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2010年  第42卷  第4期

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研究论文
高超声速高温气体效应判据
樊菁
基于动理论的观点, 提出几种定量判据, 用以判断在怎样的飞行条件下, 高超声速飞行器周围高温空气分子的振动、离解、电离效应是重要的.
2010, 42(4): 591-596. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2010-088
钝头体激波诱导振荡燃烧现象的数值模拟
刘世杰 孙明波 林志勇 刘卫东
采用一种改进的化学非平衡流解耦方法对轴对称Euler反应流方程解耦处理,对流项采用五阶WENO格式离散,化学反应源项的刚性采用简化的隐式方法处理,时间步进采用二阶精度的Runge-Kutta方法,对H2/Air预混气在来流Ma=4.48和Ma=4.79时的激波诱导振荡燃烧现象进行了数值研究. 对比分析了网格尺度的影响,发现计算结果对法向网格尺度比较敏感,流向网格密度的变化对结果影响不大;Ma=4.48时,采用敏感性分析方法对各反应模型进行了对比分析,J和B-W模型在实验所处的温度和压力范围内能够比较准确的预测诱导时间,所得的振荡频率与实验结果相符,所揭示的振荡机理与McVey和Toong振荡机理吻合,而JM模型预测的诱导时间偏长,其振荡频率低于实验观测值;Ma=4.79时,J模型所得的振荡频率与实验值吻合,而B-W模型释热时间短,且对流场波动比较敏感,流场扰动引起了瞬时局部爆震现象,破坏了振荡的规律性;五阶WENO空间离散格式的应用使计算结果精度较好.
2010, 42(4): 597-606. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2010-086
低压富燃预混甲苯火焰的动力学模型研究
李玉阳 蔡江淮 张李东 齐飞
发展了包含209个物种和1139个反应的甲苯燃烧模型,并对甲苯在4.0kPa下的富燃预混火焰的化学结构进行了数值模拟. 结果表明本模型能够很好地预测主要火焰物种以及与甲苯向最终产物演化过程相关的中间体的浓度变化. 通过生成速率分析和敏感度分析,得到了在富燃火焰条件下甲苯分解和氧化的主要路径. 结果显示,甲苯在富燃火焰中主要分解为苄基、苯和苯基,而它们又经过解离或氧化过程进一步生成环戊二烯基和炔丙基,并最终生成一氧化碳.
2010, 42(4): 607-614. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2010-087
薄矩形柱绕流旋涡脱落的抑制
邵传平 林建忠 魏庆鼎
用窄条形控制件对截面宽度为B、厚度为H的矩形柱体绕流的旋涡脱落进行抑制.实验在风洞中进行, 实验范围为B/H=2.0~5.0,Re=VH/\nu=3.75× 103~1.05×104. 矩形柱的宽边B与来流平行, 窄条与柱体等长, 且两者轴线相互平行放置. 窄条宽度为b/H=0.5, 窄条厚度远小于其宽度; 窄条位置可变, 但窄条表面保持与来流垂直. 尾流脉动速度测量和流动显示结果表明: 当窄条位于一个有效区内时, 矩形柱体两侧的旋涡脱落被抑制; 而当窄条位于一个单侧有效区内时, 矩形体一侧的旋涡脱落被抑制, 在另一侧旋涡脱落却仍存在. 有效区范围从矩形体的上游某点一直延续到矩形体的下游某点. 单侧有效区将整个有效区围在其中. 有效区和单侧有效区范围随着B/H的增大而增大, 但随着Re的增大而减小.
2010, 42(4): 615-622. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-063
压气机近失速点旋涡流场时空演化分析
周军伟 杨荣菲 侯安平 周盛
为了探索轴流压气机内旋涡流场的时空演化特征, 对一台压气机转子的流场进行了时间精确的数值模拟. 通过对转子不同轴向位置的流量分析发现, 在压气机近失速工况附近, 压气机进口流量波动约为最大流量的2%. 对旋涡流场的进一步分析发现, 叶片尾缘附近吸力面的旋涡流场摆动是导致压气机进口流量波动的主要原因.
