原位成形光学微透镜曲面形状的计算

研究原位成形光学微透镜工艺的流体力学机理,建立光学胶滴的表面方程组,它反映了当胶滴在表面张力作用下铺展后,表面上任一点的各坐标间关系.给出求解该方程组的数值计算方法,对不同体积、接触角和特征长度等胶滴性能参数,计算胶滴的表面形状参数,并画出胶滴表面的形状曲线和曲率半径曲线.结果表明:接触角与特征长度减小,则铺展半径增大、厚度减小,表面非球面性变强;在胶滴中掺入适量纳米石英粉末,既可增强透镜强度,又可减小特征长度和接触角;打磨玻璃表面使之粗糙化,既可增加透镜与玻璃间的黏接强度,又可减小接触角.     

干式空心并联电抗器投入瞬态电动力研究

为探究干式空心并联电抗器投入瞬态电动力对绝缘的破坏性,以一台BKDK-20000/35大型电抗器为例,利用ANSYS场-路耦合有限元分析方法,对该电抗器的投入瞬态电动力进行了数值解析,对瞬态电动力破坏绝缘的可能性进行了讨论.研究结果表明,投入瞬态过电流会产生强瞬态电动力,瞬态电动力的分布极不均匀.轴向电动力关于中心高度对称,距中心高度处越远,轴向电动力越大;辐向电动力指向磁力线圆心所在线圈,距该线圈越远,辐向电动力越大.轴向瞬态电动力对绝缘破坏性小,幅向瞬态电动力对绝缘有一定的破坏性.线圈与包封绝缘间脱层是瞬态电动力造成绝缘开裂的原因.     

多孔介质电渗泵的数值仿真与性能分析

电渗驱动微泵是一种新型的电动力式微泵,其输出压强高,流量可调范围宽,可用于微通道冷却系统中。建立了多孔介质电渗泵电渗流的数学模型,并对其性能进行了分析。根据双电层模型与电渗泵的控制方程,得出电渗流的近似解析模型,求出最大流率与压力。利用MEMS数值仿真软件CoventorWare对电渗泵模型进行求解分析,得到电渗泵流场和压力场的分布;对其特性进行分析,研究电场强度、溶液浓度和微流道孔径及其流道长度对电渗泵性能的影响。结果表明,在电渗驱动下,微流道中的流体流动速度与电场强度及微流道表面静电势成正比;流体速度与微通道长度成反比,与孔径无关。     

变焦系统径向偏移对像点的影响分析

针对变焦距系统在变焦过程中由于变焦组的径向偏移误差导致像面径向偏移的问题,利用ZEMAX光学设计软件中的坐标断点功能,模拟了变焦镜头在进行变焦过程中变焦组存在径向偏移误差时像面的径向偏移.结果表明:变焦系统像面径向跳动量与变焦系统变焦组径向偏移误差成正比,与变焦系统焦距成正比.变焦组径向偏移小于0.03mm,对系统成像质量影响较小;变焦组径向偏移0.05mm,系统调制传递函数(MTF)值低于0.3,系统像差值变大.     

基于CFD方法的无限大平板热扩散数值模拟

传统CFD方法在求解不可压缩流动Navier⁃Stokes方程时,压力方程具有椭圆形,无法推进求解,收敛性较差,因此传统CFD方法具有一定的局限性。对此研究格子玻尔兹曼方法与传统CFD方法的计算效率与准确性,以恒温边界的平板热扩散问题为例,分别运用有限元体积法、有限差分法及格子玻尔兹曼方法对平板间的温度场进行求解,通过对比求解结果及归一化迭代步数,明确格子玻尔兹曼方法计算的可行性、准确性与高效性。结果表明,相同物理模型条件下,格子玻尔兹曼方法和有限差分法的求解准确性要略优于有限元体积法;格子玻尔兹曼方法的求解速度最快,迭代步数最少,有限差分法、有限元体积法求解速度最慢。     

固体激光器中热焦距的数值计算及测量

热效应是限制固体激光器件整体性能提高的关键因素,为深入研究热效应,给热效应的改善提供理论依据,文中对激光二极管端面泵浦固体激光系统的热传导方程进行了数值求解,并对热焦距进行了数值模拟.实验上通过"平面平行谐振腔"测热焦距法对固体激光器的热焦距进行了实际测量.数值模拟结果和实验测量结果均表明热焦距和泵浦功率呈反比例关系,且两者相符合.     

多模光纤耦合LD输出光束的空间耦合技术

为了研究多模光纤耦合LD输出光束通过空间耦合后的光场分布,分析了多模光纤输出端面的光场分布,用光学ABCD矩阵讨论了多模光束通过光学系统的变换特性.并实验测量了通过薄透镜耦合后的光束分布参数,测量结果在束腰附近与计算结果相当吻合;对不同薄透镜的数值计算发现,增加入射光束到透镜的距离,或者使用短焦距的透镜,都能起到压缩光斑尺寸的目的.对于空间耦合泵浦固体激光器的光纤耦合LD的输出光束,使用短焦距的透镜要优于使用长焦距的透镜.     

