正弦交流介质阻挡放电等离子体流动控制技术是基于等离子体激励的主动流动控制技术, 具有响应时间短、结构简单、能耗低、不需要额外气源装置等优点, 在飞行器增升减阻、抑振降噪、助燃防冰等方面具有广阔的应用前景. 针对“激励器消耗的大部分能量尚未被挖掘利用、诱导流场的完整演化过程尚未完全掌握、诱导流场的演化机制尚不明确”这三方面问题, 本文首先从激励器诱导流场的空间结构、时空演化过程、演化机制三个方面回顾总结了激励器诱导流场的研究进展. 在诱导流场空间结构方面, 发现了高电压激励下诱导射流的湍流特性, 辨析了壁面拟序结构与无量纲激励参数之间的关联机制; 从激励器诱导声能方面挖掘出了激励器潜在的能量, 发现了“等离子体诱导超声波与诱导声流”的新现象, 提出了声激励机制; 在时空演化过程方面, 阐明了激励器诱导流场从薄型壁射流发展为“拱形”射流、再演变为启动涡, 最终形成准定常射流的完整演化过程; 在演化机制方面, 结合声学特性提出了以“升推”为主的诱导流场演化机制. 其次, 围绕激励器诱导流场, 进一步凝练出下一步研究重点, 为突破等离子体流动控制技术瓶颈, 打通“概念创新—技术突破—演示验证”的创新链路, 实现工程应用提供支撑.
2023, 55(2): 285-298.
doi: 10.6052/0459-1879-22-377
静气动弹性问题考虑弹性结构与定常气动力间的相互耦合作用, 对飞行器的性能和安全具有显著的影响. 在现代飞行器设计阶段, 计算流体力学(CFD)/计算结构力学(CSD)直接耦合方法是精确考察静气动弹性影响的重要手段. 然而, 基于CFD技术的气动力仿真手段在耦合过程中计算量大且耗时长, 难以满足设计阶段的需求. 因此, 为了兼顾计算精度与效率, 文章采用本征正交分解(POD)和Kriging代理模型相结合的模型降阶方法, 替代CFD求解过程并耦合有限元分析(FEA)方法, 建立了高效、准确的静气动弹性分析框架. 相较于传统的以模态法为主的静气动弹性分析方法, 该方法能够解决更为复杂的静气动弹性问题以及提供静气动弹性变形过程中的气动分布载荷. 针对典型三维跨声速HIRENASD机翼模型开展的马赫数、迎角变化的算例验证表明: 由建立的静气动弹性分析方法与CFD/CSD直接耦合方法计算得到机翼翼梢处的静变形量间的相对误差在5%以内; 同时该方法预测静平衡位置处的气动分布载荷的误差在5%以内, 静气动弹性分析的计算效率至少提升了6倍.
2023, 55(2): 299-308.
doi: 10.6052/0459-1879-22-523
斜爆轰推进系统在高超声速推进领域具有广阔的应用前景, 其释热迅速、比冲高、燃烧室结构简单的优点吸引研究人员的持续关注. 然而, 斜爆轰的地面试验同时涉及到高速试验环境模拟、燃料与氧化剂混合、高温燃烧流场结构测量等技术难点, 当前国内外系统的试验研究仍然十分有限, 难以支撑斜爆轰发动机的研制. 为了研究自持传播的斜爆轰激波结构与波面流动特性, 基于爆轰驱动二级轻气炮开展了高速弹丸诱导斜爆轰实验研究, 使用直径30 mm球头圆柱形弹丸发射进入充满氢/氧可燃混合气体的实验舱中以起爆斜爆轰波, 并采用两种阴影技术对实验流动结构进行测量. 实验中在不同速度、不同充气压力下观察到三种弹丸诱导激波结构, 即激波诱导燃烧、弹丸起爆爆轰波和相对弹丸驻定的斜爆轰波, 实验舱充气压力下降则会造成爆轰横波尺度增加与波面流动失稳. 实验中, 斜爆轰激波角与理论分析结果吻合较好, 弹丸气动不稳定带来较大的弹丸攻角会对激波角测量带来一定偏差. 通过对斜爆轰波波面法向传播速度的测量发现, 随着远离弹丸, 斜爆轰传播速度由弹丸飞行速度衰减至接近实验气体CJ速度, 弹丸速度的降低会加速斜爆轰波传播速度的衰减.
