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研究综述
卷积神经网络在流场重构研究中的进展
陈皓, 郭明明, 田野, 陈尔达, 邓雪, 乐嘉陵, 李林静
近年来, 随着深度学习在图像处理、语音识别、自动驾驶、自然语言处理等领域迅速发展, 该技术也被越来越广泛地应用于处理具有复杂非线性、高维度、大数据量等特点的流体力学方向. 传统的方法无法有效地处理这些庞大的数据, 深度学习因其具有强大的函数拟合能力, 可以从大量的数据中挖掘有用的信息. 当前, 流体力学深度学习技术有了初步的一些研究成果, 在流动信息特征提取、多源数据信息融合及流场的智能重构等方面具有重要的工程价值, 其应用潜力逐渐得到证实. 如何利用地面风洞试验、数值模拟及飞行试验获取的数据进行深入挖掘, 快速智能感知及重构流场, 可为主动流动控制提供重要指导. 本文主要从深度学习不同类型的网络结构出发探讨了卷积神经网络在流场重构中的研究进展, 文章首先介绍卷积神经网络的一些基本概念以及基本网络结构, 之后简要介绍流场超分辨率重构网络、端到端的映射网络、长短期记忆网络的基本结构与理论, 并详细归纳出他们的改进形式在流场重构领域的一系列研究进展与成果, 最后对文章做出总结并探讨了流场重构深度学习技术所面临的挑战与展望.
2022, 54(9): 2343-2360.   doi: 10.6052/0459-1879-22-130
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研究综述
大型空间结构热−动力学耦合分析方法综述
薛明德, 向志海
近年来, 各种大型空间结构逐渐在我国航天工程中得到应用, 相应的热诱发振动问题也日益受到重视. 在此背景下, 有必要进一步梳理热诱发振动的机理和分析设计中的关键问题. 本文将结合作者的研究工作对此问题进行全面介绍, 并主要强调在分析复杂工程结构的热诱发振动问题时需要注意的特殊问题. 本文首先介绍了可以高效地分析空间薄壁杆件结构(包含开口和闭口薄壁杆件)在辐射换热条件下的瞬态温度场的Fourier有限元方法; 随后介绍了热诱发振动的线性和非线性分析方法, 强调了热−动力学耦合效应. 为了对复杂空间结构产生热诱发振动的必要条件给出解析表达式, 本文将瞬态温度场与振动位移场统一在模态空间中进行分析, 从而得到评价热诱发振动剧烈程度的一般性条件. 在此基础上, 本文进一步讨论了热诱发振动的运动稳定性问题, 以悬臂杆件的热颤振准则为例揭示了热诱发振动发散的物理机理, 并给出了评定复杂工程结构热颤振的分析方法. 论文最后概要地指出了在热诱发振动的地面试验和抑制方法中需要注意的问题, 并对将来的研究工作进行了展望.
2022, 54(9): 2361-2376.   doi: 10.6052/0459-1879-22-171
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流体力学
横向磁场下侧壁加热方腔熔化的数值模拟研究
孙思睿, 张杰, 倪明玖
磁场下的固−液相变过程在电磁冶金和增材制造等工程应用中广泛存在, 其中的熔化过程和流动机理尚未完全探究清楚. 方腔熔化是研究固−液相变过程的基础模型, 具有良好的普适性, 研究磁场对其流动的影响可以为其他复杂相变过程提供参考. 本文基于焓方法开展了固−液相变的数值模拟研究, 得到了垂直主环流方向的横向磁场对侧壁加热方腔中流动、传热和熔化过程的影响. 首先, 对于无磁场时的方腔熔化问题, 通过与已有的实验结果和数值结果进行对比, 证实了文献中方腔宽度对固−液界面的形状及位置影响不能忽视的结论. 随后, 对小磁场情况下的三维工况进行了直接数值模拟, 发现此时磁场效应主要表现为对混乱三维流动产生整流作用, 使流动趋于二维化. 但由于固−液界面的存在, 主流区的速度在趋于一致的同时也会反作用于界面, 其形状随磁场增强而逐渐转变为二维结构. 最后, 本文采用准二维模型分析了更强磁场时的情形, 讨论了不同参数对传热效率及界面形状的影响, 并发现了横向磁场作用下的垂直最大速度仍满足磁对流中的无量纲参数标度律关系.
