临近空间新型飞行器向全空域、更高马赫数发展, 面临的气动热环境会越发恶劣, 高温流场气动热预测技术是该类飞行器发展的关键技术之一. 高超声速气流通过激波压缩或黏性阻滞减速, 分子动能转化为内能, 产生了高温. 高温引起体分子振动、电子激发, 伴随离解、电离反应等一系列复杂气动物理现象, 其流场气动热预测面临诸多挑战. 文章对高温热化学非平衡气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨. 首先, 阐述了国内外高温气动热地面试验技术的发展历程, 重点介绍分析了气动热风洞试验设备的模拟能力及目前试验测试技术的研究水平; 然后, 调研和讨论了高温气动热数值模拟研究现状, 分别从热化学模型、辐射输运和壁面催化/烧蚀等多个角度探讨了热化学非平衡流场气动热数值模拟规律; 最后, 对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论, 提出了高温气动热试验与仿真技术后续应重点解决的问题.
2023, 55(11): 2439-2452.
doi: 10.6052/0459-1879-23-196
针对直升机旋翼反流区因反流动态失速导致的非定常载荷、阻力激增以及负升力等问题, 开展了基于后缘小翼的翼型反流动态失速主动控制试验研究. 采用动态压力测量结合翼型表面压力积分的方法, 重点分析了后缘小翼不同的振荡相位差、幅值和减缩频率对反流动态失速控制的影响规律, 对比了后缘小翼动态偏转和固定偏转的差异, 试验雷诺数Re = 3.5 × 105. 结果表明, 当后缘小翼与翼型以相同的频率正弦振荡运动, 且二者的相位差为0°时, 能改善反流动态失速过程中钝几何前缘的流动分离, 并在反流状态下实现了翼型负升力系数下降21.2%, 阻力系数下降37.5%, 俯仰力矩系数迟滞环面积下降44.6%的控制效果; 动态偏转的后缘小翼对翼型反流动态失速的控制效果随后缘小翼振荡幅值的增加而增加, 但进一步增加振荡幅值对于控制效果的提升有限; 当减缩频率增加时, 动态偏转的后缘小翼对反流状态下翼型阻力的控制效果会更加明显; 后缘小翼的动态偏转与固定偏转都能有效改善翼型在反流中的动态气动性能, 但是动态偏转对于不同翼型迎角的适应能力优于固定偏转, 并取得了更好的非定常载荷控制以及更好的阻力和负升力改善效果.
2023, 55(11): 2453-2467.
doi: 10.6052/0459-1879-23-244
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, 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): 2468-2479.
doi: 10.6052/0459-1879-23-212
格子Boltzmann方法作为一种高效的介观计算流体力学方法在过去20多年里得到快速发展, 其相对较高的计算效率和灵活性使其可以适用于各种复杂流动的模拟. 然而标准的格子Boltzmann方法只能使用均匀的直角网格, 这种网格排布方式并不利于复杂流动的计算. 为此, 基于格子Boltzmann方法的局部网格加密算法在文献中被提出. 该算法需要在局部加密的界面处将粗细网格间的分布函数转换后交换. 目前分布函数的转换方式大多是在没有源项的情况下推导的, 而且现存考虑源项时转换公式的推导也都是基于Chapman-Enskog展开; 其推导过程相对复杂, 且需要对分布函数的非平衡态部分做一阶Chapman-Enskog近似, 这有可能会限制局部网格加密算法在高阶格子Boltzmann方法中的应用. 文章在忽略时空离散误差的前提下, 以保证连续分布函数变量以及物理松弛系数一致为基础, 构建了一套规范且简洁的粗细网格间在考虑任意源项时, 分布函数转换关系的推导过程, 该方法不依赖于Chapman-Enskog展开以及Chapman-Enskog近似, 且该方法既可以适用于单松弛碰撞模型也可以适用于多松弛碰撞模型. 此外, 还从理论上证明了, 保证粗细网格间非平衡态部分的一阶 Chapman-Enskog 近似一致, 便可以保证整个非平衡态部分的一致, 这将有助于扩展局部网格加密算法中转换关系的应用范围. 最后, 通过对强迫泰勒−格林涡流动、平板泊肃叶流中对流−扩散问题和顶盖驱动方腔流动进行数值模拟, 良好的数值结果证实了转换关系对复杂源项的适应性以及局部网格加密技术在处理复杂流动问题方面的优势. 同时, 通过对一维剪切波问题的模拟, 发现由局部网格加密引起的数值黏性与加密区域的选取有很大的关系.