2023, 55(2): 309-317.
doi: 10.6052/0459-1879-22-536
发生在桨和舵之间的干扰会影响螺旋桨尾流的演化, 导致尾流场中的湍流在下游增强, 恶化船舶的振动和噪声性能, 深入分析舵几何参数对桨−舵系统尾流场演化的影响能够为推进器尾流场的调节和减振降噪提供新思路. 因此, 从弦长、剖面和梯形舵入手分析不同的舵几何参数对螺旋桨尾流场演化特性的影响, 使用大漩涡模拟方法模拟流场中的湍流结构, 对不同舵弦长、剖面下的螺旋桨尾涡结构演化进行了分析, 在舵弦长、剖面影响螺旋桨尾流场演化的研究的基础上分析了梯形舵对螺旋桨尾涡结构的影响, 进一步分析了梯形舵影响下的螺旋桨尾流场中湍动能的分布. 结果表明舵的弦长和剖面均会影响螺旋桨尾流场的演化, 这种影响表现为更大的弦长和更厚的剖面会促进螺旋桨梢涡在舵压力面上的偏移, 更薄的舵剖面会带来更强烈的螺旋桨毂涡偏移; 涡管轮廓和舵表面脉动压力的对比均表明梯形舵会促进螺旋桨尾流场沿逆舵梯度方向偏移, 从而导致螺旋桨的尾涡结构在舵两侧及下游呈现不对称分布, 桨−舵系统下游的湍流结构与螺旋桨尾涡−舵碰撞过程、螺旋桨尾涡−舵随边涡干扰过程、螺旋桨梢涡−螺旋桨毂涡干扰有关, 偏移更大的螺旋桨尾涡结构会在尾流场中更早地引起湍动能增强.
2023, 55(2): 318-329.
doi: 10.6052/0459-1879-22-552
高超声速边界层转捩会使飞行器表面热流和摩阻增加3 ~ 5倍, 极大影响高超声速飞行器的性能. 波纹壁作为一种可能的推迟边界层转捩的被动控制方法, 具有较强的工程应用前景. 文章研究了不同高度和安装位置的波纹壁对来流马赫数6.5的平板边界层稳定性的影响. 采用直接数值模拟(DNS)得到层流场, 并在上游分别引入不同频率的吹吸扰动以研究波纹壁对扰动演化的作用. 对于不同位置的波纹壁, 探究了其与同步点相对位置对其作用效果的影响, 与相同工况下光滑平板的扰动演化结果进行了对比, 发现当快慢模态同步点位于波纹壁上游时, 波纹壁会对该频率的第二模态扰动起到抑制作用. 当同步点位于波纹壁之中或者下游时, 波纹壁对扰动的作用可能因为存在两种不同的机制而使得结果较为复杂. 对于不同高度波纹壁, 发现高度较低的波纹壁, 其作用效果强弱与波纹壁高度成正相关, 而更高的波纹壁则会减弱其作用效果. 与DNS结果相比, 线性稳定性理论可以定性预测波纹壁对高频吹吸扰动的作用, 但在波纹壁附近的强非平行性区域误差较大.
2023, 55(2): 330-342.
doi: 10.6052/0459-1879-22-327
扩张尾裙是影响跨介质航行器高速入水转平弹道及其稳定性的关键因素. 采用流体体积多相流模型和动网格技术, 建立了跨介质超空泡航行器高速入水多相流场弹道耦合计算方法, 并通过试验验证了计算方法的准确性和适用性. 通过对跨介质航行器高速入水转平过程进行数值模拟研究, 获得尾裙外形对航行器入水转平过程中空泡发展形态、流体动力特性与弹道特性的影响, 并分析尾裙扩张角度对高速入水转平弹道的影响规律. 结果表明: 不同预置舵角下的无尾裙外形航行器在入水转平过程中, 攻角持续增大, 最终导致弹道发散, 带尾裙外形航行器在入水后尾裙沾湿形成了恢复力矩, 获得了稳定的入水转平弹道; 设计的1.5°, 6°, 8°尾裙角度的航行器形成了稳定滑水、单侧尾拍以及双侧尾拍3种弹道特征, 且均能实现稳定高速入水转平弹道; 稳定滑水弹道原理为预置舵角与尾裙滑水耦合作用下达到的动态平衡, 该弹道综合阻力系数最小, 转弯效率最高, 动载荷最小, 是跨介质航行器高速入水的理想弹道转平形式.
