第五节 布朗运动

2025 年华数杯全国大学生数学建模竞赛题目 (请先阅读“华数杯数学建模竞赛论文格式规范与提交说明”) A 题 多孔膜光反射性能的优化与控制 近年来,随着全球气候变暖问题日益严峻,辐射降温技术受到广泛关注。本 题的研究对象是通过溶剂模板辅助的蒸发诱导相分离法(EIPS)制备的醋酸纤维 素多孔膜,该材料具有良好的太阳光反射性能,是一种极具应用前景的辐射降温 材料。然而,当前该类多孔膜存在微观结构调控不精确、其与光学性能及制备条 件的关联机制不明等问题,这亟待我们深入研究。 多孔膜的光反射性能由平均反射率表示,而反射率与孔面积占比高度相关, 孔面积占比即 SEM 图像(电子扫描显微镜(SEM)拍摄样品图像)中孔的总面积 与图像涵盖的总面积之比。因此孔面积占比是研究多孔膜光反射性能的关键变量, 通过调控孔面积占比可实现对多孔膜光反射性能的优化。 附件 1 详细描述了该多孔膜的制备过程,涉及温度、湿度、固含量三个制备 条件,具体包括五个核心环节:DMF 的蒸发速度调控、环丁砜与纤维素因溶解度 变化产生的析出、环丁砜小液滴的布朗运动、小液滴碰撞形成大液滴,以及大液 滴通过吸收小液滴进一步增大。这五个环节分别对应五类数学模型:蒸发速度环 节采用动力学模型,环丁砜与纤维素的析出环节采用质量平衡数学模型,环丁砜 小液滴的布朗运动环节采用粒子扩散动力学模型,环丁砜大液滴的形成及增大环 节均采用粒子碰撞动力学模型。对于模型参数,例如环丁砜和醋酸纤维素的析出 模型中,参数有环丁砜在 DMF 中的溶解度、醋酸纤维素在 DMF 中的溶解度等。 请你查阅相关文献,建立数学模型,回答下列问题: 问题一:附件 1 中给出了多孔膜的制备过程。请结合多孔膜的制备过程,从制备 材料的蒸发、环丁砜与醋酸纤维素的析出、环丁砜小液滴的布朗运动、大液滴的 形成及增大这五个步骤出发,通过机理分析推导描述多孔膜孔面积占比的理论模 型。明确模型中各参数的物理意义,并说明建模过程中对复杂物理现象的简化假 设及其合理性。 问题二:结合附件 2 数据,求解问题一建立的理论模型的未知参数,构建出完整 的应用模型,并检验模型的合理性。 问题三:在问题二应用模型的基础上,想要获得最优多孔膜的孔面积占比,应当 如何制定实验室的制备条件? 问题四:在实际科研中,建立机理模型之前,需要进行影响因素分析。请根据附 件 2 中的数据,对多孔膜的孔面积占比做影响因素分析,如果模型有变化,重新 建立机理模型,重做问题三,并将结果与问题三进行比较。 具体讲讲使用非线性最小二乘法(如Levenberg-Marquardt算法)进行拟合求解问题二的实现步骤,要求结合数学原理和数学公式
08-26
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