第52届国际物理奥林匹克竞赛理论第2题介绍与解答

第52届国际物理奥林匹克竞赛理论部分共三道题目,本文主要对理论第二题“詹姆斯·韦伯太空望远镜”题目进行介绍,给出参考解答以及对中国学生答题情况的分析。

等温正火线贯通一体式结构设计缺陷及改造

分析等温正火线两种典型结构,详细阐述加热炉与速冷室一体化设计缺陷及使用过程中的危害,并对比分析改造方案,综合多方因素以获取最佳效果。最终实施“分体式”改造方案,彻底消除缺陷。经4年跟踪验证,设备使用稳定可靠,大幅降低了维护成本。

稀土夹心双酞菁铥的LB膜及其光谱特性

采用表面压-面积(π～A)等温曲线和紫外-可见吸收光谱研究了稀土夹心双酞菁铥(TmPc2)分子在Langmuir膜及其Langmuir-Blodgett(LB)膜中分子的排列状态和光谱特性。发现TmPc2分子在纯膜中以edge-on方式面对面的排列,在与花生酸(AA)的混合膜中TmPc2分子以face-on方式平躺排列。纯的TmPc2分子在亚相表面可以形成稳定的Langmuir膜,但不易转移到固体基片上,加入花生酸混合后不仅可以在亚相表面形成稳定的Langmuir膜,而且可以较好地转移到固体基片上,制成多层LB膜。TmPc2氯仿溶液和LB膜的紫外-可见吸收光谱具有明显的Soret吸收带和Q吸收带,Soret吸收带有2个吸收峰,分别对应184—187*和178—186的轨道电子跃迁。而Q吸收带有4个吸收峰,分别对应于186—189*,190*和185—187*,188*的轨道电子跃迁。由于分子间的相互作用,TmPc2分子在LB膜中紫外-可见吸收谱的各个吸收峰与氯仿溶液中的吸收峰相比较都发生了红移。层内分子的相互作用比层间分子的相互作用强。

牺牲剂降低表面活性剂吸附损失研究

针对三元复合体系 ,应用牺牲剂对油砂预吸附后 ,测定表面活性剂在油砂上吸附等温线 ,结果可降低表面活性剂吸附损失 4 0 %～ 60 %。界面张力和粘度测量表明 ,牺牲剂加入对复合体系性质影响较小。牺牲剂无论是以前置段塞还是以混合方式注入都可以提高三元复合体系驱油效率 。

黄芩甙在蚕丝上的染色热力学研究

为了探讨天然染料黄芩在蚕丝纤维上的染色机制,提高其对上染过程控制、染色效果预测及染色工艺优化的指导价值,对蚕丝纤维先用铝离子预媒染后用黄芩提取物黄芩甙进行染色平衡实验。运用3种理论吸附模型即Langmuir、Freundlich和Nernst对30、45、60℃下的实验数据进行模拟,计算黄芩甙在蚕丝纤维上的热力学参数。结果表明,黄芩甙在蚕丝上的吸附最符合Langmuir吸附模型,并用拟合系数和正规偏差验证了吸附模型,该过程是吸热过程,染色热为2.303 4 kJ/mol,染色熵为6 J/mol,染色亲和力和饱和吸附量随温度的升高而增加。

时变等温线接触弹流润滑问题求解的多重网格技术

介绍了用多重网格技术求解时变等温线接触弹流润滑问题的方法，在算法上对压力迭代过程进行了简化；最底层网格上采用 Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ方法，在其它各层网格上使用 Ｇａｕｓｓ－Ｓｅｉｄｅｌ低松驰迭代。作为算例，研究了脉冲载荷对弹流润滑特性的影响。

单粗糙峰的时变等温线接触弹流润滑分析

求得了带单粗糙峰时变等温线接触弹流润滑问题的完全数值解, 分析了单粗糙峰对压力、膜厚的影响。结果表明, 单粗糙峰造成接触区对应位置油膜压力剧烈变化而膜厚变薄。讨论了单粗糙峰半波长、速度和载荷参数分别变化时对压力和膜厚的影响, 最后比较了时变解和准稳态解。

长寿高炉炉底传热学分析

高炉侵蚀归根结底是动量传输、热量传输和质量传输这三传的问题。如果炉底热面凝结一层渣铁壳,将有利于高炉长寿。目前,虽然已经有了许多数值求解三维导热微分方程的软件,但对于设计人员来说,快速评估所设计炉底热面能否形成渣铁壳有重要意义。笔者利用一维温度场分析(热阻分析)方法,通过炉底各层对冷却水冷却能力及1 150℃等温线的影响,估测渣铁壳的形成。最终得到影响炉底侵蚀的限制性环节,为优化高炉炉底结构设计,提高高炉寿命奠定理论基础。