2023, 55(11): 2480-2503.
doi: 10.6052/0459-1879-23-229
采用风洞试验和数值模拟相结合的方法, 对雷诺数Re = 55000条件下细长旋成体有、无横向喷流时大攻角非对称特性进行了分析. 通过风洞试验发现了旋成体在法向和侧向进行喷流时其大攻角非对称气动特性与无喷流时的区别, 通过数值模拟方法对几个典型工况下旋成体有、无横向喷流时的非对称气动特性进行了分析, 揭示了喷流对旋成体非对称流动分离的影响. 通过风洞试验发现当细长旋成体进行法向控制时无喷流、喷流位于迎风区和喷流位于背风区的旋成体表现出了不同的非对称流动特性: 首先喷流位于迎风区时攻角范围在20º ~ 40º之间有喷流和无喷流旋成体所产生的侧向力方向相反, 攻角大于40º之后侧向力系数的方向发生了改变, 与无喷流时的侧向力系数方向相同, 但是其绝对值要比无喷流时的侧向力系数小. 其次喷流位于背风区时攻角在15º ~ 35º之间有喷流时的侧向力系数绝对值要明显比无喷流时大, 在随后的40º ~ 70º之间旋成体侧向力系数变化规律与无喷流的趋势相似. 当细长旋成体进行侧向控制时由于沿侧向的喷流所产生的直接力使得攻角范围在0º ~ 20º之间和大于45º时有喷流的旋成体侧向力系数绝对值要比无喷流时大, 但是攻角在25º ~ 40º之间时旋成体的侧向力系数绝对值减小, 甚至在35º时几乎为0. 通过数值模拟发现当细长旋成体进行法向控制时, 喷流位于迎风区和背风区时喷流都对有扰流片一侧的流动分离产生了影响, 使得其与无喷流时的流场结构不同. 无喷流时细长旋成体有扰流片的一侧首先发生流动分离, 但是当喷流存在时无扰流片的一侧首先发生流动分离, 从而导致了侧向力绝对值增大以及侧向力方向发生改变等现象. 当细长旋成体进行侧向控制时, 没有扰流片的一侧流动首先发生了分离, 有扰流片的一侧后发生流动分离. 旋成体有扰流片一侧由于喷流的影响在弹体喷嘴附近及后方产生了低压区, 无扰流片一侧的流动分离之后旋成体中后部分产生了高压区, 使弹体产生了沿z轴正向的侧向力, 这与喷流产生的直接力方向相反、大小相当, 从而出现了旋成体攻角在20º ~ 40º之间侧向力较小、甚至在35º时几乎为0的情况.
2023, 55(11): 2504-2517.
