物理学-纳米与湍流

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本研究通过在2022年至2024年间的六个夜晚使用凯克一号望远镜的HIRES仪器对木卫一(Io)在日食期间的光学极光进行了观测,发现了13种此前未被识别的新极光发射线,使木卫一已知的光学发射线总数增加了两倍。这些新发现的发射线包括O I线(777.4和844.6 nm)、Na I线(818.3和819.5 nm)、[S I]线(458.9和772.5 nm)、S I三重线(922.3 nm)、[O II]线(732.0和733.0 nm)以及[S II]线(406.9、407.6、671.6和673.1 nm)。研究结合2001年卡西尼号飞越任务的成像数据,进一步分析了大气成分的分布及其对观测到的极光亮度的贡献。极光发射模型显示,观测到的557.7、777.4和844.6 nm氧发射线亮度可以通过典型5 eV环状电子对包含O、SO2及SO等电子等价物的大气进行电子撞击激发来解释。SO2发射在日食进入后并未立即减弱,表明发射柱可能局限于较高海拔。推导出的O/SO2混合比通常约为10%,但在某些观测中表现出数量级的变化。此外,木卫一的630.0 nm [O I]亮度并未随等离子体片距离显著变化,表明木卫一处的电子通量变化远超模型预测。本研究为理解木卫一与木星等离子体环的复杂相互作用提供了重要的新数据,并揭示了其大气成分和电子环境的高度动态特性。

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本文报道了使用XRISM/Resolve仪器对星系团Abell 2319核心区域的观测结果,重点分析了其运动学特性。观测显示,星系团内介质(ICM)在核心区域的温度约为8 keV,存在显著的冷锋以及西北方向的高温区域(约11 keV)。在最亮星系(BCG)周围3角分×4角分的区域内,平均气体速度与BCG的速度一致,误差在40 km s^{-1}以内,平均速度弥散为230-250 km s^{-1}。然而,空间分辨光谱分析揭示了有趣的变化。在冷锋东侧边缘观测到高达约230 km s^{-1}的蓝移,该区域具有最低的比熵。冷锋内部南侧区域与BCG的速度差异较小,但其速度弥散增强至400 km s^{-1},表明湍流正在发展。这些特征表明,我们观测到的是具有一定倾角的晃动运动,BCG参与其中,且不同比熵的气体相以各自的速度参与晃动,与模拟结果一致。在当前Resolve观测覆盖的区域内,未发现与子星系团Abell 2319B相关的高红移ICM成分的显著证据。这些结果突显了晃动和湍流在塑造Abell 2319内部结构中的重要作用。未来需要更深入的观测以更好地理解星系团内的混合和湍流过程。

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本文研究了磁约束聚变等离子体中通过漂移波湍流和带状流自调节相互作用所展现的类似捕食者-猎物的循环振荡现象。为了阐明这一现象背后的详细机制和因果关系,作者构建了一个简单的随机捕食者-猎物模型,该模型纳入了内在波动,并从信息论的角度分析了其统计特性。研究首先表明,由于内在噪声的放大,该模型呈现出持续波动的循环振荡,称为准周期(quasi-cycles)。这一结果表明,之前在环形等离子体中观察到的周期性振荡可能并非极限循环,而是准周期,并且这种准周期可能在多种条件下广泛存在。此外,作者进一步证明,带状流的信息会传播到湍流中。这一基于信息论的分析为通过控制带状流来调节湍流提供了理论基础。研究结果不仅深化了对等离子体中复杂动态行为的理解,还为聚变等离子体的稳定性控制提供了潜在的理论支持,具有重要的应用价值。作者通过构建模型和信息论分析,揭示了湍流与带状流之间信息传播的机制,为未来的实验设计和理论研究奠定了基础。