2022, 54(9): 2377-2386.   doi: 10.6052/0459-1879-22-155
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流体力学
自由场中液氮单空泡动力学特性的实验研究
陈家成, 陈泰然, 韩磊, 耿昊, 谭树林
本文专门设计搭建了低温介质空泡演化实验测试平台, 对液氮单空泡非定常演化过程和动力学特性开展了实验研究. 实验中利用电火花瞬态放电激发液氮汽化形成单空泡, 通过高速摄影系统对单空泡的瞬态特征进行了精细化捕捉. 为了进一步揭示低温介质独特的物理性质以及强热力学效应对单空泡演化过程的影响机制, 对比分析了在相同环境压力下, 77.41 K液氮和298.36 K水单空泡的演化过程和动力学特性. 基于实验得到空泡半径与界面速度等定量数据, 阐明了液氮单空泡球形与非球形演化阶段的非定常特性. 研究结果表明: (1) 在相同输入电压下, 液氮单空泡的整体尺寸比常温水更小, 当输入电压为400 V时, 液氮空泡的最大半径约为常温水空泡的0.69倍; 同时, 液氮单空泡经历了膨胀阶段−收缩阶段−振荡阶段以及上升阶段的演化过程. (2)液氮空泡的收缩过程主要由相界面的热传导主导, 没有明显的塌陷现象, 收缩阶段液氮空泡的最小收缩半径约为常温水的5.5倍. (3)在液氮空泡振荡初期, 空泡相界面传热增强, Rayleigh-Taylor不稳定与热力学效应共同引起了空泡界面的表面粗化效应; 在整个振荡阶段, 空泡界面附近存在破碎的小泡. 当输入电压较高时, 空泡底部的小泡数量显著增多. (4)由于液氮空泡浮力系数较大, 液氮空泡在演化后期空泡整体向上迁移显著, 液氮空泡底部收缩更快产生凹陷, 促使空泡变为环状.
2022, 54(9): 2387-2400.   doi: 10.6052/0459-1879-22-144
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流体力学
气泡碰撞亲疏水曲壁的行为特性研究
唐子建, 杜伟, 杜鹏, 胡海豹, 陈效鹏, 文俊, 谢络
气泡碰撞固壁行为和影响因素的研究一直以来都是科学界关注的重点之一, 其在矿物浮选、气膜减阻等工业领域中的应用也极具科研价值. 论文聚焦曲壁对于气泡撞击行为特性的影响研究. 采用高速摄像技术记录气泡碰撞不同曲率半径下亲疏水曲壁的撞击过程, 分析了曲壁润湿性、曲率半径对气泡碰撞固体曲壁的影响规律. 结果表明, 气泡碰撞亲水曲壁时会发生多次弹跳直至离开曲壁; 曲率半径越大, 弹跳次数越少, 且第一次反弹的最远距离越近, 再次发生碰壁时的速度越小. 而碰撞疏水曲壁时会出现碰撞−滑移−附着的现象, 此外针对液膜挤压破裂的现象, 建立理论模型推导出液膜诱导时间的预测公式, 其主要与液膜厚度、液膜临界破裂厚度和液膜被压缩速度有关, 预测误差小于5.0%.
2022, 54(9): 2401-2408.   doi: 10.6052/0459-1879-22-116
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流体力学
镜像对称顶盖驱动方腔内流过渡流临界特性研究
安博, 孟欣雨, 桑为民
流场过渡流临界特性是指流场因流动状态改变而引起的流场物理特性变化. 如流动从定常演化为非定常周期性时, 流动处于过渡状态的物理性质. 它从根本上决定了流动演化模式和流场特性等物理规律, 对认清流动现象的形成机理有重要意义. 本文在之前腔体内流流场过渡流临界特性研究的基础上, 针对镜像对称顶盖驱动方腔内流开展数值模拟和流场稳定性分析研究, 捕捉各流动分岔点, 如Hopf流动分岔点和Neimark-Sacker流动分岔点等, 并揭示其对流场特性的影响; 分析流场演化模式, 随着雷诺数增大从定常状态依次演化为非定常周期性流动、准周期性流动和湍流; 揭示各种流动现象的形成机理, 如流动滞后、对称性破坏、能量级串等; 分析流场拓扑结构, 阐明流场镜像对称性和流场稳定性的关系. 本文研究成果有助于揭示该流场的物理特性, 进一步完善了内流流场特性的研究. 研究发现, 针对本文镜像对称方腔顶盖驱动内流, 流场稳定性的破坏总是以Hopf流动分岔点的出现而发生并且伴随着流场对称性的破坏; 流场演化模式符合经典的Ruelle-Takens模式; 流动从定常状态演化至非定常周期性流动时存在流动滞后现象.
