ２气体，采用非线性最小二乘法，精选参与拟合的实验数据和初始参数，拟合出了适用于温度３０Ｋ—７００Ｋ、压强０．１ａｔｍ—１００．００ａｔｍ范围Ｈ２气体的有关参数，进而作了全部ＰＶＴ回代计算，通过计算值与实验值的比较发现：Ｈ２气体温度在临界点附近（３０Ｋ—４０Ｋ），压强达１００．００ａｔｍ和密度超过临界密度ρｃ的两倍时，ＢＷＲ方程仍能计算出可靠的结果，这组参数在温度５０Ｋ—７００Ｋ的大范围内结果也与实验值符合得很好（全局平均误差为０．２３％），说明该方程和我们的参数不仅对Ｈ２气体临界点附近的ＰＶＴ行为能准确描述，而且适用范围还很宽。文中还讨论了如何获得满意的拟合结果。

混合物质高压状态方程的计算

介绍了在温度相同的条件下,混合物中各组元通过密度-压强迭代法,达到温度和压强平衡,再结合叠加原理,编程计算出混合物质状态方程。为验证该程序,对氘氚与氩按不同比例混合时的状态参量进行了分析。当氘氚中含少量氩时,计算得到的状态方程与纯氘氚符合较好;同样地,氩中含少量氘氚时的状态方程也与纯氩的很接近。这说明该程序是可行的。

低温高密度N_2气体的状态方程

将BeattieBridgeman(BB)方程和其改进形式BenedictWebbRubin(BWR)方程应用于低温高密度的N2气体,通过计算值与实验值的比较发现:在N2气体温度低至150K、压强达100MPa和密度达临界密度ρc的2.548倍时,BWR方程仍能计算出可靠的结果,对低于临界温度的过冷气体也能给出较高准确度的计算结果,这说明该方程对低温高密度的N2气体能准确描述。而BB方程却不适用于低温高密度的情况。

稠密氦气物态方程研究

用二级氢气炮作为冲击压缩加载工具和多通道瞬态辐射高温计作为主要测量系统 ,测量了冲击压缩氦气等离子体的光辐亮度历史 (初始温度 2 93K ,初始压力为 1.2MPa)。根据实测记录信号波形的有关特征量 ,计算得到了氦等离子体的Hugoniot物态方程 (含冲击温度 )。结果发现 :实测Hugoniot物态方程可用Saha方程加Debye Huckel修正物理模型解释。

零温物态方程输入参数B_(0K)、B′_(0K)和ρ_(0K)的确定

在对Grüneisen系数高温高压下演化特性不作任何假设的前提下,建立了一种不依赖于等温物态方程具体形式,通过Hugoniot实验数据直接确定0K零压等温体积模量B0K及其对压力的一阶导数B′0K和初始密度ρ0K等0K物态方程输入参数的方法。通过与实验和理论数据的分析和比较,表明用这一方法确定的B0K和B′0K不仅合理,而且具有很高的精度,特别是B′0K的精度,要优于目前传统超声实验的测量精度。此外,这一方法所确定的ρ0K不仅在Gr櫣neisen物态方程的框架内与相应的室温零压特性参数相适配,而且与低温热膨胀实验数据所确定的近0K初始密度ρ0E非常吻合。

论范氏气体方程和理想气体状态方程的关系

一般认为范氏气体方程在大体积极限下和理想气体状态方程一样.不过理想气体还要求满足焦耳定律等,也就是内能对体积的偏导数为零.由于内能对体积的偏导数可以化为物态方程的一阶导数,是否能在状态方程一阶导数这一层次上也要求范氏方程的大体积极限和理想气体一致就值得探讨.结果表明:如果在一阶导数层次上比较,范氏气体方程在大体积极限下不能再回复到理想气体.推广范氏方程让范氏系数依赖于温度,可以得到实际气体在大体积极限下的一个渐近形式.

基于气体多方过程的数字化实验仪

设计并搭建基于多方过程的数字化实验仪,以空气为工质,通过控制步进电机推进过程,压缩气缸内气体,实现多种热力学过程.测量典型的多方过程的状态变化,获得气体物质的量、体积和压强及系统的散热系数,从而验证该实验仪可实现指定指数的多方过程.

混合物物态方程的体积相加模型和热力学自洽条件

介绍了一个表列数据相加模型，用体积压强迭代法编程计算混合物物态方程。在各组分材料物态方程满足热力学自洽条件的前提下，证明了混合物物态方程也满足热力学自洽条件。最后给出两个算例（空气和ＸｅＤ２体系）。

镁铝尖晶石声子色散关系及热力学性质的第一性原理研究

镁铝尖晶石是地幔和类地行星中常见的氧化物类矿物.高温高压实验表明尖晶石的高压相可以存在于从地壳到下地幔广泛的深度范围内.作为含铝矿物的端元组分,尖晶石可能是地幔中铝元素的主要富集矿物.尖晶石的高压相还可能是俯冲大洋板块的主要组成物质.获得尖晶石的热力学性质为计算尖晶石的相变奠定了基础,为通过地震波解释地幔结构提供了理论依据.本文利用冻结声子法计算了镁铝尖晶石的声子色散关系和常压下的各种热力学性质.首先,用基于密度泛函理论的从头计算方法计算绝对零度下平衡体积的晶体结构.然后,通过构建超晶胞并对超晶胞内的原子进行微小的位移获得原子力,利用原子力来构造力常数矩阵,进一步构造动力学矩阵,将温度扩展为有限温度,计算出尖晶石的声子色散关系.最后,根据准谐近似理论得到常压下的各种热力学性质.第一布里渊区中心的声子振动频率与红外、拉曼光谱的实验数据相吻合.各种热力学性质,标准熵、等压热容和热膨胀系数与实验值相吻合.

非简谐振动对固体物态方程的影响

应用热力学理论建立了固体格林乃森物态方程 ,在对格林乃森参量进行热力学分析基础上 ,考虑到原子振动的非简谐效应 ,对金属、惰性元素晶体、离子晶体的格林乃森参量作定量计算 ,并与实验结果比较 ;最后应用索末菲自由电子理论 ,计算了自由电子对金属材料压强的修正 .结果表明 :只有考虑到原子振动的非简谐效应 ,才能得到与实验较为一致的结果 ;固体物态方程取决于固体的结构和原子相互作用势的具体形式 .

固氩高压物态方程和弹性性质的密度泛函理论计算

用平面波赝势方法结合局域密度近似密度泛函理论(DFT-LDA)计算了零温下固态氩晶体在压力0～82 Gpa的p-V关系和弹性性质,计算结果与静高压实验数据符合较好,计算结果表明局域密度近似方法能较好地描述固氩晶体高压下的性质,采取合理的方法和计算参数,惰性气体固态晶体高压下的力学性质可以比较准确地计算出来,这可为一些还不能通过实验进行研究的物态分析提供借鉴.

用Hugoniot数据计算高压状态方程

提出了利用Hugoniot数据、变形Morse势和Grtineisen模型来确定固体材料的高压状态方程的方法。该方法物理意义明确，表达式简洁。用此方法计算Au的高压状态方程，将所得的状态方程与Sesame数据库中Au的状态方程进行比较。发现在密度20～28g／cm3内两者吻合较好，相对误差在0～10％的范围内．表明运用Hugoniot数据结合Grtineisen模型计算材料的状态方程是很适合的。