doi: 10.6052/0459-1879-23-251
为了揭示垂直发射条件下水下航行体头型对通气空泡演化过程的力学影响机理, 首先基于有限体积法, 结合改进型延迟分离涡模型、流体体积多相流模型及重叠网格技术建立了垂直发射条件下通气空泡的数值计算模型. 其次, 将计算结果与垂直发射实验进行对比, 验证了所提出的数值方法对通气云空泡的预测具有较高精度, 说明了该方法在通气空泡复杂非定常计算中的适用性. 最后, 对比研究了相同工况下流线头型和钝头头型航行体通气空泡流动特性和压力特性的差异, 从涡量动力学的角度分析了差异产生的原因, 结果表明: 相比于流线头型航行体, 钝头航行体通气空泡气液交界面处速度梯度较小, 受到重力和浮力的影响更大, 在瑞利−泰勒不稳定性机制的作用下, 通气空泡更早发生非线性失稳, 空泡失稳区域呈现更为剧烈的浮动行为以及空泡脱落等非定常流动特性; 较强的空泡非定常流动特性影响了钝头航行体通气空泡末端的流动分离, 从而抑制了空泡末端滞止高压的高幅值特性.
2023, 55(11): 2518-2530.
doi: 10.6052/0459-1879-23-230
研究气−液−颗粒多相流动过程中颗粒的边壁滞留行为对多孔介质堵塞控制、污染物运移与修复、材料表面改性等应用具有重要意义. 为探究颗粒滞留机理, 首先基于自主研发的多相流可视化实验装置, 在Hele-Shaw模型中开展了不同流量、板间距和颗粒粒径条件下空气驱替颗粒悬浮液实验, 并定义了滞留系数来对颗粒滞留进行定量评价, 发现了驱替过程中颗粒的不同滞留模式. 在实验基础上, 基于液膜理论和气−液界面处流场特征分析, 提出了以毛细数和间距粒径比为控制参数的颗粒滞留判别准则, 并与实验结果进行了对比验证. 结果表明: 空气−悬浮液驱替流动过程中颗粒滞留存在无滞留、成簇滞留及均匀分散滞留3种模式, 其与流量、板间距和颗粒粒径等因素有关; 随着流量的增加、板间距的增大或粒径的减小, 颗粒从无滞留模式向成簇滞留模式和均匀分散滞留模式转变, 颗粒滞留系数表现为先从零快速增大而后趋于稳定的变化趋势. 边壁上残留的液体薄膜是颗粒滞留发生的必要条件, 其中界面驻点处液膜厚度等于颗粒半径为颗粒成簇滞留的临界几何条件, 而界面驻点处液膜厚度等于2倍颗粒半径为颗粒均匀分散滞留的临界几何条件. 提出的判别准则预测了颗粒滞留的发生及滞留模式的转变, 揭示了受水动力条件和间距粒径比控制的颗粒滞留机制.
2023, 55(11): 2531-2538.
doi: 10.6052/0459-1879-23-218
基于物理信息神经网络(PINN)建立了一种求解薄壁结构屈曲非线性控制方程组的方法. 薄壁结构的非线性控制方程可由挠度和应力函数表示成复杂的4阶非线性偏微分方程组, 使用物理信息神经网络(PINN)解法可以克服传统数值方法对求解域网格的依赖性. 文中建立的神经网络模型根据基于加权的均方误差的损失函数更新网络参数, 并用弧长法迭代的思想进行外层迭代控制以应对屈曲问题的迭代特性. 将弧长法, 硬边界条件, 基于预训练的权重调整策略, 以及自适应激活函数策略融合进网络优化的过程中使得PINN能够更为高效地求解线性与非线性屈曲问题. 文章对两种典型的薄壁结构进行了屈曲模态和带有缺陷的非线性后屈曲问题求解, 并将神经网络获得的解和有限元结果进行了对比. 结果分析表明, 物理信息神经网络方法能够在不需要标签数据的前提下对薄壁结构的屈曲问题进行有效分析, 并且给予的额外标签数据能够提高此方法的求解效率. 该方法虽较成熟的有限元解法收敛速度较慢, 但不需要对求解域进行人为的前处理, 有一定工程应用可行性.