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本文提出了一种纳米梁谐振器设计,集成了光学活性单层,旨在实现高Purcell增强。该谐振器完全由过渡金属二硫化物(TMDC)材料构成,目标是作为高β因子的纳米激光器运行。研究团队开发了一个理论框架,用于建模和优化与原子级薄层发射相关的Purcell增强。该框架基于共振扩展方法,能够对由高Q值共振控制的物理量进行光谱分辨。通过对谐振器的数值优化,研究发现了一种高Q值共振模式,该模式在单层内支持强烈的电场限制,从而最大化模态增益。研究背景聚焦于纳米激光器领域对高效光发射和强光-物质相互作用的需求,而TMDC材料因其独特的二维光学特性成为理想选择。主要方法包括理论建模、数值模拟和优化设计,旨在通过增强Purcell因子来提高发射效率。关键发现表明,优化后的纳米梁谐振器能够在单层内实现显著的电场增强和高Q值共振,为纳米激光器的性能提升提供了重要支持。结论指出,这种全TMDC设计不仅展示了高Purcell增强的可行性,还为基于二维材料的纳米光子器件开辟了新的研究方向,具有潜在的应用价值。

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本文研究了活性物质系统中巨数波动(GNFs)的特性,特别是在具有取向序的干活性物质系统(如振动板上的颗粒集合)中,局部粒子数的标准差ΔN增长速度快于√⟨N⟩,这是其标志性特征。然而,在动量守恒的“湿”活性物质系统(如游泳细菌悬浮液)中,理论上尚未预测到GNFs的存在,尽管实验中已多次观察到此类增强波动。本研究通过数值模拟,首次在三维推力微游体悬浮液中确认了超高斯数波动的出现,这些波动在系统向集体运动转变时显著增强,但仅在细菌持久长度lp = vs/λ(其中vs为细菌游泳速度,λ为翻滚率)足够大时才会发生。关键的是,这些“伪GNFs”与真正的GNFs不同,仅在小于集体运动状态中向列斑块典型尺寸ξ的长度尺度上出现,而ξ又与单游体的持久长度lp成正比。研究结果表明,生物活性物质系统中观察到的密度波动增强实际上是瞬态效应,在介观长度尺度之外会逐渐消失。这提出了一个问题:在流体流动存在的情况下,是否可能存在具有普适性质的“真正”GNFs。本文为理解活性物质中密度波动的本质及其与流体动力学的相互作用提供了重要见解,并对未来理论和实验研究提出了新的挑战。

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端到端优化作为一种强大的数据驱动方法,已成为计算成像系统设计的重要手段。该方法通过反向传播实现光学元件和算法的联合优化,其中可微分光学模拟器用于生成测量数据,而算法则从测量中提取信息。然而,由于计算成本高昂,同时建模光传输中的像差和衍射效应对于复合光学的端到端优化具有挑战性。因此,现有方法大多通过忽略波动光学效应或离轴像差来降低物理精度,这引发了对设计鲁棒性的担忧。本文提出了一种高效的可微分光学模拟器,能够同时建模复合光学中的像差和衍射效应。基于该模拟器,作者在场景重建和分类任务上进行了端到端优化。实验结果表明,光学元件和算法的配置会因是否建模波动光学而呈现显著差异。此外,研究还发现,未考虑波动光学的优化系统在测试中引入波动光学效应时性能会显著下降。这些结果强调了在优化成像系统时准确建模波动光学的重要性,以确保系统在高性能应用中的鲁棒性。作者通过提出的方法展示了波动光学建模对设计更可靠、更高效计算成像系统的关键作用,为未来相关研究提供了重要参考。

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本研究通过实验演示了一种新型的光学优化纳米层膜光帆,成功克服了激光驱动反射式相对论光帆在光学、机械和质量预算方面的严格限制,标志着人类在探索太阳系及深空领域迈出了重要一步。研究背景源于对实现激光驱动光帆的迫切需求,这种技术可大幅提升我们对宇宙的理解,超越现有空间探测器、望远镜及近地物体观测的局限性。研究团队提出并验证了一种具有强韧且灵活的六边形波纹微结构的纳米层膜光帆设计,使用氧化铝和二硫化钼通过可扩展的半导体加工技术制造原型。这些原型展现出极低的面积密度(50%)以及在对应加速至光速五分之一的多普勒频移激光波长范围内的低吸收率(<4%)。此外,研究通过分析反射率、强度和质量限制,表明该光帆设计在最大速度潜力上优于文献中其他光帆设计。实验结果表明,这种纳米层膜光帆在满足所有关键约束条件的同时,显著提升了相对论星际推进的可行性,为星系内探索提供了重要技术基础。总体而言,本研究为实现可行的星际推进技术迈出了关键一步,具有重要的科学与工程意义。

