A Minimalist Single-Layer Metasurface for Arbitrary and Full Control of Vector Vortex Beams

Vector vortex beams (VVBs) possess ubiquitous applications from particle trapping to quantum information. Recently, the bulky optical devices for generating VVBs have been miniaturized by using metasurfaces. Nevertheless, it is quite challenging for the metasurface-generated VVBs to possess arbitrary polarization and phase distributions. More critical is that the VVBs' annular intensity profiles demonstrated hitherto are dependent on topological charges and are hence not perfect, posing difficulties in spatially shared co-propagation of multiple vortex beams. Here, a single-layer metasurface to address all those aforementioned challenges in one go is proposed, which consists of two identical crystal-silicon nanoblocks with varying positions and rotation angles (i.e., four geometric parameters throughout). Those four geometric parameters are found to be adequate for independent and arbitrary control of the amplitude, phase, and polarization of light. Perfect VVBs with arbitrary polarization and phase distributions are successfully generated, and the constant intensity profiles independent of their topological charges and polarization orders are demonstrated. The proposed strategy casts a distinct perception that a minimalist design of just one single-layer metasurface can empower such robust and versatile control of VVBs. That provides promising opportunities for generating more complex vortex field for advanced applications in structural light, optical micromanipulation, and data communication.     

基于虚拟元-有限元耦合的隧道内道床干缩裂缝细观研究

为解释道床与盾构隧道管片产生脱空的现象，研究新混凝土在浇筑后由干燥收缩产生的裂缝机理。基于虚拟元推导任意多边形骨料的刚度矩阵格式，利用UEL子程序实现有限元与虚拟元的耦合计算，纯弯梁数值试验结果表明耦合法较有限元法计算效率明显提升，且具有较好的稳定性。在此基础上，建立细观尺度下新老混凝土的干缩数值模型，并通过圆盘干缩模型验证了模型参数。研究骨料和砂浆的应力分布、内部湿度与裂缝发展的对应关系以及新老混凝土表面和界面的应力发展。结果表明：①收缩过程中，骨料主要承受压应力作用，砂浆沿骨料边界的切线方向受骨料约束作用易形成收缩裂缝，在新混凝土表面首先出现大量微小裂缝，随后界面两端发生剥离; ②受表面下骨料的约束作用，新混凝土表面拉应力呈现“驼峰”分布。开裂后表面被划分为多个收缩区，收缩区边界受拉应力，内部受压应力；③界面的拉伸和剪切应力由两侧开始增加，并且随着界面剥离的增加不断内移。在界面内部未剥离区域内存在由界面附近骨料约束导致的局部压应力和剪切应力增大。     

受油机扰动特性的建模与仿真

针对紧密编队飞行过程中产生的尾涡流场对空中加油机产生扰动影响的问题,建立了受油机扰动运动模型。将风扰动主要分解为大气紊流和加油机尾涡,分别建立工程化的Dryden大气紊流模型和尾涡模型,将叠加的2个扰动加入到受油机的非线性刚体运动方程中,并对受油机扰动运动进行仿真分析。仿真结果表明：该叠加的方法能够简单有效地模拟反映复杂的气流扰动,为进一步研究空中加油控制系统提供参考。     

水力旋流器内空气柱直径的研究

探讨了不同排料方式下的水力旋流器的溢流口直径和压力降对空气柱直径的影响，分析了水封式水力旋流器底流背压、溢流背压及系统压力对空气柱直径的影响规律。可作为水力旋流器内空气柱的操作控制及改善水力旋流器工作性能的依据。     

CFD模拟旋风分离器自然旋风长

利用计算流体力学软件Flowizard对不同结构尺寸的旋风分离器气相流场进行数值模拟采用分离器锥体段中心湍动能峰值定位自然旋风长的方法，分析了入口面积、芯管下口直径、下溢口直径和锥体段长度对自然旋风长的影响。拓展了分离器内部流场由多个自然转折旋风串联的概念。通过增加锥体段长度和入口风速来实现旋风串联、多级分离的效果，延长自然旋风长，有益于提高分离效率。     

对太子河流域煤田西部构造的认识

太子河流域煤田西部区（如本溪煤田和红阳煤田）为旋卷构造和伸展构造所控制；受太平洋板块对大陆边缘俯冲和大陆的仰冲先后产生旋扭和拉张形成上述两种构造类型，形成时间为晚侏罗世至早第三纪。     

高层建筑三维非定常风场并行计算的数值模拟

为了分析风洞试验中观测到的高层建筑模型尾流有规律的漩涡脱落现象,基于计算流体动力学软件CFX和消息传递接口(MPI),利用局域网搭建了并行计算平台,实现了单台计算机无法实现的高层建筑三维非定常风场数值计算。采用剪应力模型(SST)进行数值计算,捕获到了高层建筑尾流的漩涡脱落现象,并与风洞试验数据做了比较。结果表明,三维非定常计算获得的高层建筑表面风压变化规律,较之三维定常和二维非定常计算所得的风场,能更真实地反映风场流动情况。     

海洋独立支撑钢管桩的涡振研究

对在水流、波浪力作用下海洋独立支撑结构所产生的涡振进行非线性研究.该研究的目的是通过改变独立支撑结构自振频率来控制结构产生的涡振,以避免结构产生涡振破坏.提出涡振概念;分析独立支撑结构1产生涡振条件、作用荷载、涡振频率以及振动方程的解.结果表明通过改变独立支撑结构EI值或采取一些特殊措施,增加结构的自振频率,来避免其在施工过程中产生的涡振破坏,对实际工程具有重大理论价值.     

基于非线性接触本构的颗粒材料离散元数值模拟

在考虑颗粒间细观非线性接触关系的基础上,基于空隙胞元法,采用颗粒离散元法对二维颗粒体试样进行了平面应变数值模拟。颗粒间接触用广义弹簧单元表示,相邻颗粒接触点的塑性变形用非线性弹簧表示。在准静态、小变形条件下,研究了试样的微观织构变化和宏观力学行为。单个空隙胞元的变形通过周围颗粒的相对运动来计算,将离散系统中的变形与连续体中的相应变形联系起来,应用于颗粒离散元方法中平均应力的计算。文中给出了细观尺度上局部织构(通过空隙数,接触价键,配位数来表征)的变化过程,对比了不同情况下的应力–应变关系曲线,再现了试样的加卸载曲线。结果表明了颗粒介质之间的咬合作用对材料的宏观力学行为有比较明显的影响。     

冲击荷载作用下钢管桩的涡振研究

研究了海洋钢管桩搭设支撑前，在打设力、水流、波浪共同作用下引起的涡振机理。目的是解决海洋钢管桩在浪流、打设力等冲击荷载作用下的破坏问题。提出涡振概念并分析产生涡振破坏的情况；建立钢管桩在冲击荷载作用下涡振合成方程，并对涡振合成方程进行求解。结果表明．通过用非线性方法分析钢管桩的涡振机理、研究钢管桩的振动合成方程及其解，可以有效地减轻结构在动力荷载作用下的反应与损伤、并有效地提高结构的抗振能力和抗灾性能．是抗振减灾积极有效的对策，对工程实际具有重大理论价值。