传统乘波体设计方法设计状态单一, 乘波体偏离设计点状态时高升阻比性能优势难以保持, 限制了乘波体在宽速域气动布局设计中的应用. 文章从密切锥乘波体理论出发, 通过在不同密切面内布置不同马赫数的锥形流场, 提出基于可变马赫数流场的定平面形状乘波体设计方法, 根据给定前缘型线生成不同展向马赫数分布的基准外形. 使用计算流体力学技术分析流场激波结构以及升阻力性能和纵向稳定性, 并与传统使用固定马赫数锥形流场的乘波体外形作比较, 探索这种定平面形状乘波体在高超声速范围内的宽速域特性. 结果表明, 基于可变马赫数流场的定平面形状乘波体设计是可行的, 可以有效扩大设计空间; 在高超声速阶段的宽速域范围内, 可变马赫数乘波体具有均衡的升阻比和容积率; 但可变马赫数基准流场对纵向稳定性的影响很小. 比较等容积、同样平面形状的固定马赫数乘波体, 发现在高超声速阶段, 可变马赫数乘波体的宽速域升阻性能没有明显优势.
2023, 55(9): 1809-1819.
doi: 10.6052/0459-1879-23-123
钝体绕流引起的壁面压力脉动是气动/振动噪声的主要激励源. 钝体绕流引起的流动较为复杂, 无法直接采用基于平板边界层的模型直接模化壁面压力. 因此, 分析钝体绕流影响下的壁面压力在水下潜航器、汽车以及飞行器的自噪声和辐射噪声预测中具有重要意义. 文章以理想汽车后视镜绕流为例, 采用大涡模拟方法结合不同的亚格子湍流模型, 开展了后视镜下游壁面压力脉动时空性质的数值研究. 数值模拟中, 壁面压力相关统计量如压力系数和频率谱与文献中的数值和实验结果均相符. 藉由不同的相速度, 在时空能谱中分离了壁面压力脉动的3个特征流动: 对流、回流和声传播. 后视镜下游壁面压力脉动的空间谱, 相比于平板边界层, 出现等值线形状弯曲的现象. 通过基于泰勒冻结假设的统计分析, 得到了壁面压力脉动对流速度的空间分布. 根据对流速度, 壁面压力脉动在物理空间上可以分为: 回流区、稳定对流区和过渡区. 稳定对流区的壁面压力脉动的空间谱未出现弯曲现象, 而其空间关联半衰长度与频率倒数成正比, 表现出了经典平板边界层理论中的定量特性. 该工作表明, 钝体绕流使得边界层壁面压力传播方向发生偏转, 而壁面压力脉动在偏转后的稳定对流区依然保有平板边界层中的时空统计特性.
2023, 55(9): 1820-1833.
doi: 10.6052/0459-1879-23-100
以单自由度二维圆柱为研究对象, 将速度反馈与位移反馈加入涡激振动理论模型中, 探究了速度反馈和位移反馈控制规律, 同时引入智能算法, 利用神经网络将流场信息映射到反馈增益大小, 采用遗传算法优化神经网络参数, 从而得到不同折合流速 ($ {U_r} $ = 3.5 ~ 8)下速度反馈与位移反馈较优组合, 由此提出圆柱涡激振动增强策略, 进而实现不同流速下圆柱涡激振动主动控制. 研究表明: 速度反馈与位移反馈为涡激振动系统提供了能量源, 激发了圆柱的振动和漩涡脱落, 使涡激振动的起振时间要早于未受控状态, 且振动频率高于未受控状态, 使圆柱的涡脱频率不再受圆柱固有频率的支配, 最终实现了在折合流速范围 $ {U_r} $ = 3.5 ~ 8 内使圆柱的振动幅值比稳定保持在目标振幅比(0.6 ~ 0.8)内, 这一结果说明外部激励能够控制结构的振动速度和起振时间; 同时将反馈增益约束引入智能控制算法模型中, 对原计算模型进一步优化, 使平均能耗 J 较无约束情况降低了 33.08%, 极大地减少了主动控制过程的能耗. 本研究可实现主动控制钝体涡激振动增强, 将有益于更有效地捕获风振能量.