2023, 55(2): 343-354.
doi: 10.6052/0459-1879-22-427
微通道内气液自发渗吸是广泛发生在自然界及诸多工业领域的物理现象, 而动态接触角是影响整个渗吸过程的关键因素. 针对该问题, 本文使用改进的伪势多相流格子玻尔兹曼方法(LBM), 直接捕捉微通道内气液自发渗吸过程中的实时接触角, 并分析接触角的动态变化特性及其对渗吸长度的影响. 首先, 本文在原始的伪势多相流LBM的基础上耦合Peng-Robinson (PR)状态方程, 改进流体−流体作用力以及流−固作用力格式, 并采用精确差分方法将外力添加至LBM框架中. 然后, 通过校准模型的热力学一致性, 模拟测试界面张力, 静态平衡接触角等界面现象验证了模型的准确性. 最后, 基于建立的模拟方法, 在水平方向上模拟微通道内气液自发渗吸过程. 结果表明: 渗吸过程中的接触角呈现动态变化特征, 在渗吸初期, 因受到惯性力的影响存在较大波动; 随着渗吸距离的增大, 其逐渐减小并趋近于静态平衡接触角. 渗吸过程中的接触角与微通道尺寸及静态接触角有关, 随着微通道宽度增大, 实时的动态接触角与静态接触角相差大; 随着静态接触角增大, 实时的动态接触角与静态接触角的相差增大. 此外, 忽略动态接触角的Lucas-Washburn (LW) 方程所预测的弯液面位置与模拟结果存在一定偏差, 利用模拟得到实时动态接触角数据可以直接用于校正LW方程, 校正后的LW方程预测的弯液面位置与模拟结果基本一致.
2023, 55(2): 355-368.
doi: 10.6052/0459-1879-22-409
多孔连续体理论框架下的非饱和多孔介质广义有效压力定义和Bishop参数的定量表达式长期以来存在争议, 这也影响了对与其直接相关联的非饱和多孔介质广义Biot有效应力的正确预测. 基于随时间演变的离散固体颗粒−双联液桥−液膜体系描述的Voronoi胞元模型, 利用由模型获得的非饱和颗粒材料表征元中水力-力学介观结构和响应信息, 文章定义了低饱和度多孔介质局部材料点的有效内状态变量: 非饱和多孔连续体的广义Biot有效应力和有效压力, 导出了其表达式. 所导出的有效压力公式表明, 非饱和多孔连续体的有效压力张量为各向异性, 它不仅对非饱和多孔连续体广义Biot有效应力张量的静水应力分量的影响呈各向异性, 同时也对其剪切应力分量有影响. 文章表明, 非饱和多孔连续体中提出的广义Biot理论和双变量理论的基本缺陷在于它们均假定反映非混和两相孔隙流体对固相骨架水力−力学效应的有效压力张量为各向同性. 此外, 为定义各向同性有效压力张量和作为加权系数而引入的Bishop参数并不包含对非饱和多孔连续体中局部材料点水力−力学响应具有十分重要效应的基质吸力. 所导出的非饱和多孔介质广义Biot有效应力和有效压力公式(包括反映有效压力各向同性效应的有效Bishop参数)可在以协同计算均匀化方法为代表的非饱和颗粒材料计算多尺度方法中上传到在宏观非饱和多孔连续体设置了表征元的局部材料点.