2022, 54(9): 2409-2418.   doi: 10.6052/0459-1879-22-218
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流体力学
高马赫数下激波液滴相互作用的数值模拟研究
宋家喜, 潘书诚
本文采用守恒清晰界面多相流数值方法模拟了超声速和高超声速环境下三维液滴的推进、变形和破碎演化过程.数值模拟结果与实验数据的一致性表明了本文所用数值方法和计算程序的准确性, 而网格无关性研究验证了采用的网格分辨率可以捕捉流场和界面的主要特征. 模拟结果验证了高韦伯数下液滴变形破碎过程所遵循的剪切诱导剥离(SIE)破碎机制, 其包含液滴的扁平化和剪切剥离两个主要特征. 而最近发现的SIE破碎机制下的循环破碎机制也在本文得到了验证, 即主液滴从球形液滴破碎为小液滴会经历多个循环重复的破碎阶段, 高韦伯数下液滴的破碎并非一次性剪切剥离的结果, 而是会发生逐层的剪切剥离和破碎. 本文还研究了马赫数对激波冲击液滴加速变形过程的影响. 结果表明, 高韦伯数下不同马赫数的液滴破碎过程具有高度一致性, 并遵循统一的SIE破碎机制.通过对液滴质心位移、速度、加速度和拽力系数的量化统计揭示其运动过程中的统一加速规律. 在激波的驱动下, 液滴并非以一个恒定的加速度做加速运动.在扁平化不明显的前期, 液滴以一个恒定的加速度做加速运动.随着液滴扁平化的发生, 迎风面积的增加导致拽力系数的增大, 进而导致液滴加速度的不断增大.
2022, 54(9): 2419-2434.   doi: 10.6052/0459-1879-22-191
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流体力学
水下发射航行体尾涡不稳定性分析
高山, 施瑶, 潘光, 权晓波, 鲁杰文
在水下连续发射过程中前一发航行体尾流会对后一发航行体运动姿态稳定性产生流动干扰现象. 因此, 研究尾流中涡旋结构演变机理对解决多弹体水下连续发射流动干扰难题具有重要的意义. 本文采用改进型分离涡模型与能量方程, VOF多相流模型与重叠网格技术相结合方法, 对航行体水下发射尾流演变过程开展精细化模拟研究, 其中模拟结果和实验吻合度较好, 验证了本文数值方法的有效性. 以航行体尾流区域为重点研究对象, 分析了尾流区瞬态流场分布, 讨论了横流强度和雷诺数对尾涡结构演变以及脉动压力分布特性的影响. 结果表明: 由于尾流区高速流体核心区与低速自由流相互作用导致Kelvin-Helmholtz不稳定现象出现, 可以清晰地发现涡旋结构在剪切力的作用下发生脱落. 在横流条件下, 航行体尾端脱落的涡环与涡腿形成发卡涡, 而多个发卡涡沿轴向间隔排列组成发卡涡包存在于尾流中. 随着横流强度增大, 形成多级发卡涡包结构, 而导致脉动压力二次峰值均出现的主要原因是尾流涡旋流场演变引起的. 随着雷诺数的增大, 尾流中由圆柱形涡和U型涡组成的二次涡结构逐渐明显, 不稳定性加强.