2023, 55(9): 1834-1846.
doi: 10.6052/0459-1879-23-183
高超声速再入飞行器面临着严峻的气动热环境, 准确预测微烧蚀过程对热防护系统的设计至关重要. 由于烧蚀会改变气动外形, 进而影响周围的气动热环境以及烧蚀过程本身, 因此需要将烧蚀过程与流场变化进行耦合计算. 文章采用基于直接模拟蒙特卡洛(DSMC)方法的开源程序SPARTA, 对高超声速条件下的再入飞行器表面微烧蚀问题展开研究. 为构建并测试通用的耦合算法, 通过典型的一维烧蚀模型改进了SPARTA的动能烧蚀模型并采用烧蚀表面热平衡模型计算烧蚀速率, 结合Marching Square算法的特点修改了网格节点的计算方法. 针对柱体、球锥以及带有微小粗糙元的斜楔体等典型外形, 文中计算了二维条件下不同气动外形的烧蚀过程并进行了详细分析. 其中球锥截面烧蚀预测结果中沿驻点线的烧蚀面呈现出较快的衰退速率, 并且与文献中驻点附近的结果吻合情况较好. 斜楔体的烧蚀结果表明, 微小粗糙元的附近存在着非常稀薄的流场区域, 并且其与头部驻点区域会率先发生烧蚀, 反映了再入飞行器表面的微烧蚀特征. 烧蚀结果对高超声速下微烧蚀机理的研究以及热防护系统的设计具有参考意义.
2023, 55(9): 1847-1857.
doi: 10.6052/0459-1879-23-112
激波的内部流动由一组具有渐近边界条件的流体力学方程控制, 这类常微分方程的边值问题一般用打靶法将其转化为初值问题迭代求解. 然而经过验证计算, 打靶法不能有效地求解激波结构, 流动参数总是先趋近波后值, 随后迅速偏离, 直至发散. 文章基于相平面中微分方程相轨迹图的拓扑结构对系统的动力学性质进行了定性分析, 指出波后点是鞍点, 其附近的方向分布导致正向推进计算中任何微小误差都会被放大, 使积分曲线偏离解曲线, 引起发散. 针对该问题, 提出一种逆向推进的数值求解策略及相应的初值确定方法, 先用L’Hôpital法则和Euler格式在波后点附近确定一合理初值点, 然后从该点向上游积分. 由于逆向推进的积分曲线总会被方向场导向波前点, 随着积分的进行误差会不断降低, 计算是无条件收敛的. 为进一步验证该方法的有效性, 对单原子气体中波前马赫数1.01 ~ 100的正激波进行了计算, 结果表明, 逆向推进法能正确而高效地求解激波内部结构.
2023, 55(9): 1858-1866.
doi: 10.6052/0459-1879-23-093
外部激励作用下液滴的表面失稳特性一直都是流体力学领域十分关注的问题. 在不同的振动激励参数下, 表面会产生不同形态的波形或破碎生成二次液滴. 本文对于液滴表面纬向波和经向波发展的动态特性和产生机理开展了研究. 首先建立激励振幅和频率可控的液滴振荡实验系统. 实验结果表明, 激励振幅的改变会影响液滴表面波形, 振幅较大时经向波才会产生, 演化频率为驱动频率的一半, 而纬向波一直存在, 其频率等于驱动频率. 驱动频率改变会引起失稳模式的转变, 驱动频率增加, 表面波模态数增加、波长减小. 驱动频率超过一定阈值, 波形会从只存在纬向波模式向纬向波叠加经向波模式转变. 同时, 基于三维数值模拟, 通过研究液滴的速度场与压力场, 结合液滴顶点位移与惯性力的相位关系, 阐明液滴形成纬向波的机理: 在惯性力和表面张力的共同作用下, 液滴表面波完成周期性的能量转化和传递. 通过对比分析竖直方向与沿液滴径向加速度下Faraday不稳定性主导的表面波特性, 发现液滴的几何特征使得接触线处产生法向的径向力, 当竖直惯性力增加使得径向力达到一定阈值, 液滴发生经向失稳, 相应经向波频率为驱动频率的一半.
