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2008年  第40卷  第3期

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研究论文
Hillslope soil erosion process model for natural rainfall events
张展羽, 张国华, 皮晓宇, 左长清
Based on the momentum theorem and water-balance principle, this paper has derived the basic equations of slope runoff. Soil erosion by raindrop splash and runoff are discussed, and hillslope soil erosion processes model was established. Finally, the model was solved by numerical solution considering the common solution-determining conditions, from which not only runoff and soil erosion yield but also their processes can be obtained. The model is validated by using observation data of Soil Conservation Ecological Science & Technology Demonstration Park of Jiangxi Province. Results show that the maximum relative error between the computation and observation values of the slop runoff processes is 10% while the maximum relative error between the computation and observation values of hillslope soil erosion processes is 9.2%. This indicates that the model is conceptually realistic reasonable and offers a feasible approach for research on soil erosion process.Key words overland flow﹒raindrop splash﹒runoff erosion﹒process﹒numerical solution
2008, 40(3). doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2006-329
激波/边界层相互作用诱导的激波风洞气体污染问题
李进平 冯珩 姜宗林
应用多组分NS方程和频散可控耗散格式(DCD)计算了爆轰驱动激波风洞中反射激波/边界层/接触面的相互作用过程,分析了驱动气体与试验气体在壁面射流作用下的掺混机制及其对风洞试验时间的影响. 为了延长风洞的试验时间,提出在风洞贮室内增设环形隔板,以隔离壁面射流,延长风洞试验时间的方法. 计算结果表明:环形隔板确实可以限制驱动气体与试验气体的过早掺混,显著增加激波风洞的有效试验时间.
2008, 40(3): 289-296. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-110
液粒凝固过程的动力学理论
陈永强 徐鉴君
在平均场的概念下对液态粒子的凝固过程提出了一个简化的液-固-气-雾(LSGF)数学模型,并在小过冷度的条件下,求出了有关初值问题的一致有效渐近解. 结果表明:整个动力学过程可以分为两个相互联结的时间阶段. (1) 液粒初始温度分布的瞬态过渡阶段. 在这个阶段,凝固尚未正式启动,只是系统内的温度从任意给定的初始分布迅速调整到某一特定空间分布. (2)液粒向固粒转变阶段. 在这一阶段,液-固两相开始分离,相界面逐渐向液粒中心传播,直至液相完全消失. 进而以铜为例,讨论了液态粒子在不同生长条件与物理参数下的凝固时间与凝固过程中的温度分布的演化规律.
2008, 40(3): 297-305. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-496
Hall效应对三维磁流体发生器的影响
吕浩宇 李椿萱 董海涛 陈刚
应用三维非理想低磁雷诺数磁流体五方程模型发展了对带有强制项的Navier-Stokes方程组采用熵条件格式, 对椭圆型电势方程采用SOR进行迭代的数值方法,研究了Hall效应对磁流体旁路超燃冲压发动机中磁流体发生器流动及性能的影响.磁流体发生器采用电子束获得有效可靠的电导率. 计算结果表明,Hall效应可引起流场和电场的扭曲, 从而诱导出不稳定二次流的发展与演变,并破坏Joule热的分布. 对这些磁流体现象作出了较详细的分析.最后计算了磁流体发生器的性能参数, 说明Hall效应将导致磁流体发生器的性能下降.
2008, 40(3): 306-314. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-293
绕水翼超空化流动形态与速度分布
李向宾 王国玉 张敏弟 刘淑艳
为揭示超空化流场结构特性,利用高速全流场显示技术,观察了绕hydronautics水翼的超空化流动形态,并利用数字粒子图像测速仪(DPIV)测量了其速度分布. 在测量空穴内部流速分布时,采用空化流场中的空化泡作为示踪粒子来显示流动结构. 结果表明:随着空化数的降低,超空化流动显现出了明显的阶段特征,其中水汽混合相和汽相的分布决定了空化区域的形态与流速分布;空化区和主流区的汽液交界面处存在着较大的速度梯度;低速分布区域随着空化数的降低由水翼吸力面中后部向水翼下游移动;在空化区域内部,水汽混合区的速度相对较低,而汽相区则与主流区有着相近的速度分布.关键词超空化水翼、DPIV、高速摄像、空化形态、流速分布
2008, 40(3): 315-322. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2006-568
纳米尺度圆柱绕流尾迹区流动形式模拟研究
李印实 何雅玲 孙杰 陶文铨
采用非平衡分子动力学模拟方法,对微尺度低{Re}数下的圆柱绕流问题进行了研究,模拟结果表明:当{Re}<12时,圆柱下游形成对称、无分离的定常流;当{Re}>20时,圆柱下游形成周期性交替出现的对称涡;当12
2008, 40(3): 323-330. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-205
空间充气薄膜结构的褶皱分析
王长国 杜星文 赫晓东
引入一个表征褶皱在纹理方向收缩特性的参数``收缩系数''来替代泊松比参与计算褶皱形变,并联合褶皱产生时的应力条件和褶皱特性,实现了对空间充气薄膜结构的褶皱分析,得到了褶皱存在时的充气薄膜结构的应力场和变形. 分析中重点讨论了``收缩系数''与泊松比的关系,并讨论了引入``收缩系数''约束变形后的变形协调条件. 将两维的褶皱分析方法拓展应用到三维充气结构的褶皱分析中,分析了充气管的弯皱变形,得到了临界皱曲和极限弯矩随结构及力学参数的变化规律. 通过简单的褶皱试验,定性地分析了褶皱的形变特性并与分析结果进行了比较验证,结果一致.