2023, 55(11): 2539-2553.
doi: 10.6052/0459-1879-23-277
描述车桥耦合作用的基本问题是一个时变系统问题, 且很多工况下需考虑非线性特性, 使得该问题难以得到解析解, 甚至数值解也可能很复杂. 针对该问题的求解, 提出了一种参数冻结精细指数积分法, 将其应用于车桥耦合动力学模型的数值分析中. 该方法结合了精细积分和指数积分特点, 并将时变系数矩阵在每一积分步参数冻结, 用于获得系统振动响应的数值解. 考虑汽车轮胎与桥面的力和位移耦合关系、桥面沥青铺装层、桥梁材料黏弹性和几何非线性特性, 建立了车桥耦合动力学模型, 并应用参数冻结精细指数积分法对该模型进行了求解. 通过与近似解析解、辛Runge-Kutta算法以及经典的Newmark-β数值积分法计算结果进行对比, 验证了所提出方法计算结果的有效性和准确性. 在此基础上, 制作了缩尺车桥耦合系统模型, 测试了跨中挠度响应, 进一步验证了理论建模和所提算法的有效性和实用性. 通过数值计算分析了所提算法的数值特性, 结果表明: 提出的参数冻结精细指数积分法不仅可以处理时变、非线性问题, 且具有良好的数值计算精度和长时间数值稳定性; 由于精细积分的特点, 参数冻结精细指数积分法的计算时间步长可以取的较大, 可有效提高计算效率. 因此, 所提出的参数冻结精细指数积分法预期可成为求解车桥耦合动力学问题的一种新的高效算法.
2023, 56(1): 1-15.
doi: 10.6052/0459-1879-23-376
刮刀倾角对选区激光熔化过程粉末铺展行为有重要影响. 基于离散元法建立铺粉数值模型, 对不同刮刀倾角的铺粉过程及粉层质量进行模拟研究. 针对不同的刮刀倾角, 提出一个量化指标对粉层铺展的致密度和均匀性进行综合评估, 获得刮刀倾角对粉层质量的影响规律. 根据颗粒分布及运动特征将粉堆颗粒体系划分为底层区、斜坡区、刮刀影响区和内部区4个区域. 针对各区域进行铺粉过程动力学机理的深入研究, 包括颗粒运动轨迹和速度场、刮刀前方剪切带、颗粒间力链分布及演化等. 研究发现: 刮刀倾角小于0时, 颗粒体系难以形成完整的环流运动, 剪切带较小, 流向沉积层的颗粒较少, 颗粒间强力链较少, 刮刀间隙前方易形成力拱导致颗粒堵塞, 进而形成空斑使得沉积层的致密度和均匀性较低. 刮刀倾角大于0时, 颗粒体系的环流运动较充分, 剪切带较大, 流向沉积层的颗粒增多, 随倾角增大强力链增多, 刮刀压实作用增强, 有利于沉积层致密度和均匀性的提高. 本研究为优化工艺参数、提高粉层沉积质量提供了理论基础.
2023, 56(1): 1-11.
doi: 10.6052/0459-1879-23-462
非线性输出频率响应函数是线性系统理论中频率响应函数在非线性系统中的一种推广, 越来越多的学者已将其应用在结构损伤检测及故障诊断中. 基于Volterra级数理论与由非线性微分方程描述的单输入单输出非线性系统的广义频率响应函数递归计算公式, 利用多重积分性质和多维傅里叶变换, 将广义频率响应函数映射到了一维频域中, 推导出了一类非线性系统的广义伴随线性方程计算公式. 研究表明, 这类系统的第n阶非线性输出响应是以系统输入激励和前n−1阶非线性输出响应的组合函数作为广义激励作用到系统各阶广义伴随线性方程中的输出响应, 最后通过求解一系列线性微分方程可得到这类非线性系统的任意阶非线性输出响应, 其结果弥补了伴随线性方程无法求解这类非线性系统的不足. 同时, 针对广义伴随线性方程的数值计算问题, 论文提出了一种耦合计算法, 提高了计算非线性输出响应的精度, 为非线性输出频率响应函数的计算提供了一种新思路. 最后利用广义伴随线性方程与线性算子理论研究了两种典型非线性系统中非线性现象产生的原因, 研究结果为非线性系统的分析与设计提供了一种有效途径.