2023, 55(2): 369-380.
doi: 10.6052/0459-1879-22-407
由于风力机叶片与塔筒流场相互干涉, 实际气动力与理想情况存在较大差异, 这种干涉作用造成的气动力差异给叶片与塔筒结构可靠性带来不可忽视的影响. 以翼型DU91-W2-250为研究对象, 采用瞬态数值分析与本征正交分解方法, 考虑叶片和塔筒流场相互干涉作用, 分析顺桨工况翼型非稳气动力时频特性及其影响规律, 量化不同雷诺数下塔叶相对位置及几何参数对气动力均值、波动幅度和频率的影响程度, 通过流场模态能量分布形态分析, 揭示流场干涉对气动力的影响机制. 结果表明, 翼型气动中心至塔筒几何中心的垂直距离、水平距离以及塔筒直径相对于翼型弦长的无量纲参数y*, x*和D*对气动力均有不同程度影响, 其中y*对升阻力系数均值影响最大, 对频率无明显影响, y*绝对值越大, Cl均值越接近单一翼型Cl值, y*绝对值越小升阻力系数波动幅度越大, y*从−12增大到12, 升力系数均值最小值为−0.48, 最大值为1.16; x*减小和D*增大, 反向阻力均值增大, 波动幅度增大, 波动频率略有下降, 当x*小于临界值5时, 带塔翼型阻力均值反向; 在计算范围内, 带塔翼型升力系数均值相对于单翼型升力系数最大偏差为−221.94%, 其最大波动幅度相对单翼型升力系数为28.0%, 带塔翼型阻力系数均值最大偏差为−1189.3%, 其最大波动幅度为121.1%; 受塔筒前方高压区影响, 翼型流场存在明显对称脉动激励, 造成气动力偏离和波动.
2023, 55(3): 1-11.
doi: 10.6052/0459-1879-22-554
开发海上风能是实现我国碳达峰、碳中和“3060”目标的重要举措. 海上风电的大型化是降本增效的主要途径, 已成为近年来的发展趋势. 目前海上风电基础结构设计标准由欧洲领衔; 区别于欧洲的海洋环境与地质条件, 我国海上风电结构面临强台风、软弱土等挑战, 极易发生动力灾变, 大型化可能进一步加剧风电结构灾变风险. 防灾降载的关键在于深入理解海上风电相关的空气动力学、水动力学、结构动力学、土动力学等的一体化耦合与智能控制. 本文围绕台风环境风机动力灾变与控制相关领域的交叉力学问题, 结合笔者团队近年研究成果, 较为详细地评述了国内外最新研究进展情况, 主要包括: 台风风场及其诱发的波浪场工程尺度性状, 台风环境中风机气动、水动载荷及智能控制策略, 风浪流多向荷载联合作用下基础失效模式与结构灾变机制, 以及考虑风浪流-结构-基础-海床-风机控制耦合作用的一体化分析设计方法. 在此基础上, 建议了我国海上风电大型化进程中仍有待突破的研究重点: 需更深入掌握台风风场工程尺度性状、台风和台风浪荷载特性, 需探索台风环境中的风机控制策略, 亟需建立台风环境中大型海上风电整机一体化设计理论并开发国产化工业软件. 上述相关领域的突破, 对于我国实现海上风能产业的全球引领, 具有重要的科学意义和工程应用价值.
2023, 55(3): 1-21.
doi: 10.6052/0459-1879-22-529
鸟类羽毛在飞行中的物理性质是仿生力学关心的重要问题之一. 基于CFD/CSD数值模拟方法研究了羽毛微结构在气流作用下的变形和力学特征, 揭示了鸟类静止时羽毛蓬松、而在飞行状态下紧贴皮肤表面保持表面光滑的物理机制. 首先, 通过对鸟类羽毛在显微镜下的观察, 将羽毛分解成典型简单微结构以模仿羽枝单元, 从而对羽毛外形和结构进行建模, 之后, 采用CFD/CSD方法分析比较了两种典型羽枝模型结构(片状和枝状羽枝单元)的变形和力学特征, 最后, 基于上述片状羽枝模型进一步研究了来流方向对羽枝变形的影响机理及多根排列羽枝的变形和力学特征. 结果表明: 在一定风向的范围内, 羽毛在气流下都具有保持紧贴皮肤表面的变形趋势, 这种紧贴壁面的趋势只有在气流与羽轴几乎垂直时才会改变; 在来流侧滑角为$ 45^\circ $ 时, 羽枝沿皮肤表面法向下压的变形最为显著, 尖端位移达原始高度的约97%; 多根排列的羽枝在顺流方向气动载荷逐渐下降, 与迎风首根羽枝最大差距约11%. 此研究工作对于理解鸟类飞行时羽毛的力学特性有明确的学术价值.