2023, 55(9): 1867-1879.
doi: 10.6052/0459-1879-23-238
凝胶推进剂是一种具有剪切变稀特性的非牛顿流体, 其流变性质还会受到温度的影响. 在凝胶推进剂制造和装填过程中, 极易出现气体混入的情况, 这会直接影响发动机的工作性能. 为了探究气泡在凝胶推进剂中的运动特性, 文章采用流体体积法(VOF)模拟研究了静止凝胶中单气泡在浮力作用下的上升过程, 其中凝胶的黏性以改进的Carreau-Yasuda模型描述, 通过连续表面力(CSF)模型计算凝胶的表面张力. 通过改变凝胶中温度、流变指数、特征时间和表面张力等参数, 观察非牛顿流体中黏度和剪切速率的变化, 进而得到其对气泡的纵横比、重心位置和速度的影响. 并探讨了不同温度下, 流变指数与特征时间两种参数对气泡运动的影响. 研究结果表明, 凝胶的高黏性会阻碍气泡的运动并限制气泡的形变, 导致气泡的形变不显著; 温度的升高会降低凝胶的黏度, 从而显著影响气泡的运动轨迹和形态, 使得气泡上升速度增加并增加其变形; 流变指数和特征时间会通过改变液体性质进而对气泡的速度和纵横比产生影响; 此外, 表面张力的变化会对气泡底部的变形产生较大影响.
2023, 55(9): 1880-1891.
doi: 10.6052/0459-1879-23-208
爆轰推进系统具有热循环效率高和燃烧速率快等优点, 逐渐展露出将取代传统动力技术的趋势, 在高超声速飞行器推进领域中具有广阔应用前景. 对推进系统而言, 气流总压损失需要尽可能小, 从全解域出发研究斜爆轰波总压特性有利于在爆轰推进系统的概念设计阶段控制总压损失量值. 文章关注于已经形成稳定的斜爆轰波面, 将斜爆轰波视为有瞬时能量添加的斜激波, 利用极曲线方法研究斜爆轰波总压损失问题. 以波前法向马赫数作为爆轰波强度表征量, 推导出斜爆轰波强度关系式, 发现绝热斜激波强度最弱关系式同样适用于斜爆轰波. 借用激波图解法, 证明了斜爆轰波最小总压损失特性仍然存在, 并进一步揭示了最小总压损失线会随着添加能量的增大而向更大的爆轰角偏移, 而原本对称的总压损失规律被打破. 此外, 还获得了增加能量大小和诱导爆轰楔面角度对最小总压损失的影响规律, 发现当获得的能量越多而楔面角度越小时斜爆轰波总压损失极值点越容易向更大的爆轰角偏移. 最后, 根据斜爆轰波总压特性, 提出了一种可提高发动机总压理论上限的简化设计思路, 斜爆轰波总压规律可为斜爆轰发动机的概念设计提供参考.
2023, 55(9): 1892-1899.
doi: 10.6052/0459-1879-23-151
目前, 大多数的能量收集器从低频运动中只能收集到较少的能量, 且能量收集效率较低. 低频激励下发电输出能量低是当前限制电磁俘能器多场景应用的关键问题, 而电磁感应发电作为目前应用广泛且较为成熟的发电技术, 具有高功率输出, 被广泛应用于能量收集领域, 有望解决这一技术瓶颈. 本文提出了一种基于斜齿离合传动系统的电磁式振动俘能器以系统性解决输出频率低和能量转化时间短的问题. 俘能器的机械传动系统由直线−旋转转化模块、牙嵌离合模块和能量存储/释放模块三部分构成, 可将外界低频、不规则的瞬时激励(约0.2-5 Hz)转化为高频、连续的单向旋转运动以实现能量转换效率最大化. 对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型并进行实验验证. 研究结果表明, 俘能器在外界脉冲激励下可以实现开路状态长达30 s的输出; 接入负载后惯性旋转运动的最高转速可达750 rpm, 并实现了运动频率从0.17 Hz到50 Hz的近300倍提升; 单层发电模块的峰值功率可达1.25 W, 两层发电模块并联输出2.5 W的峰值功率, 可实现134 mW平均输出功率. 此外, 其紧凑高效的传动结构设计使得俘能器可以进一步集成到可穿戴设备中, 在人体能量收集领域和构建自供能物联网传感节点等方向具有重要意义.