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本文提出了一种名为元非对映异构体(meta-diastereomers)的混合系统,通过将分子手性(≤10纳米)和纳米级手性(>100纳米)相结合,创造出一种新的多尺度手性状态,并展现出独特的光学性质。研究通过静电耦合手性生物分子与对映性硅纳米结构,揭示了不同手性系统如何相互作用,产生反映两种组分手性特征的光学响应,包括线性和圆二色性。这种跨尺度的手性相互作用在手性纳米光子学领域代表了一种概念性突破。更为重要的是,研究利用元非对映异构体探索了一种模型抗体-抗原相互作用,类似于化学中利用分子非对映异构体研究手性结构的方法。此项工作为无标记、高特异性的生物分子相互作用检测奠定了平台,同时为光学、生物传感和量子技术领域探索多尺度手性开辟了新的研究方向。通过这一研究,作者展示了手性在不同尺度上的协同效应及其在纳米光子学和生物技术中的潜在应用价值,为未来相关领域的发展提供了重要的理论和实验基础。

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本文提出了一种基于3D DNA折纸技术的分子寻址光学纳米电路设计,旨在解决传统光学纳米电路在纳米间隙调控和分子加载精度方面的不足。研究背景源于光学纳米电路的概念,该概念将等离子体纳米粒子(NPs)中的诱导偶极子、欧姆损耗和介电间隙类比为电感(L)、电容(C)和电阻(R),为等离子体簇的光学共振设计提供了前所未有的灵活性。然而,现有实验方法如原子力显微镜尖端纳米操作和电子束光刻在纳米间隙调控和分子加载精度上存在局限,难以满足如等离子体共振能量转移(PRET)等应用的需求。本研究通过理论和实验验证了金(Au)纳米粒子和染料加载的DNA折纸可分别作为电路中的不同元件(R和C耦合的L以及R耦合的C)。为实现大型Au纳米粒子组装成设计的光学纳米电路,研究团队采用了机械性能更强的3D DNA折纸设计,而非传统的2D折纸片。这种平台在组装从二聚体到四聚体的多种结构时,展现了高再现性和精度,能够控制对称性、异质性和纳米间隙的可调性。结合Au纳米粒子的超平滑性和均匀性,本研究实现了基于纳米粒子的光学纳米电路磁共振的最高Q因子(约19.2)。此外,通过在等离子体簇内的指定3D DNA折纸位点选择性加载分子货物,实现了光学纳米电路中光-分子耦合的确定性和可预测性,二聚体簇的PRET信号强度比单体纳米粒子强100倍。这一方法为分子传感、非线性光学和量子光子学等领域定制光学共振的设计开辟了新的可能性。

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螺旋二色性(HD)源于手性等离子体结构与携带轨道角动量(OAM)的左右旋涡光之间的相互作用,因其在基础物理和应用领域的重要意义而备受关注。然而,HD与激发等离子体模式之间的精确关系尚不明确。由于手性结构对OAM光的弱手性光学响应,通常需要尺寸大于入射光波长的手性结构来获得可观测的HD信号,这导致了高阶等离子体模式的复杂叠加。本研究揭示了一种尺寸小于入射光波长的简单扭曲纳米棒二聚体,由于纳米棒中激发的四极等离子体模式之间的强耦合及其随后的等离子体杂化,展现出显著的HD效应。在不同的共振波长处,测量到与两种杂化四极模式对应的正负HD响应,与计算结果高度一致。HD的光谱行为与基于光自旋角动量(SAM)的圆二色性(CD)明显不同,表明四极HD源于OAM而非SAM。这一发现为深入理解涉及角动量的光-物质相互作用奠定了基础。本研究通过简化结构设计和揭示HD的模式依赖性,为手性等离子体结构在光子器件和传感领域的应用提供了新的视角,同时也为探索光与物质在轨道角动量层面的相互作用提供了理论支持。