2010, 42(4): 623-628. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-056
突扩管流中微米颗粒分离效率的研究
张凯 林建忠 聂德明
助欧拉和拉格朗日方法数值模拟了突扩微尺度管道流中微米颗粒的分离情况. 在采用有限体积法求解电荷密度场、电场和流场的基础上,通过基于改进的Langevin方程研究了微管道中不同位置处的微米颗粒在水动力和介电电泳力综合作用下的运动轨迹. 研究发现:电渗流的驱动能力随着扩张比(ER)的增加而提高,然而其提高的趋势逐渐变小;当微米颗粒仅在水动力作用下时,随着ER的增加,颗粒之间的有效分离距离(ESL)随之线性增加,此时ESL与ER的比值约为5.9; 若是考虑介电电泳力对于微米颗粒运动的影响, ESL与ER的比值下降为4.79, 由此可以看出介电电泳力对突扩微管道流中的微米颗粒的分离效果有着一定的负面影响. 上述结论对于基于介电电泳技术设计的生物粒子分离芯片的优化设计有很大价值.
2010, 42(4): 629-636. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-627
基于特征正交分解的非定常气动力建模技术
姚伟刚 徐敏 叶茂
采用特征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)方法, 建立了基于状态空间的非定常气动力降阶模型, 并耦合结构方程, 建立了降阶的气动弹性系统, 开展了颤振分析的初步研究, 计算效率提高了2~3个数量级. 具体过程是:首先获取全阶系统的频域快照构成关联矩阵, 通过对关联矩阵进行奇异值分解提取流场模态(或流场基), 对低能量模态截断形成降阶子空间, 并将其映射到全阶系统, 从而形成基于状态空间的降阶非定常气动力模型. 对气动弹性标模AGARD445.6进行算例验证, 证明了降阶方法正确, 可以提供高效、高精度的气动弹性分析.
2010, 42(4): 637-644. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2008-753
波样耗散结构的空间构成及形成过程
贾琛霞 敬成君 李凯 有马博史
以直拉法单晶生长系统中熔体热对流波样耗散结构为研究对象, 通过大规模数值模拟,首先获得了不同波数稳定波样流动的耗散结构, 并应用正交分解法抽出了波样耗散结构的基本流动模式, 分析了由基本流动模式形成耗散结构的动力学过程. 结果表明: (1) 构成宏观波样耗散结构的基本流动模式具有明显的规律性: (a)基本流动模式成组出现, (b) 波数为n的波样耗散结构, 每组包含n个基本流动模式,(c)流动基本模式在周向的波数随组序以n增加, 在径向由1层增至多层; (2) 波样耗散结构宏观上的旋转运动, 是由于不同基本模式的轮番``出演''所致. 研究结果丰富了人们对耗散结构的认识.
2010, 42(4): 645-651. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-216
破碎岩体非等温渗流的非线性动力学研究
李顺才 缪协兴 陈占清 茅献彪
分别从固体及流体导热的能量方程出发,导出破碎岩体非等温渗流的能量本构方程, 结合渗流的连续性方程、运动方程、状态方程等建立了破碎岩体非等温渗流的一维非线性动力学方程组;结合Mathcad软件计算得到了系统的无量纲化平衡态, 利用逐次亚松弛迭代法分析了对应于不同参数时平衡态的稳定性;指出非等温渗流系统存在鞍结分岔及折叠突变, 与等温渗流相比, 考虑温度场的破碎岩体渗流动力系统更容易发生渗流突变.