2023, 55(10): 1-10.
doi: 10.6052/0459-1879-23-362
基于全球化石能源紧张问题, 着眼于从生物质、光能等可再生能源缓解化石能源的压力并同时减少二氧化碳的排放. 生物质作为含碳的可再生能源, 在燃料制备方面具有独特的地位. 生物质热解/水解后产物复杂, 涉及到醇、酸、醛等多种有机物, 而这些有机物大多品质较低, 不能作为燃料直接使用. 与碳氢燃料相比, 含氧燃料更适合在内缸中燃烧, 促进燃烧的深度, 减少氧气供应量和由于不完全燃烧产生的废渣. 由生物质制备长链含氧燃料不仅原料低廉, 还能充分利用生物质解聚后多种品质较低的含氧有机物. 本文简单分类介绍了常见生物质衍生物醛酮、醇醚和羧酸类代表物质的制备路径及应用领域, 详细总结了这些含氧衍生物通过醛羟缩合、烷基化、齐聚化、酮基化、Diels-Alder反应、还原醚化等不同化学手段进行碳链加长的方法路径. 在保证一定含氧量的前提下, 增大反应物的碳链长度, 提高热值, 尽可能与现有化石燃料主要成分匹配. 根据不同提质路径的特点, 本文将以上六大路径分为三类并给出每一类路径的适用条件. 通过对最新生物质领域的长链含氧化合物合成路径的综合评价为生物质长链含氧燃料的发展提供参考借鉴.
2023, 55(11): 1-11.
doi: 10.6052/0459-1879-23-323
为解决我国水资源短缺问题和开发大气水资源的急迫需求, 突破之前单电极电晕放电离子源的离子密度较低、气溶胶荷电困难的难题, 开发了一套基于离子风增强带电气溶胶沉积的负直流电晕放电系统. 该系统利用多个针电极与接地的网状电极, 实现了大面积、阵列式的负直流电晕等离子体, 可以对流经其中的气溶胶进行高效的荷电和处理. 虽然单电极放电产生的开放空间中的离子密度是双电极放电的20倍, 但双电极放电区域的电场约为单电极放电的15倍, 放电电流也更大. 强电场推动离子流进行定向运动, 同时推动中性分子, 使该装置可以产生速度高达2 m/s的离子风, 而与之相比, 单电极电晕放电的离子风速低于检测限. 双电极电晕放电产生的离子风带动了云室中空气的流动, 可以有效促进气溶胶的荷电、碰并以及在接地网状电极上的沉积, 可以快速减少空气中的气溶胶密度, 所需的时间仅为单电极放电的1/4. 在水雾气溶胶的沉积实验中, 其水雾的总沉积量是单电极放电的8.3倍. 因此, 双电极放电系统是诱导降水或消除致病生物气溶胶的潜在有效方法.
2023, 55(11): 1-8.
doi: 10.6052/0459-1879-23-339
圆锥圆柱外形射弹小角度高速入水过程中, 入水初期空泡呈不对称性发展. 随着入水角度减小, 入水空泡发展不对称性现象加剧, 使得弹体受到阶跃性突变力矩作用, 导致其姿态角发生大幅度变化, 严重影响射弹入水弹道稳定性, 甚至出现入水跳弹现象. 为了改善高速射弹小入水角度入水过程弹道稳定性, 本文基于“空化器空化效应”原理提出了一种阶梯式圆柱外形射弹设计方案. 通过流体体积多相流模型和动网格技术, 建立超空泡射弹小角度入水数值计算方法, 并通过入水试验验证了数值方法的有效性. 对阶梯圆柱外形射弹与圆锥圆柱外形射弹以5°入水角的入水过程进行了数值模拟研究, 得到了不同射弹外形空泡演化特性对水动力特性及弹道稳定性的影响. 结果表明: 阶梯圆柱外形能够加快初生空泡的发展并伴随多空泡融合现象, 在0°攻角条件下, 当空泡充分发展后, 空泡尺寸未发生改变, 在小攻角(5°)工况下, 空泡对弹体的包覆面积增大, 改善了射弹的升力性能; 在小角度入水过程中射弹锥段空泡发展形态对入水稳定性具有重要影响, 阶梯圆柱外形能够有效加快入水空泡的发展, 进而形成有效抑制攻角持续增大的恢复力矩, 提升了高速射弹小角度入水初期弹道稳定性.