2008, 40(3): 331-338. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2006-374
非均质脆性材料灾变性破坏的一种敏感前兆
郝圣旺 孙菊
非均质脆性材料的失效可能有两种模式:渐进式破坏与灾变性破坏. 灾变性破坏具有更大的危险性,灾变预测是一个有重要意义的难题. 基于统计细观损伤力学分析了两种破坏模式的差异,发现在每一加载步中系统卸载所释放的弹性能与损伤所耗散的能量之比值可为灾变破坏提供一种敏感的前兆. 研究发现在灾变性破坏和非灾变性的渐进式破坏两种失效模式中,虽然系统中卸载所贡献的弹性能增量与损伤消耗和释放的能量增量的比值都有趋向于1的趋势,但是两者的趋近方式不同:灾变性破坏时表征能量比随控制变量变化特征的响应函数R有一个上升段,在灾变破坏点$R$趋向于无穷大,而非灾变性破坏中$R$始终是减小的.
2008, 40(3): 339-344. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-552
板中正交静应力与任意方向兰姆波波速的关系
王军 王寅观
运用部分波分析法(或子波分析)理论推导了在正交静应力下,板中任意方向的Lamb波的频散方程,给出了任意方向Lamb波波速、正交静应力和频率之间的关系. 进行了数值计算并讨论了对称方向的Lamb波波速对单向静应力的依赖关系,为将Lamb波用于应力测量提供了理论依据.
2008, 40(3): 345-354. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-033
基于实验的心肌被动力本构模型
方红荣 唐陶 章湘明 庄茁
在狗心脏外科手术和心肌力学性能试验的基础上,对心肌力学性能实验数据进行处理和拟合,并应用有限元方法对心肌的单拉实验、松弛实验进行数值模拟和计算. 得到不同心肌位点的本构模型的非线性弹性和黏性参数,从而发展了心肌被动力的非线性黏弹性本构模型,体现了心脏力学行为的非均匀性和黏弹性. 在理论模型和试验数据的基础上,开发了有限元软件ABAQUS的VUMAT材料子程序,应用于数值心脏的仿真研究.
2008, 40(3): 355-363. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-187
高温后高强高性能混凝土双轴压力学性能
何振军 宋玉普
利用大型静动真三轴试验机,进行了常温20${^\circ}$C以及200${^\circ}$C$\sim $ 600${^\circ}$C\,6个温度等级高温后高强高性能混凝土在7种应力比双轴压应力状态下的强度与变形试验.测得了双轴主压方向的静态强度、峰值应变与应力应变曲线,剖析了温度和应力比对单、双轴压强度与峰值应变发展趋势的影响规律性以及试件破坏形态. 试验结果表明:随温度的升高,高强高性能混凝土的单轴压减摩强度并不一定降低;双轴压强度相对于单轴压强度的提高倍数取决于应力比、不同温度等级后的高强高性能混凝土``脆硬性''. 提出了带有温度和应力比参数的Kupfer-Gerstle破坏准则公式.
2008, 40(3): 364-374. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-211
倾斜轨道电动力绳系卫星回收控制
文浩 金栋平 胡海岩
考虑电动力影响,建立了倾斜轨道绳系卫星系统的动力学模型,研究了子星回收过程的非线性最优控制. 应用Legendre伪谱算法,将连续时间最优控制问题离散化,进而利用非线性规划方法进行求解,通过数值模拟验证了方法的有效性. 结果表明,在满足相关约束的条件下,通过调节系绳张力和电动力,可将子星回收到靠近主星的指定位置.
2008, 40(3): 375-380. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-407
车辆-轨道系统垂向随机振动的辛方法分析
吕峰 林家浩 张亚辉
将轨道视为无限长的周期结构,建立车辆轨道垂向耦合模型. 使用虚拟激励法将随机的轨道不平顺激励转化为确定性的简谐激励,再用辛数学方法求解轨道结构的频率响应特性和耦合系统的响应功率谱. 整个计算模型只有26个自由度,求解过程快速而精确.数值算例中,将该方法与常规有限元方法进行了比较,验证了方法的高效性和正确性,讨论了车辆速度对系统随机响应的影响.