2022, 54(9): 2435-2445.   doi: 10.6052/0459-1879-22-245
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流体力学
涡识别技术及其在船用螺旋桨伴流场中的应用
杨琳, 郑兴
涡识别是很重要的流体问题, 为了在船用螺旋桨伴流场中寻找一种合理的涡识别方法, 本文结合实践, 研究了六种涡识别技术理论, 其中使用Burgers涡流和Lamb-Oseen涡流作了必要的解释, 讨论了各种识别方法的优缺点. 局部低压标准比较直观, 但深究其黏性和非定常影响后, 明显不足; 迹线或流线显然不能满足伽利略不变性, 会使辨别变得混乱; 涡度大小需要规定其阈值, 具有一定不确定性, 且也会识别不是涡的涡片; 速度梯度张量$ \boldsymbol{T} $的复特征值也会有识别不出的区域; 速度梯度张量的第二不变量$ {Q} $标准和对称张量$ \left({\boldsymbol{S}}^{2} + {\boldsymbol{\varOmega }}^{2}\right) $的第二特征值$ {\boldsymbol{\lambda }}_{2} $标准能更好地识别涡核, 这两种标准有时等效. 螺旋桨伴流场的数值模拟是在开源软件OpenFOAM平台上实现的, 湍流大涡模型由一种局部动态$ k $方程建模, 此模型优于动态Smagorinsky模型. 最终的结果显示: 对于船用螺旋桨伴流场中的涡, 采用速度梯度张量$ \boldsymbol{T} $的第二不变量$ Q $和对称张量$ \left({\boldsymbol{S}}^{2} + {\boldsymbol{\varOmega }}^{2}\right) $的第二特征值$ {\boldsymbol{\lambda }}_{2} $的结果基本一致, 而最小压力标准、流线或迹线标准、涡度值标准和张量$ \boldsymbol{T} $的复特征值标准都存在一定的缺陷, 不适用于船用螺旋桨伴流场中的涡识别.
2022, 54(11): 1-10.   doi: 10.6052/0459-1879-22-339
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固体力学
超静定梁−柱的解析解研究
李银山, 丁千, 李子瑞, 郭春霞, 孙永涛, 柳占立
本文采用渐进积分法研究了超静定梁−柱的弯曲问题. 首先建立超静定梁−柱的四阶挠度微分方程, 考虑到边界条件和连续光滑条件, 采用连续分段独立一体化积分法求解得到了挠度的精确解析解. 为了满足工程设计需要, 构造了超静定梁−柱的四阶挠度微分迭代方程, 选取无轴向力作用时超静定梁的挠曲线作为梁的初函数, 将初函数代入梁的四阶挠度微分迭代方程进行积分, 利用边界条件和连续光滑条件确定积分常数, 得到下一次迭代挠度函数, 依次进行迭代积分运算. 计算出了最大挠度、最大转角和最大弯矩等用轴向力放大系数表示的多项式解析函数解. 本文选取了两种边界条件下受分布力作用的超静定梁−柱进行分析, 计算结果表明, 当超静定梁−柱所受的轴向力小于欧拉临界力的1/2时, 迭代六次误差就可以控制在1%以内; 不仅梁−柱最大位移和最大剪力的大小随轴向力的增大而增大, 而且其位置也随轴向力的增大而发生迁移. 本文的研究对揭示轴向力对超静定梁−柱变形和内力的影响有重要意义, 为超静定梁−柱的实际设计提供了一定的理论基础.
2022, 54(11): 1-12.   doi: 10.6052/0459-1879-22-337
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固体力学
混凝土多尺度应力响应方程及其数值模拟
李向南, 左晓宝, 周广盼, 黎亮
针对混凝土的多相多尺度材料组成特征及其复杂力学响应问题, 首先, 根据混凝土中各组成材料的几何特征, 将C-S-H凝胶、硬化水泥浆体、砂浆及混凝土细观组成分别视为纳观、微观、亚细观和细观尺度上的复合材料, 并利用颗粒空间堆积方法, 重构了混凝土各尺度复合材料的简化几何模型; 其次, 基于重构的几何模型和等效夹杂理论, 通过等效刚度的升阶计算和应力响应的降阶计算, 建立各尺度复合材料应力响应之间的过渡关系, 推导混凝土多尺度应力响应方程, 并编制相应的计算程序; 最后, 以单轴压缩荷载作用为例, 数值计算荷载作用下混凝土各尺度复合材料中的应力响应, 分析骨料空间位置和相互作用以及水化产物刚度、几何形状和空间取向对其应力响应的影响规律. 结果表明, 单轴压缩荷载作用下, 混凝土细观组成中的应力分布并不均匀; 骨料颗粒之间的距离影响到混凝土中的应力分布, 其有效影响范围约为骨料粒径的6倍; 水泥水化产物的刚度、几何形状和空间取向是影响其应力分布的重要因素, 刚度越大, 所受应力越大, 与荷载作用方向的夹角越小, 长椭球形水化产物沿荷载作用方向的应力越大, 扁椭球形水化产物与之相反.