大米安全水分和吸着等热计算

对静态称重法测定的5个大米样品吸着等温线数据,分别采用Brunauer-Emmett-Teller(BET)、CAE、修正Chung-Pfost(MCPE)、修正Guggenhein-Anderson-de Boer(MGAB)、修正Henderson、修正Oswin及Strohman-Yoerger 7个方程进行拟合,MCPE被判定为大米最佳吸着等温线方程。以M=f(hr,t)形式表达的平均解吸等温线方程MCPE的3个参数C1、C2及C3各是492.539、39.846及0.176,在RH 70%下,对应的101、5、202、5、303、5℃条件下大米样品平均解吸值,分别是15.88%、15.49%、15.13%、14.80%、14.50%及14.21%。3个粳米(方正香米、东北普通米、松花江米)在25℃的安全水分是14.92%～15.39%,低于15.5%;2个籼米(泰国香米和江苏米)安全水分则是13.88%～14.43%,低于14.5%,与GB 1354—2009大米限量水分一致。大米吸着等热在含水率<20%干基条件下,随着米粒含水率增加而快速减少,在高于20%干基含水率则随含水率增加而缓慢减少。在含水率<22.5%干基条件下,较低温度下的大米吸附等热与解吸等热均高于较高温度;大米解吸等热高于吸附等热,但是随着含水率增加则差异减少。

改性泥炭对UO_2^(2+)、^(137)Cs等吸附交换性能的影响

泥炭经化学处理可有效吸附交换水中微量放射性元素离子等，用于净化水体．用廉价、易得的改性泥炭作吸附剂，研究改性泥炭中腐植酸对ＵＯ２＋２ 、１３７Ｃｓ、１６９Ｙｂ 和ＨＰＯ２－４ 的吸附交换；由吸附交换规律及测定的吸附交换平衡时间考察了ｐＨ 等因素对吸附率Ｅ、分配系数Ｋｄ 的影响；测定了吸附等温线，发现改性泥炭对ＵＯ２＋２ 和１６９Ｙｂ 的吸附交换服从Ｆｒｅｕｎｄｌｉｃｈ 等温式，而对１３７Ｃｓ和ＨＰＯ２－４的吸附交换则服从Ｌａｎｇｍ ｉｕｒ等温式，并讨论了吸附交换机理．

温度对煤体瓦斯吸附量影响规律的试验研究

为了研究恒压条件下,随着温度的升高煤吸附的瓦斯量以及吸附速率的变化情况,选取粒度为60~80目的安泽矿煤样,依次测试出煤样在压力0.6 MPa,温度为35、50、65、80、105℃条件下的等温吸附线,以及吸附量与时间的关系曲线。研究表明:随着温度的升高,煤吸附的瓦斯量下降,温度越高,这种趋势越明显;随着时间的增加,各温度下的吸附速率逐渐减小。当吸附进行至200 min时,各温度下的吸附速率已低于0.005 cm^3/(g·min),而后吸附速率缓慢下降;在吸附过程中,温度越高,同一时间点下的吸附速率越小。

铝合金机轮轮毂锻造流线仿真与实验研究

采用Deform 2D软件对铝合金机轮轮毂在不同工艺参数下的锻造流线进行仿真分析,并通过机轮轮毂缩比件锻压工艺实验研究对仿真结果进行验证。研究结果表明:适当增大坯料与模具之间的摩擦,可减小流线与锻件表面夹角,避免流线露头;与常规热模锻工艺相比,等温模锻工艺(模具温度和坯料温度均为450℃,压制速度为0.1 mm/s)在较高的温度和较低的变形速率下,可有效降低材料的变形抗力,增强材料在模腔中的流动性,成形的机轮轮毂流线分布合理,晶粒细小均匀,避免了热模锻过程中易产生裂纹、充填不满等缺陷。

基于彩色成像的铸件辐射温度场测量

研究了炽热铸件辐射成像和温度场测量的方法。通过比较铸件的计算机图形RGB三色辐射亮度,建立铸件表面的辐射亮度等高线;通过黑体定标系统建立亮度、RGB三色值和辐射温度之间的联系后,可测定铸件随时间、空间变化的温度场。利用图形色阶可以控制和调整等高线的生成区域大小、等高线密度和等高线生成初值,突出被测物体的主体。它可作为计算机仿真、凝固模拟的补充和铸造缺陷事后分析的辅助工具。CCD器件的普及为工程推广应用提供了物质基础。

线接触弹流润滑综合数值分析

应用多重网格法和多重网格积分法数值求解了Newton流体和Ree-Eyring流体线接触等温和热弹流润滑问题,分析了滑滚比对摩擦因数的影响,指出了润滑油的流变性和热效应对线接触弹流润滑油膜粘度的影响,以及不同滑滚比时压力、膜厚和温度的分布规律。结果表明:等温润滑时的摩擦因数随着滑滚比的增加而增加,热弹流润滑时的摩擦因数随着滑滚比的增加先增加后减小,热效应和非牛顿流体的剪稀作用均会使润滑油的等效粘度降低,从而影响摩擦因数;热效应的存在使油膜变薄,且在所讨论的工况条件下Newton流体的膜厚比Ree-Eyring流体的稍薄,热效应使第二压力峰变矮,且Ree-Eyring流体的第二压力峰矮于Newton流体的第二压力峰;纯滚动时,Ree-Eyring流体的温度比Newton流体的温度高,有滑滚比时,Newton流体的温度比Ree-Eyring流体的温度高,且油膜的温度随滑滚比的增加而增加。