2008, 40(3): 381-387. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-428
柔性全充液航天器大角度姿态机动混沌动力学
岳宝增
研究了受液体燃料黏性阻尼及柔性附件扭振影响的全充液航天器由最小惯量轴向最大惯量作大角度姿态机动过程中的混沌姿态动力学, 尤其是液体燃料和柔性附件振动的耦合效应对航天器姿态动力学的影响. 推导了耦合系统的动力学方程并利用尺度化方法将其转化为扰动系统的标准形式以便应用Melnikov方法对系统进行混沌姿态预测.推导了以系统参数形式表达的混沌姿态预测的解析准则. 将利用数值方法所得到的对系统的数值仿真结果与Melnikov解析准则进行了比较和评述. 研究了诸如航天器构型、液体燃料惯量及阻尼、柔性附件固有频率等系统特征量对混沌姿态的影响.
2008, 40(3): 388-393. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-388
简报
锥体效应对超音速湍流边界层统计特性的影响
董明 罗纪生
通过直接数值模拟,计算了空间模式下,来流马赫数为2.5, 半锥角为$5^{\circ}$, 零攻角的绝热钝锥湍流边界层,研究了湍流的统计特性,并把结果与超音速平板湍流边界层和马赫数为6的高超音速钝锥湍流边界层的结果进行了比较,重点定量地考察了锥体效应对边界层湍流统计特性的影响. 研究发现,锥体效应对平均温度剖面以及压缩性的影响是显著的;而其它统计量,比如速度壁面律、雷诺应力的分布和湍动能各项的贡献等,受锥体效应的影响很小.
2008, 40(3): 394-401. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-358
功能梯度材料的黏弹性断裂问题
李伟杰 王保林 张幸红
功能梯度材料(FGM)是一种不同于传统复合材料的新型工程复合材料 [1], 国内外关于FGM的断裂力学方面的研究发展非常迅速. 关于FGM静态裂纹问题,学者们研究了不同类型裂纹尖端场的应力强度因子 [2-5], 探讨了有限长裂纹在不用载荷作用下的传播等问题. 而关于动态裂纹问题,也已经取得很大成就 [6-9]. FGM一个很重要的应用是高温结构材料,在强大的热环境中,很多材料都呈现出黏弹性. 因此,研究FGM的黏弹性断裂力学非常具有实际价值.对此,众多研究 [10-14]提出不同的分析模型,并在不同受载条件,通过理论计算,分析了黏弹性裂纹尖端场的力学 行为.本文考查了功能梯度材料板条中界面裂纹垂直于梯度方向时的黏弹性断裂问题,首先利用有限元法求解线弹性功能梯度材料板条的裂纹尖端场,然后根据黏弹性的对应性原理,求解出黏弹性功能梯度材料板条裂纹问题的应力场强度因子.
2008, 40(3): 402-406. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2006-468
FeCrNi合金静动态物理本构模型研究
潘晓霞 余勇 谭云 陈裕泽
以金属材料塑性变形的位错动力学为基础,将FeCrNi合金的流动应力分解为非热应力和热激活应力两部分.通过对该合金屈服应力随温度变化特性、屈服应力的应变速率特性、孪晶组织的温度特性及位错组态的应变速率特性进行分析,认为非热应力不只是应变的函数,还与温度和应变速率相关,因此对Johnson-Cook模型方程形式进行修正以描述非热应力. 同时认为影响热激活应力的微结构参数主要为位错阻碍间距\Deltal, 定义并推导出表征\Delta l演化的g函数的表达式,将其引入Kocks的热激活方程,从而建立FeCrNi合金的物理型本构模型.该模型初步实现了对FeCrNi合金从室温到高温、从准静态到动态塑性变形行为的描述.
2008, 40(3): 407-412. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2006-543
半空间饱和土内置点载荷作用下的热弹性波动
郑荣跃 刘干斌 梧松
基于Biot波动理论及热弹性动力理论,利用已建立的饱和多孔弹性介质热流固耦合控制方程,研究半无限地基在内置点热力源作用下的动力响应问题. 求解过程引用Hankel变换技术,得到了热力源作用下土体中温度增量、应力、位移和孔隙水压力的积分形式解答.利用Hankel数值逆变换得到计算结果,分析了热流固耦合条件下激振频率对竖向位移和孔隙水压力响应的影响. 对热流固耦合、热弹性和多孔弹性模型计算结果进行了比较.
2008, 40(3): 413-420. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2007-176
基于积分本构黏弹性带的横向非线性动力学
刘彦琦 张伟 高美娟 杨晓丽
研究了黏弹性传动带在1:1内共振时的横向非平面非线性动力学特性. 首先,利用Hamilton原理建立了黏弹性传动带横向非平面非线性动力学方程. 然后综合应用多尺度法和Galerkin离散法对偏微分形式的动力学方程进行摄动分析,得到了四维平均方程. 对平均方程的稳定性进行了分析,从理论上讨论了动力系统解的稳定性变化情况. 最后数值模拟结果表明黏弹性传动带系统存在混沌运动、概周期运动和周期运动.
2008, 40(3): 421-432. doi: 10.6052/0459-1879-2008-3-2006-626