密度泛函理论(density functional theory,DFT)的标准计算方案虽具有普适性,但因其代码实现存在差异,实际计算时通常需要手动调试参数,而高通量计算则采用预设流程进行参数设置.本工作以带隙为关键性质,揭示计算流程差异对高通量计算结果可重复性的影响.研究表明,满足可重复性基本要求的计算策略是应使用DFT计算优化结构而非实验结构,同时需要保证布里渊区积分网格精度.本研究为DFT计算的可重现性和结果可靠应用奠定了基础,对方法开发和人工智能模型训练均具有重要意义.

全面介绍了稀土镍酸盐的基本结构和性质,深入总结了其金属绝缘相变(metal-insulator transition,MIT)特性,归纳了外延应变、薄膜厚度和化学掺杂对MIT过程的调控,并对镍酸盐氢致相变研究进行了探讨,为理解和调控MIT提供了系统性的参考.综述了镍酸盐的超导性,包括对这一体系中超导性的挖掘和探索,以及最新发现的La₃Ni₂O₇超导体的研究进展.通过对镍基超导的研究总结,不仅有助于加速新型超导材料的探索,还为揭示高温超导机理提供了重要的研究价值.

能带带隙是半导体材料重要性质之一,已有研究表明温度诱导的结构振动对材料带隙具有显著影响.采用第一性原理计算了热电材料PbTe在有限温度下的能带,考察了电声耦合重整化(electron-phonon renormalization,EPR)和自旋轨道耦合(spin-orbit coupling,SOC)效应对带隙温度依赖性的影响.研究结果表明:EPR效应导致PbTe带隙随温度升高而变化;SOC的引入使得带隙变化趋势发生反转(未考虑SOC,温度从0 K升至750 K,带隙减小88 meV;考虑SOC,带隙则增大144 meV);零点振动对带隙变化的贡献较小.因此,EPR效应和SOC效应对PbTe带隙有重要影响,不可忽略.该成果为理解PbTe带隙温度依赖性提供了理论依据,对其热电性能优化具有指导意义.

以二维半导体二碲化钼(molybdenum ditelluride,MoTe₂)的载流子极性调控及其在可重构电子器件中的应用为研究目标,构建了一种基于氧化钽(tantalum oxide,TaO_x)/MoTe₂/六方氮化硼(hexagonal boron nitride,h-BN)异质结的双栅场效应晶体管(fleld-efiect transistor,FET).利用栅极电场作用下TaO_x/MoTe₂界面电荷的捕获/脱捕效应,实现了对双极性半导体MoTe₂载流子极性的调控.研究结果表明:通过调节控制栅极(control gate,CG)脉冲电压的极性与幅值,能够实现MoTe₂不同极性之间的可逆切换.负脉冲电压可以使MoTe₂的p型减弱,n型增强;而正向脉冲电压可使其p型增强,n型减弱.值得注意的是,这种调控效果会随着电压幅值的增大而显著增强.基于此方法,通过将两个串联的MoTe₂晶体管分别编程为n型和p型,实现了逻辑反相器功能.提出的利用界面电荷捕获效应实现二维半导体极性重构的方案,为功能可重构电子器件的实现提供了新思路.

采用自制纳米流体SNF-SL,开展了系列原位渗吸成像实验,研究了特低渗岩心纳米流体的渗吸效果和排油成像特征.基于纳米流体对岩心润湿性、油水界面张力与黏度等因素的影响,分析了纳米流体对渗吸动力与阻力的协同作用,阐述了纳米强化渗吸的力学机制.结果显示:特低渗裂缝岩心中纳米流体的渗吸采收率比重水高2.63%和5.75%;质量百分比为0.15%和0.3%的纳米流体可使油水界面张力下降59%和65%,岩心表面接触角由73.8-降低至9.5-和6.6-,降粘率达39%和48%,从而使渗吸毛管力提高了24%和44.6%,原油粘附功下降了99.2%和99.7%,内摩擦阻力下降了39%和48%.结果表明:竖直裂缝的渗吸效果最好,水平裂缝次之,且均高于基质岩心的采收率,原因是裂缝增加了纳米流体与岩心的作用面积,缩短了横向渗吸排油距离,同时竖直缝基于重力分异作用加快了排油速度;纳米流体的质量百分比或温度越高,渗吸排油效率也就越高,原因是纳米流体通过对岩心和原油的双重作用,产生了提高渗吸动力,减小内外摩擦阻力的协同效应,提升了渗吸排油效果,体现了纳米流体强化渗吸的力学机制.