2022, 54(11): 1-14.   doi: 10.6052/0459-1879-22-269
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研究综述
高超声速高焓边界层稳定性与转捩研究进展
陈贤亮, 符松
边界层由层流向湍流的转捩是高超声速飞行器设计面临的重大空气动力学问题. 随着飞行速域与空域的不断拓展, 高超声速高焓边界层中的高温气体效应会使得量热完全气体假设失效, 从而深刻影响流动转捩过程. 相关研究涉及多个学科, 是典型的多物理场耦合问题. 近年来, 随着相关飞行器技术的快速发展, 高超声速高焓边界层转捩问题的重要性越来越得到体现, 相关研究已成为国际上的热点领域. 本文综述相关研究进展, 首先介绍目前常用的高温气体物理模型, 尤其关注热化学非平衡模型, 并介绍激波捕捉、激波装配和边界层方程解等常用的高焓流动求解方法, 以及相关风洞和飞行试验技术的进展. 然后综述高温气体效应对转捩过程中的感受性、模态增长、瞬态增长和非线性作用等的影响的相关研究, 其中流向不稳定性中出现较大增长率的第三模态和超声速模态引起了广泛的研究兴趣. 最后进行总结, 并对未来发展略作展望.
2022, 54(11): 1-21.   doi: 10.6052/0459-1879-22-184
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动力学与控制
机器人关节非线性摩擦模型关键参数反求
段书用, 段浩东, 韩旭, 李昌洛, 欧阳衡, 李雨乐, 刘桂荣
机器人关节非线性摩擦的准确描述对提高机器人轨迹精度、定位精度及其可靠性等具有重要理论意义和科学价值. 然而, 机器人关节通常包含电机、减速器、驱动器和传感器, 是一个复杂的机电耦合系统, 随服役时间及工况的变化, 机器人关节的摩擦参数也存在显著时变效应, 难以准确描述, 造成轨迹精度下降, 为机器人后期精度维护造成巨大困难. 因此, 本文定量评价了摩擦参数对机器人输出力矩的影响, 提出考虑时变效应的机器人关节非线性摩擦参数反求方法. 首先, 建立机器人关节一般非线性摩擦模型. 设计机器人关节恒速跟踪实验, 通过卡尔曼滤波对实验采集的数据进行处理, 进而建立关节速度和驱动电机电流之间的关系, 完成关节一般非线性摩擦模型建立. 其次, 择取非线性摩擦模型关键参数. 建立包含非线性摩擦的机器人动力学模型, 基于激励轨迹计算各关节力矩, 并对其开展灵敏度分析, 择取对关节力矩灵敏性较高的摩擦参数. 再次, 建立关节输出力矩和摩擦参数一一对应的数据集. 基于实际工况构建摩擦参数取值空间, 采用最优拉丁超立方法对摩擦参数采样, 并将其代入机器人动力学模型计算出相应的力矩, 从而求得关节输出力矩和摩擦参数一一对应的数据集. 最后, 建立反问题神经网络并对其进行训练, 实现非线性摩擦模型关键参数反求, 并进行验证. 研究结果表明关节非线性摩擦的准确描述减小了机器人低速运动换向时摩擦力矩突变对机器人轨迹的影响, 显著提升了机器人轨迹精度.
2022, 54(10): 1-14.   doi: 10.6052/0459-1879-22-252
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流体力学
离子选择性表面电对流的多块LB模拟
张煜, 李天富, 罗康, 吴健, 易红亮
离子选择性表面(如纳米通道、离子交换膜等)复杂的动力学现象为微纳流控技术的发展提供了新思路. 向带有离子选择性表面的电解质溶液施加电压, 通过液体的电流密度会经历复杂的非线性变化过程; 当电压超过某一临界值时会引发对流现象, 这种流动被称为第二类电渗或离子选择性表面的电对流, 关于此类问题的数值求解引发了大量的研究. 本文提出一种基于多块网格加密的格子玻尔兹曼方法(lattice Boltzmann method, LBM)的数值模型, 用于模拟第二类电渗流动. 结合该算法, 给出了求解流动、电势和离子浓度的网格信息交换方程, 较好地解决了此类问题中大浓度梯度边界对计算分辨率的要求. 利用该数值模型模拟获得的电流−电压特性曲线先随着电压升高而迅速增大, 随后达到饱和状态, 与理论解吻合良好. 此外, 模拟结果还表明, 当流动发生后, 相对低电压下的流动倾向于形成大涡且流动呈指数趋势增强; 而较大电压则会先激发多个小涡, 并逐渐合并为大涡流动, 且大涡流动有更高的离子输运效率. 此外, 除了模拟离子选择性表面的电对流现象, 本文提出的数值格式还可拓展到其他电流体动力学问题的模拟.