2023, 56(1): 1-15.
doi: 10.6052/0459-1879-23-481
超低地球轨道(超低轨, VLEO)飞行器对于高质量通讯、地球与空间科学观测具有重要意义. 为了克服超低轨区域的高层大气阻力, 使飞行器长期在轨飞行, 吸气式电推进(ABEP)飞行器的概念被提出并被广泛研究. 文章首先分析了吸气式电推进飞行器在150 km高度轨道的主要飞行约束, 包括归一化的工质平衡和能量平衡, 并提出了影响飞行器超低轨维持的主要因素. 为了使有效载荷飞行器长期维持在150 km附近超低轨高度并保持一定的载荷有效覆盖率, 提出了两种超低轨飞行系统方案, 包括基于无线能量传输技术构建的飞行系统和近地点150 km椭圆轨道飞行系统. 计算了相应的轨道高度限制并考虑有效载荷地面覆盖率给出了星座构建方案, 评估了上述两种方案的可行性与综合效果. 两种方案中, 有效载荷均可以在150 km附近的轨道高度内长期维持地面覆盖率, 可以为超低轨长期稳定的通讯网络构建、对地观测和相关科学实验提供条件.
2023, 55(12): 2735-2743.
doi: 10.6052/0459-1879-23-485
再入飞行器高速飞行过程中, 其表面受到强烈的气动加热作用, 所产生的复杂高温气体环境会破坏飞行器材料, 影响飞行器结构的可靠性. 因此, 基于地面装置实现高速飞行器再入过程中表面热环境的模拟, 对于再入飞行器的热防护测试具有十分重要的意义. 文章基于数值模拟, 分析了工作气压的变化对等离子体中非平衡能量输运过程以及等离子体气体温度等参数的影响规律, 提出了通过改变工作气压来调节等离子体冲击壁面的热流密度的方法. 基于此, 首先以表面热流密度和加热时间与真实飞行条件下一致为原则, 基于六相交流电弧放电等离子体实验平台, 产生了大体积、高气体温度, 且壁面热流密度可调的等离子体电弧射流. 然后, 对采用酚醛浸渍基碳热防护材料的烧蚀体进行了地面烧蚀实验, 在壁面热流密度为1.07 ~ 3.95 MW/m2范围内获得了与文献报道吻合较好的实验结果, 初步验证了该方法的可行性; 对高速再入飞行器典型部件进行了烧蚀实验, 在壁面最高热流密度为5 MW/m2的实验条件下, 获得了与空间飞行实验吻合良好的地面模拟实验结果. 这表明在不采用高成本风洞的前提下, 本论文所提出的地面模拟实验方法可在一定程度上模拟飞行器再入过程中的表面热环境.
2023, 55(12): 2718-2734.
doi: 10.6052/0459-1879-23-337
中国重工业二氧化碳排放占比超过70%. 等离子体能技术对重工业“碳中和”可以发挥重大作用. 本文对等离子体能技术发展历史及现状进行综述. 针对重工业的二氧化碳排放及可再生能源电力波动性问题, 提出基于可再生能源电力产生等离子体能供热的传统工业低碳流程再造的技术路线: 在高炉腰腹下端或炉旁、水泥窑分解炉下部或炉旁分别安装等离子体反应器; 将高炉、水泥旋窑分解炉排出的煤气净化处理和CO2分离; 将分离出的CO2与生物质或煤粉送入等离子体反应器, 由等离子体加热生成高温煤气: 高温煤气进入高炉作为铁矿石还原剂并提供炼铁所需能量; 在分解炉内高温煤气热解碳酸盐, 并对分解炉下行的生料预热; 分离出CO2的纯煤气用于燃料、化工合成原料, 和/或高效燃气蒸气联合循环发电调峰; 配备电解水制氢用于补充煤气化工合成氢源, 制氢和等离子体能可作为深度可调电力负荷; 快速启停等离子体气化煤制乙炔代替电石乙炔工艺. 分析了流程的经济技术性, 提出了低碳流程再造相关的等离子体能关键技术问题. 基于等离子体能的传统工业低碳流程再造, 结合电解水制氢, 构建了钢铁冶金、水泥企业能源系统及至工业能源互联网, 实现传统工业化石燃料替代、CO2高效转化利用和可再生能源电力波动功率平衡, 从而助力中国重工业碳中和.
