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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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弹性波与力学超材料设计与应用专题
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. 本文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理论研究, 建立超材料构型在折展变形过程中的力学模型, 分析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, 从而揭示折纸超材料稳态特性的转变机理. 本文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.
2022, 54(10): 1-7.   doi: 10.6052/0459-1879-22-356
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动力学与控制
具有时滞的帕金森模型的振荡动力学分析
陈国泰, 郑艳红, 易丹, 曾巧云
研究大脑基底神经节中产生异常β振荡的起源有助于分析帕金森病的致病机理. 本文系统地研究了改进的皮质−基底神经节(E-I-STN-GPe-GPi)共振模型的振荡动力学.首先, 通过Routh-Hurwitz准则和稳定性理论获得了该模型局部平衡点处的稳定性与Hopf分岔发生的条件, 并且推导出该共振模型存在Hopf分岔的时滞参数范围.研究发现, 增加突触传输时滞能够使模型产生Hopf分岔, 并且诱导β振荡的产生, 使系统在健康和帕金森病这两个状态之间相互转换.其次, 揭示了β振荡的产生与丘脑底核相关的突触连接强度有关.数值模拟发现, 当丘脑底核同时受到兴奋性神经元集群和苍白球外侧较强的促进作用时, 丘脑底核产生振荡.最后, 分析了与苍白球内侧有关的参数对其产生振荡的影响, 研究结果发现, 当较小的苍白球外侧突触连接强度和较大的突触传输时滞共同作用时, 苍白球内侧更容易发生振荡, 且振幅越来越大.希望本文对E-I-STN-GPe-GPi共振模型的动力学特征的研究有助于人们理解帕金森病的致病机理和揭示帕金森病异常β振荡的来源.
2022, 54(10): 1-9.   doi: 10.6052/0459-1879-22-307
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生物、工程及交叉力学
基于机器学习软骨细胞的时间依赖性力学行为研究及本构参数反演
魏新宇, 桑建兵, 张睿琳, 王静远, 刘宝友
探究软骨细胞机械负载下的力学特性对于理解软骨细胞的正常和病理状态以及骨性关节炎的病因至关重要. 基于软骨细胞有限元计算模型的力学响应与其本构参数之间的高度复杂非线性, 本文提出了分别利用双向深度神经网络(TW-Deepnets)模型和随机森林(RF)模型并结合有限元方法来识别软骨细胞本构参数的两种反演方法. 首先, 建立了软骨细胞的无侧限压缩实验有限元模型, 收集MSnHS本构参数空间点与对应的有限元计算模型的压缩反作用力响应数据集. 其次, 结合贝叶斯超参数优化算法搭建了用于软骨细胞本构参数反求的TW-Deepnets模型和RF模型, 对有限元收集的数据进行训练, 并利用Nguyen等人单个软骨细胞受到50%压缩程度下的实验数据对软骨细胞的MSnHS本构参数进行了反求. 最后, 通过与实验曲线的对比验证了所提出的反演方法的有效性, 并引入决定系数R2对两种模型的预测准确性进行了对比评估, 检验了模型对各本构参数的预测性能, 分析了MSnHS本构模型中各参数影响软骨细胞力学响应的重要性占比. 结果表明, 本研究提出的本构参数反演方法能够有效获取软骨细胞的本构参数值, 从而准确描述软骨细胞的时间依赖性力学特性, 该方法也可进一步推广到生物细胞在静态或动态负载条件下的复杂参数反演问题.