2022, 54(10): 1-12.   doi: 10.6052/0459-1879-22-161
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流体力学
一类高效率高分辨率加映射的WENO格式及其在复杂流动问题数值模拟中的应用
钟巍, 贾雷明, 王澍霏, 田宙
由于映射操作会带来额外的计算时间消耗, 传统加映射的WENO格式存在计算效率低的缺陷. 为了提高传统加映射WENO格式的计算效率, 通过利用标准符号函数的一种近似逼近函数构造出一族近似常值映射函数, 本文提出了一种新的加映射WENO格式, 称为WENO-ACM. 新映射函数满足文献中已有WENO-PM6格式映射函数的全部设计要求, 其中WENO-PM6是一种为了克服经典WENO-M格式潜在的精度丢失缺陷而提出的格式. 新格式保留了WENO-PM6在低耗散和高分辨率方面的优势, 同时, 显著的减少了每个时间步映射过程中的数学运算操作数, 进而在计算效率方面获得了明显的提升. 理论分析表明, 新格式在即使包含临界点的光滑区域也能够获得最佳收敛精度. 对近似色散关系的研究表明, 新格式的频谱特性也得到了显著的提升. 对大量标准测试算例进行了模拟计算, 包括精度测试、激波管问题、激波-熵波相互作用、爆炸波相互碰撞、二维黎曼问题、双马赫反射、前台阶流动、瑞利-泰勒不稳定性和开尔文-亥姆霍兹不稳定性问题等. 与广泛认可的WENO-JS、WENO-M和WENO-PM6格式综合比较发现, 新提出的WENO-ACM格式在高效率、低数值耗散和间断捕捉等方面都有显著的改进. 最重要的是, 与WENO-M和WENO-PM6格式相比, WENO-ACM将相对于WENO-JS格式的额外计算时间消耗分别减少了80%和90%以上.
2022, 54(11): 1-22.   doi: 10.6052/0459-1879-22-247
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固体力学
考虑电场梯度的挠曲电纳米板弯曲性能分析
曹彩芹, 陈晶博, 李东波
具有尺度依赖的挠曲电效应在器件的设计中扮演着越来越关键的角色, 研究人员在微纳米尺度多物理场分析中进行了大量工作. 基于考虑挠曲电和电场梯度效应的弹性介电材料非经典理论, 以二维纳米板为例, 通过理论建模, 分析纳米板在弯曲问题中的力−电耦合行为. 根据Mindlin假设给出板的位移场和电势场的一阶截断, 选取板的材料为立方晶体(m3m点群), 将广义三维本构方程代入到高阶应力、高阶偶应力、高阶电位移和高阶电4极矩的表达式中得到相应的二维本构方程, 利用弹性电介质变分原理得到板的控制方程和边界上的线积分等式, 分别将二维本构方程和边界上外法线的方向余弦代入, 得到板的高阶弯曲方程、高阶电势方程以及对应的四边简支边界条件. 利用四边简支矩形板的高阶弯曲方程、高阶电势方程和相应的边界条件, 根据Navier解理论, 求解纳米板的电势场, 重点分析电场梯度对板内一阶电势的影响. 数值计算结果表明: 电场梯度对纳米板中由挠曲电效应产生的一阶电势有削弱作用, 且材料参数g11越大, 一阶电势受到的削弱越大; 同时电场梯度的存在消除了纳米板在受横向集中载荷作用时一阶电势的奇异性. 本文是对具有挠曲电效应和电场梯度效应的纳米板结构分析理论的一个扩展, 为微纳米尺度器件的结构设计提供参考.