超声测量数据计算物质冷压线的一种解析方法

提出了一个利用超声测量数据来计算冷压线的一种解析方法.该方法对冷能和冷压的描述先不考虑原子之间的相互作用势的具体形式,而是直接从Murnaghan、B irch-Murnaghan、V inet等不同解析形式的等温物态方程出发,利用室温较低压力下的超声测量数据计算零压体积模量KT0及其对压力的一阶偏导数KT′0,将其修正到0 K而得到冷压线,并用静高压等温压缩数据检验各种解析物态方程模型的适用性.利用超声测量数据计算了A l、Cu、Ag 3种金属的冷压线,并用DAC原位测量的300 K等温压缩数据对该计算进行了比较.

等温线接触弹流润滑求解的多重网格技术

介绍了利用多重网格技术求解等温线接触弹流润滑问题的方法及程序实现．在算法上对压力迭代过程进行了简化；提出了弹性变形计算中弹性矩阵与修正矩阵的压缩表示形式，大大地降低了程序所需内存量；在１０－１３≤Ｕ≤１０－９，１０－６≤Ｗ≤１０－２的广大参数范围内给出了算法的稳定区域．通过与其它解法及经验公式对比说明了多重网格技术将成为未来弹流理论研究中的主要数值方法之一．

褐煤腐殖酸对废水中活性翠兰KN-G的吸附实验

为解决精细化学产品带来的废水污染的问题,实验采用褐煤腐殖酸作为吸附剂,通过对其吸附动力学、等温线、pH值、褐煤投加量和离子强度的分析和测定研究了吸附剂对废水中活性翠兰KN-G的吸附影响.实验结果显示:褐煤浓度对吸附速率影响明显,其处理废水中活性翠兰的动力学符合二级速率方程(R2=0.993 6);吸附模式符合Freundlich方程(R2=0.999 7),先前吸附在褐煤上的活性翠兰对后续活性翠兰的吸附具有明显的抑制作用;在吸附实验中,pH值对吸附效果的影响明显,减小pH,导致废水中活性翠兰的去除率增加,实验结果表明当pH=1时,去除率最大;随着腐殖酸投加量的增加水溶液中活性翠兰去除率而提高;离子强度对吸附效果影响随着离子浓度的增加,去除率升高.

垃圾填埋场衬垫土壤材料对Cr(Ⅵ)的吸附特性研究

通过静态平衡吸附试验对采用颗粒活性炭及酸活化膨润土改良的垃圾填埋场衬垫土壤材料吸附重金属的特性进行了观察。试验结果表明:研究中的所有土壤样本对Cr(Ⅵ)的吸附属于非线性的Langmuir模式。经颗粒活性炭及酸活化膨润土改良的衬垫土壤材料与天然黏土材料相比,对Cr(Ⅵ)的吸附强度有了很大的提高,说明颗粒活性炭和酸活化膨润土可以作为改良衬垫土壤的材料去吸附重金属。所有土壤样本对Cr(Ⅵ)的吸附量均随着温度的升高而增大,随着土壤固体颗粒浓度的增大而减小。Langmuir等温参数(qm,b)随着土壤固体颗粒浓度的增大而呈对数性减小,但随着土壤固体颗粒浓度进一步增大到某一临界值(例如200 g/L),其值基本稳定了,另外等温参数也随着温度的升高呈线性增大的趋势。由试验结果可以得出,采用较低的土壤固体颗粒浓度所确定的吸附参数值不适合模拟实际工程条件,其值将引起对垃圾填埋场衬垫的迟滞因子作出过高估计。因此,为了获得与实际工程条件比较接近的吸附参数值,静态平衡吸附试验必须在一个充分大的固体颗粒浓度条件下进行。

火灾过程中混凝土构件内的温度分布

研究了火灾过程中混凝土构件内温度的分布情况，建立了确定火灾过程中构件内部任一点所达到的最高温度的计算公式，从而可以确定温度场在混凝土构件内的分布情况，为进行破损检测和残余承载力估算提供依据。

转炉内壁蚀损趋势分析的红外系列图像配准

根据铜转炉内壁蚀损趋势分析的需要,提出了一种基于等温线轮廓特征的红外系列图像配准算法。使用了质心距离函数和傅里叶描述寻找相似度最高的等温线轮廓,在相似轮廓线对的点集合上建立对应关系,经匹配将图像配准问题转换为标准的参数矩阵最小二乘估计问题,由仿射变换建立图像的配准空间。测试结果表明,算法具有简单、运算速度快的特点,能满足分析精度要求。