2023, 55(11): 1108-1119.
doi: 10.6052/0459-1879-23-212
机器人在轨自主组装是未来建造超大型航天结构最具潜力的方式. 超大型结构通常包含多个模块, 需要机器人在柔性结构上反复进行抓捕、安装、爬行等操作. 此外, 组装过程中结构还受到空间环境干扰力的影响, 需要经历构型的增长和参数的变化, 导致其动力学行为非常复杂. 为了研究机器人空间组装超大型多模块结构的过程, 提出了一套轨道−姿态−结构耦合动力学、规划与控制的仿真框架. 首先, 采用自然坐标法和绝对节点坐标法建立主结构、空间机器人、组装模块的轨道−姿态−结构耦合动力学模型, 采用Kelvin-Voigt线性弹簧阻尼模型描述机器人末端夹持机构和模块对接机构的接触碰撞. 然后, 对机器人进行运动规划、轨迹规划和关节轨迹跟踪控制研究. 最后, 采用不同的组装姿态和不同的姿态控制方案对组装过程进行动力学仿真. 仿真结果表明, 由于质心位置的改变和组装模块的轨道差异, 主结构在组装过程中可能会出现显著的轨道漂移(取决于组装姿态). 如果模块沿轨道半径方向组装到主结构, 将导致组装过程长半轴和离心率出现快速增长; 反之, 如果模块沿轨道切向组装, 长半轴和离心率基本保持不变. 此外, 即使采用了万有引力梯度稳定的组装姿态, 仍需进行姿态控制和结构振动控制, 以减小结构振动幅值, 降低机器人与结构的碰撞风险, 提高组装精度和组装效率.
2023, 55(12): 1-14.
doi: 10.6052/0459-1879-23-289
人字齿轮承载能力强, 重合度大, 可靠性高, 多于高速、重载工况下使用. 探究高速重载人字齿轮传动系统非线性动力学特性, 可为其设计提供参考. 首先, 计算齿轮副时变啮合刚度; 引入齿侧间隙、间隙非线性函数和综合传动误差, 计算时变啮合力; 引入轴承游隙, 计算轴承受力. 随后, 建立高速重载人字齿轮传动系统非线性动力学方程, 使用4阶Runge-Kutta法对方程求解. 最后, 探究不同因素对系统动态响应影响. 保持系统其他参数不变, 分别改变输入转矩、啮合阻尼、齿侧间隙、啮合刚度及激励频率, 绘制系统时间−位移图像、时间−速度图像、空间相图、空间频谱图及分岔图, 观察系统非线性动力学响应变化趋势, 判别系统运动状态. 结果表明: 在一定范围内, 系统稳定性与啮合阻尼、啮合刚度呈正相关关系, 与齿侧间隙、输入转矩呈负相关关系; 逐渐增大外部激励频率时, 系统运动从单周期运动逐渐变为混沌运动, 随后又回归单周期运动. 为保证系统平稳运行, 应合理选取外部激励频率.