注入流体诱导应力场模拟计算

对油气井压裂改造时,向井眼内注入大量流体,井筒周围应力场重新分布,主要通过积分形式求解,过程繁杂,且对应力场的影响因素分析较少.利用拉氏变换,以流固耦合控制方程和应力平衡方程等为基础,结合注入流体诱导应力场的积分形式解,在定压条件下推导内、外边界拉氏变换解;利用Stephfest拉氏数值反演方法对变换解进行数值求解.数值模拟结果表明,切向应力场在最小水平主应力方向上变化较大,距离井壁越近,注入流体诱导的切向应力场值越大,随着距离增加,其值变小;在一定条件下(如地应力差较小),切向应力场发生反转,使得压裂裂缝转向.切向应力场与注入时间、流体黏度和地层渗透率等因素有关:延长注入时间、增加注入体积、较低的液体黏度和较高地层渗透率有利于使切向应力场增加,诱导切向应力场发生反转,有利于人工裂缝转向.     

静电驱动MEMS扭转微镜系统的分岔与吸合

建立了静电驱动的双下极板MEMS扭转微镜系统的动力学模型方程,通过其状态空间方程的数值解,在相空间对静态及动态的分岔现象、吸合特性进行分析,并利用哈密顿函数法在阻尼为零时与相空间分析结果进行了对比验证.研究表明,双下极板扭转微镜系统中观察到的鞍结分岔、叉式分岔与系统的吸合失稳之间有明显的对应关系;在对系统动态特性分析的过程中,随阻尼变化观察到动态霍夫分岔;微镜系统动态吸合电压总小于静态吸合电压,且随阻尼、电压比升高;动态吸合电压随阻尼增大并最终接近饱和,饱和值为静态吸合电压;在相同的驱动电压下,最大偏转角随阻尼的升高而降低.研究方法和结论对静电驱动的扭转微镜系统的分析有借鉴作用.     

考虑卡西米尔力的微纳镜扭转弯曲耦合模型

为了研究卡西米尔力对静电驱动微纳镜的影响,文章建立了考虑卡西米尔力的微纳镜扭转弯曲耦合模型的归一化参数方程.通过数值解分析了归一化参数之间的关系,并与纯扭转模型进行对比.结果表明:忽略悬臂梁的弯曲变形,会导致微纳镜的吸合参数的值比实际值大,造成较大的误差;卡西米尔力的存在能够明显的减小微纳镜的归一化吸合角、归一化吸合电压和归一化吸合垂直位移;卡西米尔力对微纳镜归一化吸合参数的影响还与卡西米尔力影响因子有关,影响因子越大对吸合参数的影响越明显;若驱动电压为零,卡西米尔力的存在可能会导致微纳镜发生吸合.研究方法和结论为扭转微纳镜的设计和应用提供指导.     

用于多光谱辐射测温的VNIR波段变焦镜头设计

采用多光谱辐射测温法对火工品燃烧温度进行检测时,要求热辐射系统同时能够成像,针对此要求对系统进行了设计。从测量参数约束出发,对变焦镜头主要参数、变焦方程以及各组元的基本参数进行了计算。依据变焦原理与变焦方程编写MATLAB分析程序,以正切差、视场角、系统总长为约束条件,综合考虑光焦度分配,以寻求最佳的结构参数,设计的变焦镜头可实现400~1700nm波段图像信号的传输。最后采用ZEMAX软件,分别在可见光和近红外波段进行优化设计和像质分析。可见光波段在满足视场要求的情况下,其各点传递函数均不小于0.5@100lp/mm,满足移动精度的要求。     

用晶格波尔兹曼方法研究表面毛糙对表面疏水性的影响

将固体表面近似为具有简单的周期性矩形毛糙结构的表面,通过建立两相流的晶格玻尔兹曼模型研究液滴在固体表面接触角的变化,探讨微结构对固体材料表面疏水性能的影响,为仿生超疏水表面的制备提供思路.     