2022, 54(11): 1-11.   doi: 10.6052/0459-1879-22-282
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平面激波冲击并排液滴的三维数值模拟研究
吴润龙, 李祝军, 丁航
本文采用三维守恒清晰界面数值方法数值研究了平面激波冲击下并排液滴的动力学过程,重点关注激波接触液滴后的复杂波系结构生成,以及并排液滴相互耦合作用诱导的单个液滴非对称界面演化。首先,分析了并排液滴之间通道内的波系结构发展,发现在冲击初期由于反射激波相交形成了新的反射激波以及马赫杆;这与液滴非通道侧反射激波形成的弯曲波阵面截然不同,所导致的液滴两侧流场差异是液滴中后期界面两侧非对称演化的主要原因。其次,研究了冲击中期入射激波已远离并排液滴时的界面形态演化过程和规律,揭示了通道下游出口处气流膨胀导致的界面闭合和气流阻塞导致的界面破碎等新的流动现象。最后,研究了并排液滴间距对液滴相互作用的影响,发现液滴间距大小对通道内压力峰值的出现影响显著。更小液滴间距不仅带来更大压力峰值,也使得峰值出现的时间液更早。
当前状态:
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多层平行裂隙型多孔介质通道内流体流动传热特性
李琪, 王兆宇, 胡鹏飞
基于Brinkman-extended Darcy模型和局部热平衡模型, 对多层平行裂隙型多孔介质通道内的流动传热特性进行研究. 获得了多层平行裂隙型多孔介质通道内各区域的速度场、温度场、摩擦系数及努塞尔数解析解, 并分析了裂隙层数、达西数、空心率、有效热导率之比等对通道内流动传热特性的影响. 结果表明: 达西数较小时, 通道多孔介质层内会出现不随高度变化的达西速度, 此达西速度会随裂隙层数的增加而增大, 但却不受各裂隙层下多孔介质层位置变化的影响. 增加裂隙层数会减弱空心率对压降的影响, 会使通道内流体压降升高, 但升高程度会逐渐降低. 增大热导率之比或减小空心率会使多裂隙通道内出现阶梯式温度分布, 而在较小热导率之比或较大空心率时多裂隙情况下的温度分布曲线会趋于一致. 此外, 当热导率之比较小时, 多层裂隙通道内的传热效果在任何空心率下都要优于单裂隙情况, 当热导率之比较大时, 存在临界空心率使各裂隙层数通道内的传热效果相同, 且多裂隙通道内继续增加裂隙层数对传热强度影响不大.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-22-285
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弯曲波彩虹捕获效应及其在能量俘获中的应用
王芳隆, 沈一舟, 徐艳龙, 周生喜, 杨智春
弹性波在色散关系经过设计的梯度结构中传播时会产生空间分频现象和波场能量增强现象, 即不同频率的弹性波会在结构的不同位置停止向前传播并发生能量聚集, 这就是弹性波彩虹捕获效应. 其相关研究成果可以促进结构健康监测、振动控制以及能量俘获等领域的发展. 本文通过所设计的梯度结构梁, 系统地研究了弯曲波彩虹捕获效应及其在压电能量俘获中的应用. 首先, 利用传递矩阵法获得了梯度结构梁元胞能带结构的解析解, 进而分析了弯曲波彩虹捕获效应的产生机理: 不同频率的弯曲波会在不同元胞附近群速度减小到零, 从而停止向前传播并发生反射; 入射波和反射波的叠加, 以及群速度减小带来的能量聚集, 会显著增强反射处的波场能量. 其次, 通过有限元仿真和实验验证了弯曲波彩虹捕获效应的空间分频现象和波场能量增强现象. 最后, 通过有限元多物理场耦合仿真和实验, 研究了粘贴PVDF压电薄膜的梯度结构梁相对于均匀梁的弯曲波能量俘获效果及其随入射波频率的变化规律. 结果表明, 在弯曲波彩虹捕获效应发生频带内, 粘贴在梯度结构梁上的PVDF压电薄膜的输出电压约为粘贴在均匀梁相应位置处的PVDF压电薄膜的输出电压的2倍.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-22-107
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折纸超材料折展稳态特性研究
王海瑞, 申薛靖, 王宙恒, 贾璐, 李传檑, 朱龙基, 赵丹阳
可折展折纸超材料可通过自身内部微结构连续变形来调控宏观变形, 使其泊松比、刚度、模量等力学性能发生转变. 本研究针对新型折纸超材料稳态机理不清晰的问题, 采用扭转弹簧等效法和能量原理, 对折纸超材料在复杂内部构型及折展运动协同作用下的力学行为进行了理论研究, 建立了超材料构型在折展变形过程中的力学模型, 分析了构型几何参数对折展外载荷的影响规律. 通过参数分析发现, 该折纸超材料的外载荷在展开过程中呈现出单调性, 不具有稳态特性. 外载荷在折叠过程中可呈现出单调性、单稳态和双稳态等多种情况, 不同稳态之间的调控与边长比pq、内角α、折展角$ \theta $和间距尺寸比r等构型参数密切相关, 从而揭示了折纸超材料稳态特性的转变机理. 本研究对于提高折纸超材料的构型设计及其性能调控具有重要的理论指导意义.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-22-356