2023, 55(4): 1-11.
doi: 10.6052/0459-1879-22-520
随机激励下的输液管道在工程上广泛存在, 对其进行研究具有十分重要的意义. 为了预测高斯白噪声激励下输液管道系统的随机动态响应, 基于哈密顿原理建立了高斯白噪声激励下非线性输液管道的动力学模型. 采用Galerkin截断方法对输液管道的控制方程进行离散化. 采用基于Gauss-Legendre公式的路径积分法计算了输液管道随机振动响应的位移概率密度函数和速度概率密度函数. 采用Monte Carlo方法与路径积分法得到的计算结果进行对比, 验证了路径积分法在计算输液管道振动响应上具有较高的计算精度. 研究了流速、激励强度和阻尼系数对输液管道位移概率密度函数和速度概率密度函数的影响, 并确定了输液管道位移概率密度函数出现双峰时的临界流速. 结果表明, 采用路径积分法计算输液管道系统的动态响应是有效的. 流速增大会使系统可能发生的最大位移变大, 可能发生的最大速度不变; 激励强度增大会使系统可能发生的最大位移和最大速度变大; 阻尼系数增大会使系统可能发生的最大位移和最大速度变小. 此外, 研究发现流速增大是诱导输液管道发生随机分岔的因素之一.
2023, 55(5): 1-11.
doi: 10.6052/0459-1879-23-032
非等温黏弹性流体广泛存在于自然界和工业生产中, 准确预测黏弹性流体的非等温流动机理和复杂流变特性有着重要的应用价值. 本文提出一种改进的光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)方法对非等温黏弹性复杂流动进行了数值模拟, 其中流体的黏弹特性通过eXtended Pom-Pom本构模型来表征. 为了提高模拟结果的精度, 采用了一种核函数梯度的修正算法; 为了灵活地施加边界条件, 发展了边界粒子和虚拟粒子相联合的边界处理方法; 为了消除流动过程中的拉伸不稳定性, 施加了粒子迁移技术. 运用改进SPH方法数值模拟了液滴撞击固壁和F型腔注塑成型问题, 通过与Basilisk软件得到的结果进行比较验证了改进SPH方法求解非等温黏弹性流体的有效性. 通过利用不同粒子初始间距进行计算, 评价了改进SPH方法的数值收敛性. 研究了非等温流动相较于等温流动的不同流动特征, 深入分析了不同热流变参数对流动过程的影响. 数值结果表明, 本文提出的改进SPH方法可稳定、准确地描述非等温黏弹性复杂流动的传热机理、复杂流变特性和自由面变化特性.
2023, 55(5): 1-14.
doi: 10.6052/0459-1879-22-602
脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值. 纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态. 为定量研究速度分布和旋涡结构, 针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究. 在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统, 通过定量测量, 探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性, 揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律, 并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响. 结果表明: 激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称, 而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧; 斜压导致热核在演化初期产生涡环, 后期则由剪切主导; 正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时, 产生斜压涡量, 当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时, 热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级; 激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环, 在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.
2023, 55(6): 1-12.
doi: 10.6052/0459-1879-22-580
在碳达峰的国策背景之下, 页岩气成为传统能源向绿色清洁低碳能源转型的重要过渡和能源支点. 压后页岩气藏流体流动力学成为高效开发页岩气的关键力学问题. 文章将小尺度低导流天然裂缝等效升级为连续介质, 建立有机质-无机质-天然裂缝三重连续介质模型, 同时对大尺度高导流裂缝采用离散裂缝模型刻画, 嵌入天然裂缝连续介质中, 构建多重连续/离散裂缝模型. 综合考虑吸附气的非平衡非线性解吸附和表面扩散, 自由气的黏性流和克努森扩散, 给出页岩气在多尺度复杂介质中的非线性耦合流动数学模型. 提出多尺度扩展有限单元法对离散裂缝进行显式求解, 创新性构建三类加强形函数捕捉离散裂缝的局部流场特征, 解决了压后页岩海量裂缝及多尺度流动通道的流动模拟难题. 文章提出的模型和方法既能准确刻画高导流裂缝对渗流的影响, 又克服了海量多尺度离散裂缝导致计算量增大的问题. 通过算例展示了压后页岩各连续介质的压力衰减规律, 发现裂缝中自由气、有机质中自由气、无机质中吸附气依次滞后的压力(浓度)扩散现象, 重点分析了吸附气表面扩散系数、自由气克努森扩散系数、天然裂缝连续介质渗透率和吸附气解吸附速率对页岩气产量的影响. 文章重点解决压后页岩多尺度流动通道的表征和复杂耦合流动机理的建模, 并开发了高效的数值模拟算法, 对于压后页岩的产能评价具有一定的意义.