2022, 54(11): 1-8.   doi: 10.6052/0459-1879-22-344
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动力学与控制
基于Welch法的协方差随机子空间方法的模态参数识别
李雪艳, 官宇航, 罗铭涛, 吴博宇
对工程结构进行环境激励下的模态参数识别具有重要意义, 而随机子空间法作为适合环境激励下模态参数识别的时域方法, 由于噪声和复杂激励的原因, 会产生虚假模态、真实模态遗漏、系统自动定阶难和计算效率等问题, 这些问题阻碍了该方法在实际工程中的广泛应用. 本文提出了基于Welch法的随机子空间方法, 通过Welch法对振动响应在频域进行去噪、降低环境激励和其他不确定性因素影响的处理, 把结构固有模态从噪声和激励频率中突显出来, 形成富含更多结构模态的Toeplitz矩阵, 然后进行奇异值分解和状态矩阵计算, 最后进行特征值分析. 为了实现自动定阶, 对不同奇异值分量构建的状态矩阵得到的特征参数, 进行模糊C均值聚类分析和模态的平均相位偏移分析, 剔除虚假模态, 实现结构模态参数的自动识别. 并把本文所提出方法应用于一座大跨悬索桥的实测加速度响应分析, 和一座七十层的高层建筑的加速度响应分析, 跟频域分解法、传统随机子空间法和基于相关分析的随机子空间法的计算结果进行了比较, 发现基于Welch方法的随机子空间法相比于传统随机子空间法和基于相关分析的随机子空间法, 在避免模态遗漏和计算效率方面有显著提高, 而相对于频域分解法则在自动识别和剔除虚假模态方面有明显优势.
2022, 54(10): 1-11.   doi: 10.6052/0459-1879-22-256
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流体力学
氨燃料吸气式变循环发动机性能分析
张鑫, 陆阳, 程迪, 范学军
针对飞行马赫数0 ~ 10的宽域飞行器对吸气式动力的需求, 提出了一种以氨为燃料和冷却剂的宽域吸气式变循环发动机, 其工作模态可有3种: 涡轮模态, 预冷模态和冲压模态. 首先通过对该发动机各模态热力循环过程进行建模, 计算得到发动机比推力、比冲和总效率等性能参数, 初步验证其在马赫数0 ~ 10范围内工作的可行性; 然后, 选取甲烷和正癸烷为低温低密度和煤油类碳氢燃料的典型代表, 对比各模态下氨与碳氢燃料发动机的性能差异. 结果表明, 由于氨突出的当量总热沉和当量热值, 飞行马赫数3 ~ 5的预冷模态发动机性能各指标均优于碳氢燃料. 在涡轮模态和冲压模态下, 氨燃料发动机比冲较低, 但比推力和总效率优于碳氢燃料; 最后, 对比分析各类燃料马赫数0 ~ 10宽域工作特性, 发现氨预冷可以显著提升发动机比推力, 特别在高马赫数范围, 再生冷却通道内氨可发生裂解反应大量吸热并分解为氢气和氮气, 会进一步提升发动机比推力和比冲, 且不会堵塞冷却通道, 因此可胜任飞行马赫数0~10的宽范围飞行需求. 而煤油类碳氢燃料受限于比推力低和裂解结焦问题, 最高工作马赫数难以超过8. 本文提出的氨燃料吸气式变循环发动机, 当量冷却能力强且比推力高, 适合用于二级入轨飞行器的一级动力、高马赫数宽域吸气式飞行以及未来高超声速民航等场景.
2022, 54(10): 1-15.   doi: 10.6052/0459-1879-22-295
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弹性波与力学超材料设计与应用专题
增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料力学性能理论研究
朱一林, 江松辉, 于超
前期研究工作中, 基于有限元分析, 作者发展了一种在大变形范围内具有可调恒定负泊松比的新型增强六手臂缺失支柱手性拉胀超材料. 为了揭示微观结构−力学性能关系, 并进一步指导超材料目标参数设计, 本文在小变形框架下基于能量法建立了表征该拉胀材料等效泊松比和弹性模量的理论模型. 增强六手臂缺失支柱手性拉胀材料由“Z”型手臂元件组成. “Z”型手臂可以被假设为两端简支的欧拉−伯努利梁. 因此, 本文首先推导了两端受集中力和力偶的任意形状欧拉−伯努利梁的应变能. 然后, 考虑平衡条件和变形协调条件进一步给出了材料等效泊松比和弹性模量的理论表达式. 研究表明只有“Z”型梁的内外手臂比为2:1时, 理论表达式才有简洁的形式. 为了更好地利用所推导的理论表达, 基于理论推导, 本文开发了MATLAT图形用户界面 (GUI). 在GUI中输入可描述该超材料几何形状的独立几何参数, 即可直接获取其等效泊松比和弹性模量. 最后, 基于理论结果, 系统讨论了超材料微结构几何参数对其等效力学性能的影响, 并将理论解与有限元计算结果进行了对比. 结果表明, 可以通过调控微结构几何参数获取大范围的目标力学性能.