2023, 55(10): 2130-2141.
doi: 10.6052/0459-1879-23-166
材料/结构的断裂是一个多尺度过程, 绝大多数断裂过程都涉及到原子键的断裂, 因此原子尺度的演化对材料的宏观断裂行为有重要影响. 随着实验技术的飞速进步, 高清电子显微镜已经可以观察到原子尺度的裂纹, 而计算能力的日渐强大使得原子尺度模拟成为揭示实验现象背后的断裂机制、研究众多典型纳米结构材料断裂行为的有力工具. 在本综述文章中, 我们首先介绍了原子尺度断裂模拟的加载方法, 包括均匀加载、速度梯度加载、K场加载和静水应力加载, 并综合对比了上述加载方法的适用范围, 然后给出了基于原子尺度信息定量计算断裂韧性的方法, 包括能量释放率法、线下面积积分法、临界应力强度因子法、原子尺度内聚力模型法和原子尺度J积分法. 随后介绍了近年来有代表性的不同类型的纳米结构材料(包括单晶、多晶、孪晶等晶体结构, 非晶结构, 异质界面结构)断裂行为模拟研究, 例如钝化处理的单晶硅太阳能电池裂纹抗力大大增加、锂离子电池中锂化浓度控制的硅电极韧脆转变、错配应力驱动界面自发分层一步制备大尺度纳米硅片. 这些研究结果揭示了实验现象背后的机理, 同时和实验结果的一致性也印证了原子尺度模拟的可靠性与准确性. 最后强调了原子尺度模拟面临的一些问题和挑战, 并对将来的发展方向进行了展望.
2023, 55(12): 1-18.
doi: 10.6052/0459-1879-23-281
计算流体力学(CFD)方法是涡轮叶片等设计阶段性能评估的重要手段. 然而, 基于CFD的数值仿真方法通常比较耗时, 难以满足涡轮叶型设计阶段快速迭代的需求. 为实现快速性能评估并克服纯数据驱动预测模型泛化能力不足的问题, 受到物理增强的机器学习思路的启发, 将相似性原理与深度学习模型相结合, 提出了一种泛化能力强的涡轮叶型流场预测新方法. 以涡轮叶片表面等熵马赫数分布预测为例, 提出采用相似性原理对叶型几何变量和气动参数进行归一化, 进而在归一化参数空间构建训练样本集与深度学习预测模型, 由此建立统一的流场预测模型, 对几何尺寸、边界条件差异较大的叶型气动性能进行评估. 在完成模型训练后, 对归一化条件下不同工况/不同形状叶型的流场、真实环境下不同工况/不同尺寸叶型的流场以及GE-E3低压涡轮不同截面叶型的流场进行预测, 结果表明预测结果的分布曲线与CFD评估结果吻合良好, 平均相对误差在1.0%左右, 由此验证了所提出的融合相似性原理的流场预测模型的精度与泛化能力.
2023, 55(11): 1058-1071.
doi: 10.6052/0459-1879-23-382
海洋环境传感器、航行器/机器人等无人机电系统可用于海洋军事侦察、资源探测、生态监测、海洋大型设备设施状态监测等，有益于海洋生态保护、海洋经济发展和海洋权益维护。长期有效供能是制约海洋无人机电系统在辽阔海域作业的瓶颈难题。电池电量有限且污染环境，线缆供电成本高且限制了海洋机电系统的机动性。波浪能是最丰富并且可以被大规模利用的可再生能源之一。将波浪能量转换为电能，可以实现海洋环境机电系统的自供能传感、控制与驱动，具备可持续、灵活便捷、节能环保的优势。本文全面论述波浪能量采集、基于波浪能量采集的自供能海洋无人机电系统和海洋无人机电系统的研究进展，讨论目前自供能海洋无人机电系统面临的关键挑战并进行展望，为解决海洋无人机电系统长期有效供能难题提供多维度参考，推动自供能传感、控制与驱动等技术的发展与应用，助力海洋无人机电系统应用于深海远海。
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机械能量采集是将环境中分散和无序的低品质高熵机械能转换为电能，可以为广泛分布的传感器等低功耗电子器件供电实现自供能物联网，具有灵活、便捷、可持续和零碳环保的优势，能够广泛应用于生态环境监测、基础设施健康状态监测、设备状态监测等，是国际前沿研究热点。但是，目前机械能量采集存在输出功率低、工作频带窄、低频效果差、环境适应性差和可靠性低等制约其实际应用的关键难题。机械能量采集动力学调控方法能够改善机械能量采集系统的动力学性能，使其与特定的环境激励相匹配，提升系统的输出电学性能。本文构建了机械能量采集动力学调控方法体系，包括激励调制、非线性系统、多自由度系统、自适应控制和策略调控等方法；论述了动力学调控方法的最新研究进展，包括每类动力学调控方法的特点和典型设计；最后，总结了动力学调控方法的关键挑战，并预测了未来发展方向。本文为机械能量采集系统适应复杂环境激励提供了新的动力学调控视角，有益于促进机械能量采集理论与技术的发展。