2023, 55(12): 2797-2813.
doi: 10.6052/0459-1879-23-463
基于格子Boltzmann方法(LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re = 100)圆柱绕流问题进行了数值模拟, 得到了转速比从0 ~ 10变化下, 旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律. 使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取, 并分析了施加旋转控制之后转速比对流场不同模态和增长率的影响. 结果表明, 随着转速比增大, 圆柱下游流动结构依次呈现出卡门涡街、剪切层、反向剪切层、单侧涡和附着涡5种结构; 阻力系数时均值先减小, 随后在转速进入单侧涡区间后增大, 升力系数与力矩系数的时均值均单调增加, 同时, 在出现涡脱落的两个转速区间内, 水动力出现了明显的波动, 且二次失稳时波动幅度更大. DMD的结果表明, 圆柱下游的流动结构主要受圆柱壁面的旋转影响而发生改变并产生全新流动模态; 旋转会对流动稳定性产生影响: 在未充分发展阶段, 旋转对流动稳定性的影响不显著, 而在充分发展后, 各转速下的流场不稳定模态数均远少于未充分发展阶段, 随着转速比的增大, 流动稳定性会产生不同程度的增强或减弱, 且无涡脱落时的稳定性高于有涡脱落时, 因此, 通过旋转控制抑制尾涡脱落可以有效增强流动的稳定性.
2023, 56(1): 1-14.
doi: 10.6052/0459-1879-23-441
为了提高相变发汗冷却的冷却性能, 提出不同孔隙率组合的双层多孔板结构设计代替传统的单层多孔板结构. 以液态水作为冷却剂, 使用修正后的局部热非平衡两相混合流模型, 数值研究了不同孔隙率组合的多孔板内流−固耦合传热和冷却剂流动输运特性. 数值模拟结果表明存在可以降低结构表面温度的双层多孔板设计, 并且在冷却剂流量较大、液体水相变发生在上层多孔板内时, 该新型结构相较于传统结构的表面温度降低更为明显. 与此同时, 冷却剂的注射压力被重点关注. 由于水蒸气的运动黏度远高于液体水, 研究中发现当冷却剂相变发生在多孔板内时, 冷却剂的注射压力主要取决于水蒸气所集中的上层多孔板孔隙率. 因此基于多孔介质内的渗流特性, 采用孔隙率较大的上层多孔板有助于降低结构内的水蒸气压力, 从而实现多孔板板底冷却剂注射压力的降低, 在某一孔隙率组合中冷却剂注射压力的最大降幅可以达到65%. 如果采用相反的孔隙率设计, 即下层多孔板的孔隙率较大, 虽然也可以在一定程度上降低表面温度, 但是注射压力将会数倍增加, 不利于相变发汗冷却的实际应用.