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本文研究了条纹状无界剪切流中的瞬态增长机制及其在维持近壁湍流中的重要作用。瞬态增长机制包括Orr机制、抬升(lift-up)机制和推移(push-over)机制。已有研究表明,在条纹状(流向无关)基流条件下,Orr和push-over机制的共同作用对于维持湍流波动至关重要,而lift-up机制并非必需。本研究通过Kelvin的无界常数剪切模型,结合跨向周期性条纹,揭示了push-over机制与基于条纹的Orr机制协同作用,显著增强了瞬态增长效应。这一模型阐明了Schoppa和Hussain(2002)首次发现的瞬态增长机制,并指出该机制是Swearingen和Blackwelder(1987)观察到的跨向拐点处线性不稳定机制的一部分。研究发现,单独作用的不稳定性和瞬态增长能够产生正确的非线性反馈,形成流向涡卷(streamwise rolls),进而通过lift-up机制重新激发假设的条纹,形成一个维持循环。因此,本文支持以下观点:尽管lift-up机制被认为是涡卷到条纹再生过程的核心,但Orr和push-over机制在近壁湍流中条纹到涡卷的再生过程中同样至关重要。研究结果为理解近壁湍流的维持机制提供了新的理论支持,并揭示了不同机制之间的复杂相互作用,为湍流控制和预测提供了重要参考。

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本研究探讨了通过在喷嘴内表面添加圆柱形突片(tabs)来改变湍流喷流的流体力学和声学特性。突片位于喷嘴出口上游一个直径处,旨在促进喷嘴湍流边界层中稳定条纹(streaks)的显著增长,同时以未经修改的光滑喷嘴作为对比基准。研究通过声学测量评估了马赫数在0.4至0.9范围内的喷流噪声,发现突片可将声级降低高达3 dB/St,在整体声压级(OASPL)方面,在20度至90度的所有测量极角范围内均观察到高达3 dB的降低。实验采用时间分辨粒子图像测速(TR-PIV)技术,在马赫数为0.7时测量了一系列横流平面的三维速度分量。通过Floquet基傅里叶分解处理方位周期性流场,并利用谱正交分解(SPOD)提取相干结构。结果表明,与无突片喷嘴相比,突片增强了条纹结构,同时抑制了Kelvin-Helmholtz(K-H)波包的形成。研究进一步采用基于单向Navier-Stokes方程(OWNS)的线性模型,探索了放大机制及其受突片影响的方式。模型重现了数据中观察到的增长-衰减机制,表明条纹引发的平均流场变化有助于减少与线性空间增长机制相关的噪声生成相干结构的放大效应。本研究揭示了突片在喷流噪声控制中的潜力,为航空发动机噪声降低提供了新的设计思路。

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扫掠射流因其固有的非稳态特性及覆盖大面积表面的能力,越来越多地被应用于热管理和流动控制领域。本研究聚焦于冲击扫掠射流的非稳态热传递和流动结构,特别关注雷诺数(Re)和喷嘴到板面间距(L/D)的影响。研究采用了一种综合诊断方法,结合非同步高速红外热成像和二维粒子图像测速技术,独立测量了壁面热流分布和流场动态。时间平均努塞尔数(Nusselt number)分布图显示,随着喷嘴到板面距离的增加,热足迹逐渐变宽,同时峰值热传递强度降低。相比之下,波动分量呈现出双瓣结构,且在较高雷诺数下更为明显。速度测量结果证实了分叉射流核心和剪切驱动非稳态的存在,波动速度分量和雷诺剪应力在空间上与增强的热传递波动区域相关。通过速度和热传递波动之间的直接空间比较,发现壁面法向速度非稳态在低喷嘴到板面距离时主导热响应,而在较大间距时,流向波动变得愈加重要。最后,研究将全场热传递数据嵌入到一个降阶参数空间中,复杂系统行为被有效表示为由雷诺数和L/D主导的低维流形。基于此流形,构建了一个高效的代理模型,能够预测参数空间内未测试的Re和L/D组合的平均和波动努塞尔数分布图,为热传递增强设备的初步尺寸设计提供了工具。本研究为扫掠射流在热管理中的应用提供了重要的理论和实践依据。