2010, 42(4): 652-659. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2008-767
双重孔隙介质THMM 耦合模型及其有限元分析
张玉军
建立了一种饱和 - - 非饱和遍有节理岩体的双重孔隙-裂隙介质热-水-应力-迁移耦合模型, 其特点是应力场和温度场是单一的,但具有不同的孔隙渗流场、裂隙渗流场和孔隙浓度场、裂隙浓度场,以及可考虑裂隙的组数、间距、方向、连通率和刚度对本构关系的影响;并开发了相应的二维有限元程序. 针对一个假定的高放废物地质处置库, 就岩体为非饱和双重孔隙-裂隙介质和放射性核素泄漏的情况进行了数值分析, 考察了岩体中的温度、负孔隙水压力、饱和度、地下水流速、核素浓度和主应力的状态. 结果显示: 孔隙和裂隙中的负水压力及核素浓度呈现不同的变化、分布; 尽管裂隙水饱和度平均仅为孔隙水饱和度的1/10,但因裂隙的渗透系数比孔隙的渗透系数大4个数量级,故裂隙中地下水的流速约是孔隙中相应值的3倍; 孔隙和裂隙中核素浓度的量值接近.
2010, 42(4): 660-669. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-163
功能梯度矩形板的近似理论与解析解
李尧臣 亓峰 仲政
提出了压电功能梯度矩形板在竖向载荷作用下的近似理论与解析解. 引入了板理论的Kirchhoff假设、Reissner-Mindlin假设和提出的补充假设, 并假设材料常数在板厚方向按指数规律变化. 推导了板在周边简支同时又接地情况下中性层法线转角的解和用Fourier级数表示的电势解. 该解在形式上比精确解简单得多, 进行数值计算时也相当方便与快捷. 计算结果与ANSYS软件用三维实体单元的有限元计算结果进行了比较, 证实了该方法即使在厚板情况下仍然具有很高的精度.
2010, 42(4): 670-681. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-064
共晶基陶瓷复合材料的断裂韧性
倪新华 刘协权 韩保红 程兆刚
应用细观力学方法研究了由具有随机尺寸和方位的棒体共晶体构成的共晶基陶瓷复合材料的断裂韧性及其尺度效应。首先根据棒状共晶体的细观结构特性,考虑共晶体边界处的微观滑移确定共晶陶瓷复合材料的开裂应力,当外载荷达到开裂应力时,裂纹开始扩展。然后分析裂纹表面处的棒状共晶体桥联力使裂纹产生闭合效应,减小裂纹尖端的应力集中,建立棒状共晶体桥联增韧机制;再依据棒状共晶体拔出过程中摩擦力做功,建立棒状共晶体拔出增韧机制。最后在棒状共晶体的桥联与拔出增韧机制的基础上,得到了共晶基陶瓷复合材料断裂韧性的理论表达式。结果表明共晶基陶瓷复合材料的断裂韧性具有明显的尺度效应:断裂韧性不仅与棒状共晶体内纤维夹杂的直径有关,还与棒状共晶体的长径比密切相关。关键词: 棒体共晶体,纤维夹杂, 开裂应力, 桥联增韧机制, 拔出增韧机制, 断裂韧性, 尺度效应
2010, 42(4): 682-690. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-228
脆性固体中内聚断裂点阵列的扩张行为及间隔影响
周风华 王礼立
建立一个一维模型, 分析脆性材料中多个等间距虚拟断裂点在均匀应变率拉伸作用下的扩张断裂过程. 采用线弹性波动方程组描述材料内部动力学关系, 采用线性内聚力断裂模型(linear cohesive fracture model)描述虚拟断裂点的扩张行为, 根据初始均匀拉伸条件和虚拟裂纹等间距假设给出定解条件, 形成一个初边值问题. 采用Laplace变换方法求解控制方程组, 得到虚拟断裂点扩张过程中内聚应力随时间变化曲线, 以及发生完全断裂的临界时间和单位裂纹体(碎片)的临界膨胀位移. 在此基础上分析应变率和裂纹间距对碎裂发生时间及单元裂纹体临界膨胀位移的影响. 在假设脆性材料在自然碎裂过程中单元裂纹体临界膨胀位移最小的基础上,进一步研究应变率对碎片尺度的影响.