2023, 55(3): 1-14.
doi: 10.6052/0459-1879-22-489
裂隙网络是岩体地下水的主要流动通道, 而工程岩体中裂隙网络错综复杂, 裂隙网络的几何特征和连通性对其渗透性有着重要影响. 为了综合量化裂隙迹长、间距、倾角、开度对裂隙网络连通性和渗透性的影响, 基于信息熵原理, 提出了三维裂隙网络地质熵理论和连通性指标−熵尺度, 对比熵尺度与其他传统三维裂隙网络连通性指标, 验证了熵尺度评价三维裂隙网络连通性和渗透性的合理性. 结合锦屏一级水电站左岸边坡裂隙统计分布, 建立三维裂隙网络渗流数值计算方法, 分析不同裂隙迹长、倾角、间距、开度条件下三维裂隙面密度、无量纲逾渗密度、熵尺度和渗透系数的变化关系. 结果表明: 当体积率一定, 考虑开度影响时, 三维裂隙面密度和无量纲逾渗密度无法定量表征迹长和间距对裂隙网络连通性的影响; 裂隙迹长与熵尺度和渗透系数呈负相关关系, 裂隙间距和开度与熵尺度和渗透系数呈正相关关系, 裂隙倾角变化对熵尺度和渗透系数影响较小; 熵尺度与渗透系数的非线性关系近似满足二次多项式.
2023, 55(3): 1-13.
doi: 10.6052/0459-1879-22-579
由于无网格法中大多数近似函数均为有理式, 不具有Kronecker delta性质, 因此难以精确地施加本质边界条件. 边界误差较大容易导致整个求解域求解结果精度低, 甚至引起数值不稳定现象. 本文在无网格直接配点法和稳定配点法中引入拉格朗日插值函数作为形函数, 构建了拉格朗日插值配点法(LICM)和拉格朗日插值稳定配点法(SLICM). 由于拉格朗日插值具有Kronecker delta性质, 可以像有限元法一样简单而精确地施加本质边界条件, 提高了这两种方法的数值求解精度. 稳定配点法基于子域对强形式方程进行积分, 可以满足高阶积分约束, 即可以保证形函数在积分形式下也满足高阶一致性条件, 实现精确积分. 同时, 进行子域积分还可以减少离散矩阵的条件数, 从而提高了算法的稳定性. 进一步提高了拉格朗日插值稳定配点法的精度和稳定性. 本文通过数值算例验证了这两种方法的精度、收敛性和稳定性, 结果表明基于拉格朗日插值的配点法的精度优于基于重构核近似的配点法, 拉格朗日插值稳定配点法的精度和稳定性均优于拉格朗日插值配点法.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-001
经过多年的研究, 由我国学者提出和研发的膜力因子法和饱和分析方法已被证明是分析和预测冲击、爆炸等强动载荷作用下梁、板等结构件的塑性大变形行为的有力工具. 在这两套理论工具相结合所获得的一系列最新成果的基础上, 本文提出一种对梁和板在强脉冲作用下的最大挠度的直接预测方法. 考虑了膜力和弯矩相互作用的准确屈服条件, 同时假定位移场近似地按照与准静态破损机构相似的模态发生变化, 该方法直接从膜力因子的表达式出发, 依据外载作的功与塑性耗散相等的能量条件, 只需要求解初等方程就可以简单明晰地得到梁和板在矩形脉冲作用下的最大挠度, 极大地简化了数学推导. 与同时考虑准确屈服条件和瞬态响应阶段的完全解以及具有上下界的模态解相比, 这一方法能够同样准确但更简单地计入膜力对结构大变形承载能力的效应, 为工程设计提供比完全解更简明、比模态解更精准的梁和板最大塑性变形的估算公式; 再同改进的脉冲等效技术相结合, 这种直接预测方法有望进一步拓展到更复杂的结构件, 获得广泛的工程应用.