2023, 56(1): 1-9.
doi: 10.6052/0459-1879-23-268
以新型宽域发动机为动力的未来新一代飞行器的研发迫切需要CFD方法来进行高效高精度的辅助设计. 本文把传统的火焰面/进度变量燃烧模型与深度学习和神经网络方法相结合, 构建了新的智能化改进的燃烧模型并进行了算例测试与验证, 在保证计算效率的同时提高了预测精度. 首先, 给出了人工神经网络的构建方法, 包括数据库划分、数据归一化以及模型的训练等; 然后, 测试分析了不同函数结构对新建模型的影响, 并讨论了基于CPU和GPU的求解器框架下内存占用优化问题; 最后, 把智能化模型耦合到GPU求解器上对飞行马赫数4-12的3个发动机算例进行了数值模拟. 结果表明, 智能化改进的模型可代替传统火焰面/进度变量数据库从而实现高维参数建模及模型改进, 并可以成功运行在GPU上; 智能化改进的模型比传统的模型平均误差减小量均超过了50%, 算例误差最大减小值可达57.2%.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-403
当前风电技术大型化发展, 叶片气弹失稳问题, 特别是特殊工况下的稳定性问题成为国内外各界关注的热点和难点. 湍流风况下顺桨风电叶片气弹稳定性直接影响风电机组的安全可靠性. 气动阻尼是叶片稳定性判断的重要指标. 为探究湍流风况顺桨风电叶片气弹失稳特性规律, 以NERL 5MW风力机叶片为研究对象, 基于修正叶素动量理论、欧拉−伯努利梁模型和气动阻尼计算方法, 建立顺桨叶片气动阻尼计算模型, 采用Kaimal湍流风模型进行瞬态分析, 获得风况参数对风力机叶片气动稳定性的影响规律及叶片的气动失稳概率, 为大型风力机叶片气弹稳定性设计与控制提供参考. 结果表明: 顺桨叶片气动阻尼在全周风向上呈180°周期特性, 且25°风向为相对危险工况; 风速越大气动阻尼负值越显著, 气动不稳定风向范围越大, 失稳概率越大; 湍流强度增加, 一阶挥舞气动阻尼下限降低幅度明显, 气动不稳概率增加; 湍流风况下顺桨叶片平面外方向的失稳概率较平面内方向更大, 且两个方向失稳概率曲线呈相似周期性规律.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-452
一系列微加载测试结果表明，金属微梁的弯曲强度随着材料几何特征尺寸的减小而显著升高，呈现出强烈的尺寸相关性。基于位错塞积模型，对金属单晶微梁的初始屈服应力进行了研究，并提出了描述其尺度效应的关键内禀特征长度。通过综合现有实验和位错动力学数值模拟结果，考虑到位错－自由表面交互作用影响，提出了一种仅涉及位错源的位错塞积构型。在此构型下，对线性应力梯度作用下的位错塞积行为进行了连续性分析，并建立了由位错源主导的应力梯度屈服模型。该模型有效地描述了微梁初始屈服应力的尺寸相关性，并与实验结果相符。研究结果表明，针对外部几何特征尺寸在数微米及以下的纯金属单晶微梁，位错塞积机制是其相关性行为的主导机制，而且刻画其初始屈服应力需要两个內禀特征长度参数，即位错源长度和位错塞积长度。本研究为解释非均匀加载下晶体材料的尺寸效应，特别是纯金属单晶微梁，提供了新的视角。
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电子发汗冷却是一种新型的高超声速主动热防护技术, 利用材料的热电子发射效应, 通过热电子将热载荷转移至流场下游, 降低了尖前缘结构热流密度峰值和梯度, 为高超飞行器尖前缘结构热防护系统设计提供了新的思路. 作为一种潜在的冷却技术, 本文主要介绍了电子发汗冷却的工作原理、技术特点, 综述了国内外相关的研究进展, 并对未来发展需解决的关键问题进行了讨论.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-389