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本文通过实验、理论和数值模拟研究泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的动态变形模式及吸能机制. 采用不同质量的球形乳化炸药进行爆炸试验. 结构轴向变形分为三个区: 大塑性变形区、绕塑性铰的刚性旋转区和无变形区. 在考虑环向膜力和轴向弯矩的情况下, 提出内爆作用下夹芯圆管动态响应的显式计算方法. 通过建立基于三维Voronoi算法的泡沫芯有限元模型, 探索结构能量耗散机制. 通过实验观测到的泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的变形机制, 结合内外管的弯曲变形及芯层压缩, 给出了结构在响应过程中能量吸收的理论解. 以结构比吸能和外管中心挠度为控制参量求得夹芯圆管的最优解集. 进一步研究炸药质量、内外管直径、壁厚及芯层轴向梯度排列方式对结构动态变形模式和吸能机制的影响. 结果表明: 内管壁厚对外管中心线的挠度影响较大, 而芯层厚度和外管壁厚的影响较小; 如果夹芯圆管的轴向梯度结构从管轴向对称面到两端边缘呈对称递减分布时, 具有较好的抗爆性; 数值计算和实验测试结果均与理论预测吻合.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-165
聚合物驱已成为国内外化学驱中提高原油采收率主要方法之一, 其在大庆油田的60年开发稳产中起到重要作用, 在水驱基础上提高原油采收率达到约13个百分点. 聚合物驱主要驱油机理为改善流度比, 提高注入液的波及体积, 从而提高驱油效率. 近几年, 聚合物溶液粘弹性能够进一步扩大其在多孔介质中的微观波及面积从而提高微观驱油效率的作用机理也逐渐被人们所认识. 本文从聚合物溶液粘弹特性、聚合物驱微观可视化实验、岩心驱替实验及驱油机理理论研究四个方面进行了综合分析, 对比论述了国内外关于粘弹性聚合物溶液渗流机理的研究现状、实验手段及方法, 给出了聚合物溶液的粘弹性产生的法向应力能够进一步对水驱后残余油产生“拉”“拽”作用, 从而使其比纯粘性流体进一步提高在多孔介质内的微观波及效率及驱油效率, 明确了弹性湍流是产生表观增稠的本质, 对提高驱油效率产生一定的正向影响. 最后针对粘弹性聚合物驱渗流机理研究面临的问题及发展方向进行总结, 弹性湍流产生的条件、粘弹性对不同尺寸孔隙内不同类型原油采收率的贡献及弹性与油藏润湿性的协同影响等机理成为未来研究的挑战与方向. 论文的归纳能够为粘弹性聚合物溶液机理深入研究及矿场设计优选聚合物提供重要的参考.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-272
三维内转式进气道的唇口结构通常存在严酷的气动热载荷。在6.0马赫的高超声速流动中，以V形钝前缘模型为研究对象，设计了局部凸起的被动流动控制降热方案。采用数值模拟手段，研究了局部凸起方案的降热能力及降热原理，优化了局部凸起方案的关键设计参数，分析了优化后的方案的攻角、侧滑角及马赫数的适用性。研究结果表明：上游凸起边缘形成的斜激波与马赫反射形成的透射激波发生干扰，能够减弱其冲击壁面的强度，实现降热的目的；驻点凸起通过改变超声速射流的对撞角度，能够降低其对撞的强度，实现降热的目的。原始方案的降热能力约为37.75%，在对局部凸起的位置、高度及宽度等关键设计参数进行初步优化后，优化方案的降热能力将提升至44.60%。设计工况下的优化方案具有良好的攻角适用性，而高度可变的优化方案可以较好地适用于有侧滑角及高马赫数的流动。在研究范围内，高度可变的优化局部凸起方案的降热能力均高于20%。