2022, 54(10): 1-14.   doi: 10.6052/0459-1879-22-188
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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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流体力学
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.
2022, 54(11): 1-16.   doi: 10.6052/0459-1879-22-285
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可重构力学超材料的设计与波动特性研究
肖伯雅, 杨洮, 冯亚菲, 刘宇, 徐文帅, 陈猛, 姜恒, 王育人
力学超材料中的弯曲梁双稳态结构由于其主动调控性强且调控精度高等优点近年来受到广泛关注. 文章利用中心受压弯曲梁的不稳定性设计了六角型双稳态结构, 首先建立了等效弯曲梁模型, 基于梁变形微分方程及能量最低原理探明了结构双稳态特性的产生基理, 之后利用有限元数值计算研究了结构几何参数对其整体力学性能的影响, 分别得到了具备自恢复及双稳态性能的结构几何参数范围, 绘制了几何参数与力学性能之间的相图. 同时, 可重构结构的可控变形能力有助于调整整体的色散特性, 利用数值仿真研究了具备双稳态特性的结构在拉伸和压缩两种构型下的色散关系, 对比分析了不同结构几何参数及构型转变对结构产生的带隙位置及范围的影响, 之后对由不同构型单胞组成的周期性结构进行了频响分析来验证带隙计算的准确性. 通过六角型可重构结构的力学特性、色散特性研究及频响分析表明可以通过结构几何参数的设计实现对结构整体性能的主动调控, 为可逆向设计的弹性波超材料结构研究分析提供了一条可靠路径.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-22-366
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时变切换时滞反馈镇定混沌系统不稳定周期轨线
曾尖尖, 郑远广
为提高经典时滞反馈控制镇定不稳定周期轨线的效果,扩大受控周期轨线的稳定区域,本文基于时变切换策略对经典时滞反馈控制进行改进,提出了时变切换时滞反馈控制。时变切换时滞反馈控制的控制信号仅在特定的时段中存在,而在其它时段上不存在控制信号,这与经典时滞反馈控制中具有固定的控制信号是不同的。通过实例分析,研究了时变切换时滞反馈控制在镇定不稳定周期轨线中的具体性能。以反馈增益系数为变量,计算受控周期轨线的最大条件Lyapunov指数,得到了受控周期轨线的稳定区域随切换频率变化的关系曲线。结果表明当选取恰当的切换频率时,时变切换时滞反馈控制的稳定区域显著大于经典时滞反馈控制的稳定区域。
当前状态:
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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. 与计算方法及分析理论相对完善的周期响应相比, 准周期响应的求解只是在近些年才得到较大进展的, 而且其分岔分析更加棘手、仍需要更有效的理论和方法. 目前, 稳态响应尤其是准周期响应的分岔计算, 一般需采用数值方法、通过调节参数反复试算得到. 为此, 本文基于增量谐波平衡(IHB)法提出了一种快速方法, 可以高效地确定准周期响应的对称破缺分岔点. 方法的理论基础是, 在准周期解的广义谐波级数表达基础上, 当响应发生对称破缺分岔时、其偶次(含零次)谐波系数将逐渐由0变为小量. 基于此性质, 将零次谐波系数预先设定为小量, 同时将分岔控制参数视为可变的迭代变量, 进而通过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系统以及Duffing-van der Pol耦合系统. 结果表明, 只要迭代格式收敛, 随着预设小量减小, 控制参数将逐渐接近分岔近似值; 同时, 通过提高谐波截断数可显著提高近似分岔值的计算精度. 所提方法无需反复试算, 只要迭代过程收敛、便可实现分岔点直接快速计算.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-22-324
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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. 传统直壁蜂窝在受力后容易出现应力集中的问题, 这将导致蜂窝夹层产生裂纹破坏, 缩短夹层板的使用寿命. 针对此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曲壁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, 每阶固有频率对应的的振型一致. 通过3D打印聚乳酸(PLA)制备了曲壁蜂窝夹层板, 使用万能试验机对PLA拉伸试件进行准静态拉伸测定了打印材料的杨氏模量, 搭建振动试验平台对制备的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. 对比发现3D打印模型振动试验获得的前5阶固有频率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在特定频段内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.
当前状态:  doi: 10.6052/0459-1879-22-305
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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。
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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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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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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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