2010, 42(4): 691-701. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-075
轴向冲击载荷作用下弹性圆柱壳横向弯曲动态屈曲
马建青 徐新生 C.W. Lim 褚洪杰
研究在轴向冲击载荷下弹性圆柱壳动态屈曲问题. 通过构造哈密顿体系,在辛空间中将临界载荷和动态屈曲模态归结为辛本征值和本征解问题. 辛本征解反映了局部的压缩屈曲模态和整体的弯曲屈曲模态, 特别是在冲击端为自由支承边界时的特殊屈曲方式.数值结果给出了具体的临界载荷和屈曲模态规律.
2010, 42(4): 702-709. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2008-685
边界膜剪切弹性模量对于微接触性能的影响
张勇斌
建立接触模型,理论分析了微接触中边界膜剪切弹性模量对于接触性能的影响. 接触区由两平行平面形成,属一维接触. 上接触表面为粗糙表面,具有矩形微凸体. 下接触表面为光滑平面. 两接触表面均处理成刚性表面. 微接触区中充满流体. 它分成两个子区,在微接触的出口区由于极小的接触间隙充满边界膜,在微接触的入口区由于接触间隙较大充满流体膜. 边界膜和流体膜行为决定整个微接触性能. 当膜厚较大时,这里边界膜可看成纳米级薄膜. 由于上接触表面处有限的剪应力承受能力,边界膜可于上接触表面滑移. 设下接触表面处剪应力承受能力很大而边界膜在下接触表面不滑移. 由于边界膜-接触表面间相互作用,边界膜黏度、密度和剪切弹性模量均沿膜厚变化,在理论分析中使用它们的等效值,这些值与边界膜厚度有关. 流体膜在两个接触表面均不发生滑移,分析中不考虑流体膜剪切弹性模量. 流体膜采用传统分析法. 给出了理论分析和若干变工况参数下的计算结果.
2010, 42(4): 710-718. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2008-724
电磁加热条件下皮肤组织的生物热力学行为
卢天健 徐峰
研究目的是开发一种数学方法来计算传热过程、热引起的力学响应以及相应的疼痛等级, 从而对临床上应用的各种加热疗法之间的差别进行定量评估. 采用基于有限差分法的数值模拟方法, 基于无限大和均匀化假设, 分析了各种热疗法中皮肤组织的温度、烧伤和热应力分布. 研究发现: 充血对热损伤的影响很小, 但对皮肤的温度分布影响很大, 而这又反过来显著影响由此产生的热应力场; 对于激光加热, 光波越短则峰值温度越高, 但峰值更接近皮肤表面温度; 激光和微波加热所产生的热应力集中于表皮顶层, 因为发热量沿皮肤深度方向呈指数衰减; 薄角质层(常常被忽略)对皮肤组织的热力学响应起主导作用.
2010, 42(4): 719-732. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2008-623
基于自然增长的细胞群粘附数值模拟
吕杰 曹金凤 许世雄 Quan Long
细胞群通过表面的粘附分子不断聚集的过程称为细胞群粘附, 是生物学许多研究领域(早期的胚胎发育、组织的新陈代谢以及肿瘤生长等)的基础. 考虑细胞群的自由运动和细胞群互相之间的粘附力作用, 并引入Logistic模型来描述细胞群自身的自然增长, 从宏观的角度研究细胞群粘附现象, 构建出一个细胞群粘附模型; 其数值模拟结果与实验结果较吻合, 能定性地对不同种类细胞群粘附的最终形态做出预判.
2010, 42(4): 733-739. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-185
论迟滞与时滞
胡海岩 王在华
迟滞和时滞是自然科学、工程科学、乃至社会科学中常见的两种现象,但在我国学术界常被混淆. 从两种现象的定义和本质出发,阐述两者的共性、个性及其联系. 通过多个例子说明:迟滞现象反映两个相关参变过程周期变化时彼此间的相位滞后关系;而时滞现象则反映两个相关动态过程任意变化时彼此间的时间滞后关系.在某些特定的情况下, 它们可以等同; 但在一般情况下,它们是具有不同性质的两类现象, 尤其在描述记忆特性方面, 两者有本质的差异.