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动态液面波高场测量与面型三维重建是流体力学、晃荡动力学等研究领域中的重要问题, 但目前仍缺乏一种简易且高效的高精度全场测量手段. 本文基于光斑投影和三维数字图像相关(3D Digital Image Correlation, 3D-DIC)原理, 提出了一种动态液面波高场的测量方法. 通过液体染色和光斑投影, 在液体表面形成光斑纹理, 设置双目相机拍摄动态液面的散斑图像. 运用交比不变性标定板及张正友标定法获得双目相机内外参矩阵, 并基于反向组合高斯牛顿(Inverse-compositional Guass-Newton, IC-GN)的3D-DIC算法实现动态液面波高场的高精度三维重构. 进一步建立光斑投影的几何光学模型, 模拟规则波液面的双目图像, 开展数值模拟测量以验证本方法的理论精度, 同时开展真实液面波高场的测量验证. 结果表明本方法可实现动态液面波高场的高精度全场测量, 模拟液面测量的均方差为0.004 mm, 真实静态液面抬升测量的均方差为0.022 mm, 真实动态液面测量的均方差小于0.037 mm. 本文方法具有高精度、非接触、全场测量等优势, 可在实验室流体测量和相关工程场景中推广应用.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-261
均匀动量区(UMZs)作为动量相近的局部区域成为新的湍流拟序结构成员, 研究其统计特性与变化规律、分析其成因、研究其与其它湍流结构的内在关联, 是深入认识壁湍流的重要途径. 本文通过粒子图像测速系统(PIV)测量得到了具有高时空分辨率的湍流边界层流法向流场, 对UMZs分区、界面位置等进行了统计, 并基于瞬态流场分析了UMZs分界线与发卡涡(包)为主的湍流结构的位置关联, 结果发现: UMZs流向速度概率密度函数(PDF)和界面厚度的统计分析呈现普适的分形特性, 且不受湍流/非湍流界面(TNTI)和雷诺数的影响; 瞬态流场UMZs数目在湍流间歇区较大, 而湍流结构发展充分、层次丰富时的瞬态流场UMZs数目却较少; 壁湍流涡包结构内多个发卡涡的空间分布规律决定了UMZs的统计分形特征; 在近壁UMZs分界线向湍流结构存在区域集中靠拢, 在外区UMZs分界线穿越展向涡核, 正向涡旋导致UMZs分界线在法向上的聚集, 反向涡旋引起UMZs分界线在流向上产生分离.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-375
镍钛形状记忆合金器件在某些特定服役环境下不可避免地与氢接触, 导致其力学性能发生改变. 实验研究方面, 本文通过对两种构型(弹簧指数为8.5和11.7)的镍钛合金弹簧进行异位电解充氢, 随后对充氢和未充氢镍钛合金弹簧进行不同幅值的拉伸−卸载实验, 揭示了氢对超弹性镍钛合金弹簧变形行为的影响. 结果表明, 氢会显著影响弹簧的相变硬化行为, 并且使马氏体相变临界力下降地更为迅速. 理论研究方面, 基于实验结果, 在不可逆热力学框架下构建了镍钛形状记忆合金力−扩散耦合本构模型. 在该本构模型中, 考虑了与弹性, 马氏体相变和氢致膨胀相关的应变和氢浓度场对马氏体相变的影响. 通过建立的Helmholtz自由能推导出相变行为的热力学驱动力. 基于质量守恒定律和Fick定律, 得到氢浓度场的演化方程. 为了准确地描述充氢和未充氢镍钛合金弹簧的变形行为, 在建立的本构模型基础上, 进一步发展了描述弹簧力−扩散耦合变形行为并考虑其扭转、弯曲变形模式的半解析模型. 通过与实验结果的对比, 可以发现, 本文提出的半解析理论模型能够很好地预测富氢环境下超弹性镍钛合金弹簧的变形行为.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-282