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本文受到已实现波动率时间序列联合行为实证证据的启发,提出了一种利用多元分数Ornstein-Uhlenbeck过程来建模对数波动率联合动态的方法。该模型是Gatheral、Jaisson和Rosenbaum在《量化金融》(2018)中提出的粗糙分数随机波动率模型的多元扩展版本,允许不同边际分量具有不同的Hurst指数,并考虑了非平凡的相互依赖性。作者讨论了该模型的主要特征,并提出了一种广义矩估计方法(Generalised Method of Moments)来联合识别模型参数,同时推导了估计量的渐近理论。通过模拟研究,验证了渐近理论在有限样本中的适用性。此外,作者对牛津-曼已实现库中涵盖近二十年时间跨度的所有已实现波动率时间序列进行了广泛的实证研究。分析表明,这些时间序列之间存在强相关性,并且其经验互协方差函数中存在不对称性,而本文提出的模型能够准确捕捉这些不对称性。这些不对称性导致了溢出效应,作者在模型内进行了理论推导,并基于模型参数的实证估计进行了计算。此外,与现有文献一致,作者观察到接近非平稳性和粗糙轨迹的行为。本研究为理解和预测金融市场波动率的复杂动态提供了新的工具和视角,对量化金融领域具有重要意义。

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本文研究了卫星量子密钥分发(QKD)在全球安全通信中的潜力,重点分析了大气湍流对地-星QKD链路性能的影响。研究背景在于,卫星QKD被认为是实现无与伦比安全性的全球通信的关键技术,但大气湍流和吸收损耗显著降低了链路效率。本文提出了一种数值模拟框架,采用角谱传播方法、Hufnagel-Valley湍流模型以及Von Karman相位屏,综合考虑了大气中O2、CO2和H2O等成分对光束的吸收引起的静态损耗。模拟过程通过逐步传播高斯光束,结合基于标准Cn2剖面的相位屏引入相位畸变,同时考虑了闪烁和光束漂移等损耗因素。此外,研究还模拟了带有诱骗态的BB84协议以增强安全性。结果量化了不同距离下的链路预算和安全密钥率,评估了自由空间光学QKD链路在不同距离下的可行性。研究发现,大气湍流对长距离链路的影响显著,但通过优化协议和模型参数可以在一定程度上缓解损耗。这为未来卫星QKD系统的设计和部署提供了重要的理论依据和实践指导,特别是在全球安全通信网络构建中的应用前景。

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本研究探讨了磁性微型纳米结构在当前及未来微波技术中的潜力,特别是在GHz频率范围内的磁化动力学特性。论文提出了一种新颖的六边形纳米磁体结构,并通过微磁模拟方法研究其静态和动态磁性特性。研究中采用了一种简单的场初始化方法,用于分析每个样本中的两种不同磁剩余状态。通过施加纳秒宽度的磁脉冲场,可以调节对应于不同剩余状态的独特磁化动力学参数。研究发现,无论是单层还是多层纳米磁体,在两种不同的磁剩余状态之间,亚GHz和GHz频率区域内均存在显著的频率偏移。这种频率偏移表明,通过操控磁剩余状态,可以实现微波特性的可重构性,为无偏置条件下的微波器件设计提供了新的可能性。研究结果对开发新型磁性纳米结构在微波技术中的应用具有重要意义,尤其是在需要高频响应和可调性的场景中。论文进一步讨论了多层结构相较于单层结构在频率调制范围和稳定性方面的优势,指出多层设计可能在实际应用中具有更高的灵活性和性能。此外,本研究还为未来的实验验证和器件优化提供了理论基础,强调了磁化动力学参数与结构设计之间的密切关系。

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本文研究了二元非混溶均匀玻色-爱因斯坦凝聚体中的三种不稳定性,实验对象为二维圆形盒中受限的铷同位素^{85}Rb和^{87}Rb。研究聚焦于Rayleigh-Taylor (RT) 和 Kelvin-Helmholtz (KH) 两种不稳定性类型,在强扰动下的表现。此外,在无外部扰动的情况下,通过非混溶到混溶猝灭转变 (IMQT) 探查了不稳定性,采用两种不同的初始配置。数值模拟结果表明,所有这些不稳定动态均以大量涡旋生成和声波(声子)传播为主导。在长期传播中,KH不稳定性中涡旋动态逐渐占据主导地位,而在其他情况下,声波激发则更为显著。在所有动态模拟中,研究了可压缩和不可压缩部分的动能谱随波数k可能出现的标度律,并将其与经典Kolmogorov湍流标度律k^{-5/3}和k^{-3}进行了比较。结果显示,在某些特定时间间隔内,动能谱中观察到了经典湍流标度律。然而,在IMQT谱中,偏离经典标度律的现象被发现,表现为一种“瓶颈效应”。本文通过数值模拟揭示了二元玻色-爱因斯坦凝聚体中复杂的不稳定性和湍流特性,为理解量子流体中的动力学行为提供了重要见解。研究结果对量子湍流和非线性物理领域具有一定的理论意义,同时也为未来的实验研究提供了参考。