由于传统物理信息神经网络(PINN)在长时间模拟时存在计算稳定性差甚至无法获得有效解的难题,本文提出了一种基于课程学习和迁移学习的物理信息神经网络(CTL-PINN),用于长时间非线性波传播模拟.该改进的PINN的主要思想是将原长时间历程问题转化成若干个短时间子问题,其求解过程分为三个阶段;在初始阶段,使用传统PINN来获得初始短期子问题的解;在课程学习阶段,使用包含前一步训练信息的传统PINN以时域扩大的方式逐次求解,在迁移学习阶段,使用包含前一步训练信息的传统PINN以时域迁移的方式逐次求解.这种改进的PINN可以避免传统PINN陷入局部最优解的问题.最后通过几个基准算例验证了本文所提出的CTL-PINN方法在模拟长时间非线性波传播过程的有效性和鲁棒性.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-457
本研究针对圆柱绕流的闭环主动控制问题，采用强化学习获得自适应的控制策略，利用圆柱下游的六个速度测点作为状态反馈，通过施加旋转作用来降低圆柱的升力脉动。基于该控制回路和基于格子Boltzmann方法搭建的数值环境，实现了降低孤立情形下圆柱升力脉动92.5%，降低阻力脉动44.3%的效果，同时尾流回流区长度增大了36.4%。通过局部线性稳定性分析发现，施加控制后流动的绝对不稳定性区域延长了36%，此时尾流绝对不稳定区域最不稳定扰动频率偏离了涡脱落频率。此外，基于策略迁移学习，在上游圆柱尾流干扰的情形下实现了降低下游圆柱升力脉动95.9%的控制效果，但同时也带来了阻力增加约1倍的代价。本研究为降低圆柱升力脉动提供了智能自适应旋转控制方案，并为未来开展复杂流动的智能控制提供了详细案例参考。
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非局部晶体塑性模型考虑了由非均匀变形引起的位错在空间上的重排，使得其本构模型变得复杂，可调节参数众多，因此采用常规的“试错法”难以准确确定这些参数。虽然遗传算法能够稳健地全局优化解决参数确定问题，但对于非局部晶体塑性模型，其计算成本相对较高。为解决这一问题，本文提出了一种耦合机器学习模型的遗传算法，以有效降低计算成本。针对含有冷却孔的镍基高温合金的拉伸响应问题，以单拉应力—应变曲线为目标，基于屈服应力和最终应力建立评价公式，使得优化结果与实验尽可能接近。在这一方法中，机器学习模型能够通过非局部晶体塑性模型的参数来预测相应的应力值，从而替代了遗传算法中原本需要的有限元计算过程。为了分析本构模型参数对单拉力学响应的影响，研究采用SHAP框架，并通过有限元结果进行验证。结果表明，通过该方法可以有效获取非局部晶体塑性模型参数，使得参数计算得到的应力—应变响应与实验结果吻合较好。此外，SHAP框架能够提供本构模型参数的重要程度分析，以及对屈服应力和最终应力的影响。
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本文发展了一种能精确预测含压电层的层合结构和含压电层的功能梯度夹芯结构力电行为的精化高阶理论. 此模型位移场使用Reddy型整体−局部高阶理论, 满足层间位移和应力连续条件以及自由表面边界条件; 电势使用Layerwise分层理论, 即对于压电层较薄的结构, 电势在厚度方向可假设为线性分布. 运用Hamilton原理和主动控制原理, 推导了含阻尼压电功能梯度板系统的控制方程. 基于精化高阶理论, 构建了等几何分析方法, 对压电层合结构弯曲行为进行了分析, 并验证了精化高阶理论的有效性. 此外, 探究了铺层角度和功能梯度系数对压电功能梯度层合结构弯曲行为的影响规律, 即结构中心点挠度随铺层角度或功能梯度系数增大而减小; 功能梯度系数在0 ~ 5之间时, 功能梯度系数对弯曲行为的影响比铺层角度对弯曲行为的影响更加显著. 最后分析了无阻尼压电功能梯度板的动力学响应. 当系统的速度反馈增益系数为零时, 结构做无衰减震荡; 当速度反馈增益系数增大时, 结构震荡幅度衰减加快, 衰减所需时间减少, 从而实现了无阻尼结构受迫振动的振动主动控制.
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doi: 10.6052/0459-1879-23-260