建立了串列叶片模型,基于大涡模拟(large eddy simulation,LES)耦合FfowcsWilliams and Hawkings (FW-H)方程对其气动及声学特性进行了研究,并对叶片间距变化带来的噪声响应展开了分析.结果表明:①亚声速中等雷诺数(Ma=0:21,Re=7×10⁵)下的串列叶片,其噪声主要来源于下游叶片且表现为宽频特性;②受叶尖下洗和叶根上洗流的影响,串列叶片相互作用产生的噪声源主要汇聚于叶片中段;③随着叶片间距增大,上游叶片尾迹发展更充分且与下游叶片作用时间间隔增大,导致串列叶片总声压级(sound pressure level,SPL)增大,声能量向低频转移.

采用直接数值模拟方法,研究了稳定温度分层条件下均匀剪切湍流(homogeneous shear turbulence,HST)中的热量逆输运特性;采用聚类连通方法深入研究了热量逆梯度输运结构的统计特性,包括其几何特征和空间分布.流场雷诺数设定为Re_x=5 000,理查森数Ri分别取值为0、0.1、0.2.模拟结果揭示了稳定温度分层对湍流结构的显著影响:引入温度分层后,逆梯度输运区域显著增多,且相关结构在流向方向上的尺寸被拉长.此外,稳定分层还导致结构与流向之间的倾斜角度减小.在垂向方向上,\上抛"与\下扫"热通量呈现沿对角线的成对分布特征,且随着分层强度的增大,\下扫"结构更倾向于出现在\上抛"结构的下方.该研究加深了对分层剪切湍流中热量逆梯度输运的认识,也有益于探索逆梯度输运现象的物理机制.

颗粒-槽道湍流两相流广泛存在于自然和工程应用中,研究其流动和传热特性至关重要.研究竖直槽道湍流中辐射加热颗粒的粒径分散性对颗粒分布形态的影响和对流动的调制作用.流体相采用直接数值模拟,颗粒相采用拉格朗日粒子追踪模型,考虑颗粒与流体之间的动量交换和热交换.研究结果表明,多尺度湍流结构对流场中不同粒径颗粒产生了不同的离心效果,使多粒径颗粒聚集在不同位置,导致多粒径颗粒相比单粒径颗粒在流场中的分布更均匀.另一方面,颗粒的空间位置分布影响相间能量交换,使得相比于单粒径热颗粒-湍流两相流,多粒径热颗粒能够促进相间的动能和热交换,提高流体的动能和温度,同时避免流场出现温度极值.

火焰环可以看作是受限空间内与火球具有类似拓扑结构的预混火焰单元.通过数值方法研究窄通道内火焰环的轴对称二维定常解及其随通道高度变化时的响应,考察火焰环在径向和三维小扰动作用下的稳定性.与沿通道高度方向上采用线性近似假设得到的结果进行对比分析,验证了线性近似假设在定性上的合理性和有效性.同时,从定量角度上揭示了火焰环的真实三维结构及其在三维扰动作用下的稳定性,为未来研究和理解火焰环更复杂的三维动力学行为打下了良好基础.

基于3D打印技术和光纤布拉格光栅(fiber Bragg grating,FBG)制备了一种加强肋中内嵌FBG压力传感区的加强肋土工格栅,通过试验验证了压力传感区在土中工作的可靠性.通过室内拉拔试验研究了加强肋格栅在不同加强肋高度、间距和数量下的拉拔界面特性,以及拉拔过程中加强肋侧压力的变化规律,基于刺入剪切破坏理论提出加强肋被动侧压力理论计算公式.结果表明,加强肋可以有效提高土工格栅的抗拉拔特性,土工格栅的极限拉拔力随着加强肋高度和数量的增加而增大,而加强肋间距过小会使极限拉拔力减小;加强肋被动侧压力先随拉拔位移的增加而逐渐增大,达到峰值后趋于稳定,加强肋主动侧压力则先下降后趋于稳定,纵肋上加强肋被动侧压力略小于网格上加强肋;在多加强肋情况下,拉拔方向后侧加强肋被动侧压力会减小,加强肋间距越小,被动侧压力减小幅度越大;加强肋被动侧压力理论计算结果与试验结果基本吻合.所得结果验证了将FBG传感器嵌入土工格栅加强肋监测侧压力的可行性,深化了加强肋土工格栅与填土间相互作用的机制理论.