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本文研究了磁剪切对聚变装置边界中等离子体气球驱动湍流的影响,通过非线性仿真以及线性和解析研究相结合的方法进行分析。研究采用GBS代码进行了非线性、三维、全球性、流量驱动的仿真,结果表明,在高磁剪切条件下,湍流涡流的径向(x)和极向(y)尺度分离显著,即kx << ky,这一结果与Ricci等人(2008年)的研究一致,并被广泛用于预测压力梯度长度、SOL宽度、粒子和热通量。然而,在低磁剪切条件下,kx ~ ky,湍流波动特性与Coelho等人(2024a)近期报道的低剪切星形器仿真结果相似。全球线性研究定性地捕捉了气球模式随磁剪切变化的模式结构转变,表明通过增强磁剪切、电阻率、环向模式数和平衡梯度尺度长度,可以增强极向模式耦合,从而实现kx << ky。进一步的解析研究通过考虑主导极向模式及其边带,强调了极向模式结构由曲率和平行波数效应决定。本研究揭示了磁剪切在调控等离子体边界湍流特性中的关键作用,为聚变装置边界物理的理解和优化提供了重要理论依据。

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本研究聚焦于 EuPRAXIA@SPARC_LAB 设施的 AQUA 束线,这是一条设计用于在水窗范围内(3-4 纳米波长)运行的自放大自发辐射(SASE)自由电子激光(FEL)系统。驱动该光源的电子束通过一个 X 波段常导线性加速器加速至约 1-1.2 GeV,随后进入等离子体尾波场加速阶段。主要辐射器由十个 APPLE-X 永磁波动器模块组成,每个模块长 2 米,周期长度为 18 毫米。研究对波动器入口处的电阻壁尾波场和注入对准误差进行了容差分析,并评估了这些因素对激光产率性能的影响。结果表明,电阻壁尾波场可能导致电子束能量损失和轨迹偏移,从而降低 FEL 的增益和输出功率;而注入对准误差则可能引发束流不稳定性,影响辐射的相干性和光束质量。通过数值模拟和理论分析,研究探讨了这些效应的具体机制,并提出了优化设计和误差校正的潜在策略。结论指出,通过改进束流控制和波动器设计,可以有效缓解上述影响,提升 AQUA 束线的 FEL 性能。这项研究为未来高性能 FEL 设施的设计和运行提供了重要参考,尤其是在短波长范围内的应用前景具有重要意义。

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本文研究了风洞湍流对扰动的线性响应,采用主动网格生成湍流并施加扰动,旨在验证Kraichnan的线性响应理论结果,即响应函数R(k, τ_d) = exp(-k^2 τ_d^2 u^2),该理论预测响应随湍流强度u、扰动波数k以及扰动施加后的延迟时间τ_d的增加而衰减。实验中采用了两种不同的扰动机制。第一种方法是将湍流生成与附加随机扰动结合在同一主动网格中,实验结果显示响应随延迟时间τ_d增加而衰减,但衰减速度远低于理论预测,且衰减几乎与湍流强度无关。第二种方法是利用扬声器驱动的合成射流对主动网格生成的湍流施加单一波数k的扰动,扰动波数位于惯性范围内。结果表明,响应随延迟时间τ_d增加而衰减,且对于较大的波数k衰减速度更快,这与Kraichnan模型的预测大致一致。然而,与第一种方法类似,衰减速率依然与湍流强度无关。研究发现,虽然Kraichnan模型在波数和延迟时间对响应的影响方面具有一定的预测能力,但其对湍流强度的依赖性预测与实验结果不符。这表明湍流响应的复杂性可能需要更全面的理论模型来解释,特别是在湍流强度对响应衰减的影响机制方面。本研究为湍流线性响应理论的进一步发展和验证提供了重要的实验数据和参考。