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doi: 10.6052/0459-1879-22-607
为有效解决薄壳结构拓扑优化设计难题，并满足其对分析模型精度和优化结果质量的高要求，结合等几何壳体分析方法提出一种基于自适应泡泡法的新型拓扑优化设计框架。等几何分析技术在薄壳分析方面具有天然的优势：一方面可为薄壳结构建立起精确的NURBS分析模型，避免了模型转换操作及误差；另一方面还可保证待分析物理场的高阶连续性，无需设置转角自由度等。为了在给定壳面上实现结构的拓扑演化，借助NURBS曲面（也即等几何分析中的薄壳中面）的映射关系，仅需在规则的二维参数区域内改变结构拓扑即可。鉴于此，采用自适应泡泡法在壳面参数区域内开展拓扑优化，该方法包含孔洞建模、孔洞引入和固定网格分析三个模块，它们在当前工作中分别基于闭合B样条、拓扑导数理论和有限胞元法实现。其中，闭合B样条兼具参数和隐式两种表达形式，参数形式便于在CAD系统中直接生成精确的结构模型；隐式形式不仅便于开展孔洞的融合/分离操作，还能与有限胞元法有机结合以替代繁琐的修剪曲面分析方法。理论分析和数值算例表明，所提优化设计框架将复杂的薄壳结构拓扑优化问题转化为简单的二维结构拓扑优化问题，在保证足够分析精度的基础上使用相对很少的设计变量就可得到具有清晰光滑边界且便于导入到CAD系统的优化结果。
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双稳态俘能器可实现宽频和高效的俘能效果. 目前的研究主要在双稳态结构中接入单一电阻电路进行俘能. 本文将非线性RLC(电阻-电感-电容)谐振电路引入到三弹簧式双稳态结构中, 构建两自由度非线性系统, 以实现俘能特性的提升. 设计永磁体与线圈的构型, 获得了非线性机电耦合系数. 推导并得到了两自由度非线性俘能器的控制方程. 利用谐波平衡法推导得到了系统的电流与位移的频率响应关系. 基于雅可比矩阵对解的稳定性进行了判别. 将解析解与数值解进行了对比验证. 结果表明, 在双稳态俘能器中引入非线性二阶谐振电路不仅有利于低频俘能, 还可进一步提升俘能响应, 拓宽俘能带宽. 相同的电路参数下, 与线性电路相比非线性电路可通过电流的倍频现象实现结构更低频率的能量俘获. 减小谐振电路与双稳态结构共振频率之比, 增加基础激励幅值, 减小静平衡点之间的距离均可提升俘能器的俘能效果. 通过调控谐振电路与双稳态共振频率之比和基础激励幅值等参数, 可实现系统单倍周期响应、多倍周期响应及混沌响应之间的切换.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-048
对湍槽流的减阻研究具有科学意义和工程应用价值，已有大量研究表明向单相湍流中添加离散物质是一种有效的被动减阻方法。相比于被动减阻技术，主动减阻技术如壁面震荡减阻的可控性更高，近年来也得到广泛的关注，但对于壁面展向震荡诱导减阻的研究主要针对单相湍槽流，还未见有相关研究将这一手段用于含颗粒湍槽流的减阻。因此，本文采用直接数值模拟方法开展了壁面展向震荡诱导颗粒湍槽流减阻的机理研究。一方面关注壁面震荡对颗粒湍槽流的调制效果及机理。另一方面关注颗粒和震荡对单相湍槽流的耦合减阻效应。结果表明：壁面震荡可以达到有效减阻，且存在最优周期使减阻率达到最大。在相同体积分数下，施加壁面震荡的小颗粒湍槽流减阻效果更好。相比于单相湍槽流，当震荡周期小于最优周期时，震荡和颗粒的耦合效应对减阻率的额外贡献较小且可能为负，当大于最优周期时额外贡献逐渐增大，对整体减阻率的占比最高可达10%左右。