广角高清细径视频鼻镜光学系统设计

为了满足现代医疗内窥镜对广角、细口径及高清像质的需求,设计了一款广角高清细径视频鼻镜镜头,该镜头由前物镜组、后物镜组及转像棒镜、场镜组成。该镜头使用了三片场镜,对系统的场曲及畸变进行补偿,同时也减小了光学系统的横向尺寸。系统采用的均是球面透镜,可以降低成本。该镜头设计参数:入瞳直径0.1mm,全视场角为100°,镜头外径为2mm,物镜焦距1.145mm。优化设计结果显示:优化后的系统总长为239mm,在空间截止频率116lp/mm处,光学传递函数(MTF)大于0.4,接近衍射极限,满足分辨率要求。     

酸性环境下砂岩腐蚀的渗流特性

为拓展酸性介质与砂岩之间的细观特性研究,基于数字岩心模型和格子Boltzmann方程,开展砂岩受酸腐蚀过程的加速模拟试验,分析不同酸性环境下受酸腐蚀砂岩的渗流特性。通过CT扫描设备探究受酸腐蚀砂岩内部矿物组成的结构变化;利用Image J和Avizo可视化图像处理软件建立了受酸腐蚀砂岩的数字岩心,结合格子Boltzmann方程构建出砂岩受酸腐蚀过程中的渗流模型,分析砂岩受酸腐蚀过程中内部孔隙结构和渗流特性的变化规律。研究结果表明：CT扫描试验可展示砂岩内部的矿物组成及孔隙分布,反映酸性溶液对砂岩的腐蚀程度;渗透深度随孔隙率的增大而增大,变化速率先快后慢,最后趋于稳定,说明基于Boltzmann方程构建的渗流模型对模拟砂岩受酸腐蚀过程具有较好的适用性。     

用格子Boltzmann方法研究二维Burgers方程

给出了一个求解二维Burgers方程的格子Boltzmann方法.分析了相应格式的单调性和稳定性,得到了格式的单调性条件,并证明了在此条件下,格式是L∞稳定的.研究表明,通过引入适当形式的平衡分布函数,采用简单的5速正方格子模型可以恢复宏观Burgers方程.通过与标准二阶精度的有限差分解的比较,证明了本文的格子Boltzmann方法(LBM)是简单而有效的.     

模拟颗粒布朗运动的格子Boltzmann模型

通过在格子Boltzmann方法的迭代格式中附加描述分子热运动涨落的分布函数,建立了描述颗粒布朗运动的涨落格子Boltzmann模型,给出了分布函数满足的条件以及在D2Q9格子模型下的具体表达形式.通过Chapman Enskog展开推导,得到了考虑分子热运动涨落的宏观流体动力学方程.在此基础上,对单颗粒在流场中的布朗运动进行了数值模拟,得到了颗粒运动的均方速度及速度、角速度时间自相关函数.结果表明,均方速度满足能量均分定理,说明颗粒最终达到热平衡;颗粒速度、角速度时间自相关函数符合理论预测的t-1、t-2衰减规律.数值结果证明了所建立模型的正确性,为采用格子Boltzmann方法模拟颗粒的布朗运动提供了有效的方法.     

Design & Reality of CAD/CAM in Laser Beam Scanning Manufacturing System

In laser beam scanning manufacturing (LSM) system the PLT file was adopted as design file. The data of design file were processed by CAD software programmed. And the control model was adopted DEA control model. The DEA model was concerned with not only the distance of the two swaying mirrors, the distance between the swaying mirror and convex lens, the mirror swaying angle and the lens focal length but also the lens central height, the lens convex radius and the medium refractive index. It improved the precision and reduced the error in LBM system. The application of CAD/CAM system in LSM improved the LSM manufacturing velocity and manufacturing quality.     

1300万像素折衍混合式手机镜头设计

设计了两款高像素的折衍混合式手机镜头。两款镜头F数均为2.2,都将第一片透镜的后表面作为衍射面,第一种结构采用正-负-正的三片式,光阑位于第一片透镜和第二片透镜之间,全视场60°,焦距为5mm,系统总长5.8mm,优化后在223lp/mm处所有视场MTF值均大于0.4,在446lp/mm处所有视场MTF值均大于0.19,相对畸变小于2%,第二种结构为四片式,光阑前置,全视场70°,焦距4.2mm,系统总长6.7mm,优化后在223lp/mm处0.7视场内MTF值均大于0.36,在446lp/mm处0.7视场内MTF值接近于0.2,相对畸变小于1%,三片式镜头系统总长小,MTF曲线也更高,但四片式镜头有较大的视场角且场曲畸变更小,两者各有优势。     

长脉冲泵浦的Nd:YAG激光棒中热效应的测量

报道了一种长脉冲泵浦条件下Nd:YAG激光棒热透镜焦距和温度梯度导致的光走离角测量方法。该方法通过高速相机以5 khz的拍摄频率获取TEM00模He-Ne激光的光斑尺寸和位移变化,运用光学矩阵、q参数和ABCD法则,计算得到了动态热透镜焦距和光走离角。经多组测量发现:热透镜在泵浦期间表现为负透镜,泵浦强度越强焦距越短;在这些测量中出现的最短焦距约为-0.33 m;光走离的变化和热透镜焦距的变化几乎同步;光走离的方向限制在一个特定的子午面内;走离角随泵浦增强而增大,最大走离角同样出现在泵浦结束后,大约为3 mrad。