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准周期响应对称破缺分岔点的一种快速计算方法
龚冰清, 郑泽昌, 陈衍茂, 刘济科
稳态响应如周期及准周期解的分岔计算,是非线性动力学研究的难点问题之一。与理论相对完善的周期解相比,准周期响应求解只是在近些年才得到较大进展的,其分岔分析仍需要更有效的方法。为此,本文将基于增量谐波平衡(IHB)法,提出了一种快速方法、计算准周期响应的对称破缺分岔点。在准周期解的广义谐波级数表达基础上,当发生对称破缺分岔时、其偶次(包括零次)谐波系数将逐渐由0变为小量。基于此性质,将零次谐波系数设定为小量,并将分岔控制参数视为迭代变量,通过IHB法构造迭代格式。作为算例,研究了不可约频率作用下的双频激励Duffing系统。结果表明,当迭代格式收敛时,随着预设小量减小和谐波项数增加,控制参数将逐渐接近分岔值,进而准确快速地确定对称破缺分岔点。
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垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究
高鹏骋, 刘冠杉, 黄桥高, 潘光, 马云龙
为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,本文根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼模型,设置了四种间距排布即0.25,0.5,0.75,1倍体厚排布以及九种攻角状态即-8°-8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析。数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°-8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力。单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益。当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响。下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小。
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曲壁蜂窝夹层悬臂板的振动特性研究
薛潇, 张君华, 孙莹, 权铁汉
蜂窝结构作为一种多孔材料具有轻质、高强度、高刚度的优点,兼具隔声降噪、隔热等优良性能,被广泛应用于交通运输、航空航天等领域。针对传统正六边形直壁蜂窝在受力后容易出现应力集中的问题,本文设计了一种以圆弧曲壁蜂窝作为芯层的蜂窝夹层板,基于单位载荷法推导了蜂窝芯的等效参数,建立曲壁蜂窝夹层板的动力学模型,利用Chebyshev-Ritz方法求解悬臂边界下蜂窝夹层板的固有频率,并用有限元方法进行对比验证,发现前5阶固有频率的误差均在5%以内。通过3D打印制备了曲壁蜂窝夹层板,进行了正弦扫频试验、定频谐波驻留试验和冲击试验。3D打印模型试验与理论模型和有限元模型的计算结果三者一致,试验发现曲壁蜂窝芯具有一定的抗冲击性能。研究结果将为曲壁蜂窝在振动和隔振方面的应用提供理论支持。
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近壁面圆柱绕流中尾流结构演化特性的实验研究
邱翔, 吴昊东, 陶亦舟, 李家骅, 周建康, 刘宇陆
采用粒子图像测速技术对近壁面圆柱绕流流场进行了实验测量,重点研究了三种不同间隙比(G/D=0.5、G/D=1.0、G/D=1.5)时不同雷诺数(Re=1500~5540)下近壁面圆柱绕流尾流结构的演化特性。实验结果表明:G/D=0.5时,随着雷诺数的增加,间隙流的偏转减小,圆柱后方回流区逐渐对称且尺寸减小,壁面上分离泡的尺寸也逐渐减小,同时存在雷诺数Ret位于Re=3000~3200之间,使圆柱尾流和间隙流呈现不同的分布特性。在Re=1500时,圆柱的涡脱落频率随着间隙比的减小而增大,当Re≥3000时,随着间隙比减小,圆柱涡脱落频率在小范围内(0.185≤St≤0.227)先增大后减小。雷诺数显著影响近壁面圆柱绕流涡结构的演化,小间隙比受雷诺数的影响较大,G/D=0.5,在雷诺数Re=1500时,二次涡会和圆柱上尾涡发生涡合并现象,雷诺数增大到5540时,二次涡不会和上尾涡合并,而是直接与下尾涡相互作用;G/D=1.0和G/D=1.5时,随着雷诺数的增大,二次涡的含能逐渐减小。
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