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摆式调谐质量阻尼器因其便于安装、维修、更换, 且经济实用, 广泛应用于结构减振. 它通过将摆的自振频率调谐到接近主系统的控制频率, 使摆产生与主系统相反的振动, 从而抑制或消除主系统的振动. 本文通过对主系统无阻尼的被动减振系统和主系统有阻尼的时滞反馈主动减振系统进行多目标优化设计, 实现了对主系统幅频响应曲线的等峰控制和共振峰与反共振峰差值的有效控制. 首先, 建立了时滞耦合质量摆动力吸振器减振系统的力学模型和振动微分方程, 通过对主系统无阻尼的被动减振系统进行等峰优化, 获得了减振系统的最优频率比和质量摆的最优阻尼比. 对于主系统存在阻尼的被动减振系统, 在该优化参数下主系统的幅频响应曲线等峰优化失效. 其次, 对于主系统存在阻尼的时滞反馈优化控制系统, 采用CTCR方法得到了反馈增益系数和时滞的稳定区域. 在保证系统稳定的前提下, 通过调节反馈增益系数和时滞量两个控制参数能够实现对主系统幅频响应曲线的等峰控制. 再次, 对共振点处主系统振幅放大因子时滞敏感度和反馈增益系数敏感度进行分析, 表明共振点幅值对反馈增益系数比对时滞更为敏感. 最后, 通过实验分别在频域和时域内对理论结果进行了验证. 研究表明, 通过采用时滞反馈对摆式调谐质量阻尼减振系统进行等峰优化控制, 在较宽的频率区间内抑制了主系统的振幅; 通过控制共振峰和反共振峰的差值, 保证了幅频响应曲线的平坦性.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-026
等离子体合成射流是一种能抑制流动分离的高能激励. 本文通过实验和数值仿真的方法调查了等离子合成射流对低速翼型流动分离的抑制. 激励器的电极内置在翼型内部, 射流孔位于前缘点. 流场烟雾粒子浓度分布和数值模拟的结果均表明逆向等离子体合成射流能推移低速翼型的流动分离点, 并提升翼型的升力特性. 逆向等离子体合成射流推移分离点距离和提升翼型升力特性的能力随迎角的增大而增强. 当迎角为16°时, 等离子体激励推移翼型流动分离点的距离约占弦长的16.5%, 提升翼型升力系数约17.3%. 结果表明低速流动中, 逆向等离子体合成射流产生的热射流与主流相互作用会形成条带状热结构. 条带状热结构具有先导掺混作用, 能增强主流与分离剪切层内流体的掺混. 而射流主体具有掺混和诱导作用, 能诱导分离剪切层的动态重新附壁. 条带状热结构、射流主体与主流的相互作用是逆向等离子合成射流抑制低速翼型流动分离, 提高翼型升力特性的主要机制. 在不同的阶段, 条带状热结构的作用和射流主体的作用不同. 这种差异性导致它们的耦合性也发生了变化, 并使得翼型的升力特性出现了五种典型阶段. 此外, 实验结果还表明放电参数恒定时, 串联阵列式激励器的流动控制效果强于单个激励器.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-005
高超声速液膜冷却技术是通过一系列狭缝或孔洞压出冷却工质，在飞行器表面边界层形成一层低温冷却膜，阻止高超声速气流对飞行器的气动加热。其作为一种主动冷却方式在高超声速飞行器表面热防护有着巨大的应用潜力。本文采用数值方法，结合VOF模型，研究25km飞行高度和Ma5气流条件下的液膜铺展情况，并通过不同冷却工质的入射速度、角度、表面张力和粘性系数条件，讨论了液膜在平板上的演化过程和冷却机理。结果表明，在气流作用下，液膜向壁面下游发展，液膜的存在导致边界层分离，连续液膜会在一定位置断裂为液块，然后进一步破碎为液滴。入射条件和液体性质的改变，会影响液膜沿流向的发展，具体表现在连续液膜断裂点的位置和连续液膜的厚度。在本文所设定的计算域内，壁面热流降低了百分之80到95，液膜对壁面的冷却效率由于液膜形态的变化而变化。
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