随着建筑行业对环境可持续性的日益重视,大型建筑基坑支撑结构设计中的碳排放问题已成为一个不容忽视的关键问题.传统设计虽然强调成本效益,但往往缺乏对环境性能的考虑.提出了一种基于建筑信息模型(building information modeling,BIM)的增强约束方法,并将其集成至NSGA-Ⅱ框架,以实现基坑支护结构设计的多目标优化.首先,构建了基坑支护体系的碳排放计算准则,明确了计算的边界条件(涵盖建材的生产、运输、施工、拆除及回收等生命周期阶段);其次,在此基础上提出了一种增强约束方法,将设计规范转化为定量约束条件,并与NSGA-Ⅱ算法相结合,通过BIM平台提取结构信息,提升优化过程的精确性和可操作性;最后,针对2个典型基坑支护案例进行分析,以验证该方法的有效性和适用性.通过对2个基坑支护案例的研究分析可知,与传统设计相比该算法在成本和碳排放方面有明显改善,其设计在成本优化及碳性能优化设计的效率方面分别提高了40.9%和30.1%、25.3%和20.9%,为基坑支护结构设计提供了更加科学有效的优化方法.

开展地下水管破损射流冲蚀土层的室内模型试验,研究了覆土类型、进水压力和供水管径3种影响因素下,土层的冲蚀破坏形态、冲蚀高度和冲蚀速度的发展变化.结果发现:覆土类型会从本质上影响冲蚀破坏形态,砂土层中的塌陷空洞会堆积在冲蚀区顶部,含砾砂层中出现\上细下粗"的土颗粒重排现象,黏土层中的冲蚀空坑能暂时维持稳定;增大进水压力和减小供水管径,本质上都提高了破损口的冲蚀压力,覆层表面由向下塌陷破坏转为上凸小丘破坏.通过试验相似比尺和冲蚀高度曲线,可估算相似工程环境下水管破损射流的冲蚀时间,为城市地下市政供水管网的建设和维护提供参考.

以建筑垃圾砂和工程渣土为细集料制备固废可控低强度材料(controlled low strength material,CLSM),以工程渣土取代率、渣土颗粒/粉料比、水固比和胶骨比为影响因素,研究CLSM流动度、泌水率和无侧限抗压强度,并结合X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)和扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)等微观手段,探究CLSM水化硬化特征.结果表明：随着工程渣土掺量增多,CLSM流动度降低,但可有效控制泌水,且促进早期强度,削弱后期强度;渣土颗粒/粉料比越小,CLSM要达到相同流动度需更多水分,对28 d抗压强度影响较小;水固比影响下,CLSM流动度和28 d强度呈负相关,而胶骨比影响下,两指标则呈正相关;通过微观分析,CLSM水化产物的形成主要源于水泥和矿渣微粉的水化反应,而渣土的离子交换与团粒化作用对水化体系影响有限.在本试验体系中,固废CLSM浆体不仅具有高流动度(>200 mm)、低泌水率的优良工作性能,同时还可满足需二次开挖(<2.1 MPa)的回填工程应用,为低品质建筑固废资源化利用提供新思路.

构造了α∈(0,1)阶Caputo导数的一种数值逼近公式.考虑到Caputo导数在初始时刻的弱奇异性,在非均匀网格的第一个小区间上使用线性插值,其后的每个小区间上使用二次插值,从而推导出非均匀L1-2公式.证明了其截断误差可以达到(3-α)阶精度,并讨论了相应的系数性质.将得到的公式应用到时间分数阶扩散方程的数值求解中,数值实验验证了该公式的有效性和正确性.