2010, 42(4): 740-746. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-414
时滞对非线性饱和控制减振频带漂移的影响
赵艳影 徐鉴 严志刚
主要研究非线性饱和控制减振系统中由于内共振频率偏差引起的有效减振频带的漂移问题. 在该减振系统中分别考虑控制信号、反馈信号以及自反馈信号的时滞对振动系统有效减振频带漂移以及有效减振频带宽度的影响, 从而通过调节控制信号、反馈信号以及自反馈信号的时滞量, 来控制系统有效减振频带的漂移. 研究结果表明: (1) 在原始的无时滞减振系统中, 由于内共振频率偏差的存在, 使得系统的有效减振频带向主共振点的上、下两个方向漂移, 并且内共振频率偏差的绝对值越大, 有效减振频带漂移的程度也越大, 使得系统有效减振频带的分布不合理, 导致振动控制效果降低; 但是, 根据内共振频率偏差的变化, 可以通过适当调节控制信号和反馈信号的时滞, 或者也可以调节自反馈信号的时滞, 在消除有效减振频带漂移的同时又增大有效减振频带的宽度. (2) 内共振频率偏差的绝对值越大, 控制信号和反馈信号的时滞、或者自反馈信号的时滞对消除有效减振频带漂移以及增大有效减振频带宽度的作用越显著.
2010, 42(4): 747-757. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-178
激光激励微型硅悬臂梁的振动特性研究
宋亚勤
本文用光学探测方法研究了半导体硅悬臂梁的振动问题;运用基于外差干涉原理的实验装置得到了悬臂梁在激光激励下的振动响应(振动振幅和相位随调制激光频率的变化);采用等离子波和热弹性波的数学模型,对悬臂梁的振动进行了理论分析;可看到实验与理论模拟结果吻合很好,同时通过分析可得振动相位与调制激光频率的平方根之间有线性关系。关键词词: 光学探测, 硅悬臂梁,振动.
2010, 42(4): 758-764. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-005
周期激励下Hartley模型的簇发及分岔机制
陈章耀 张晓芳 毕勤胜
通过在Hartley电路模型中引入周期变化的电流源, 选取适当的参数, 使得周期激励的频率与系统的固有频率之间存在量级上的差距, 从而建立了具有快慢效应的非线性电路. 引入广义自治系统的概念, 分析了其相应的平衡点及各种分岔行为, 给出了不同参数下广义自治系统存在fold分岔以及同时存在fold分岔与Hopf分岔下的两种不同的簇发现象, 即fold/fold簇发现象和fold/subHopf/supHopf簇发现象. 利用广义自治系统的分岔分析方法和转换相图, 揭示了不同簇发现象的产生机制.
2010, 42(4): 765-773. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-614
基于混合EI成型器的多模态柔性结构振动控制
张鹏 李元春
提出了一种基于零点配置技术的EI(extra-insensitive)成型器设计方法. 通过偏值点, 将基于零点配置的传统ZV成型器转换为EI成型器或者ZVD成型器, 并且保持延迟时间与脉冲数量不变. 基于偏值点设计了二阶混合EI成型器和Multi-EI成型器, 该成型器在延迟时间不变的情况下鲁棒性得到很大提高. 利用成型器具有周期性的特点, 设计了一种多模态柔性结构振动控制方法, 在保证延迟时间差别不大情况下, 使成型器的脉冲数量有明显减少. 仿真结果验证了该方法的有效性.
2010, 42(4): 774-781. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-133
研究简报
MHD控制超声速边界层的理论研究和数值分析
苏纬仪 陈立红 张新宇
对MHD(mechanisms of magnetohy drodynamics)控制超声速平板湍流边界层的机理进行了理论研究和数值模拟. 理论上,采用等离子体低频近似碰撞频率模型,建立等离子体中电子和离子的力平衡方程,得到等离子体速度、极化电场以及边界层速度. 数值上,通过空间HLLE格式、LU--SGS时间推进求解时均磁流体动力学湍流方程,其中湍流模型采用sst--k\omega双方程模型. 研究结果表明:(1)边界层速度的理论结果和数值结果误差在7%范围内;(2)只有磁场而电场为零时,洛仑兹力起到减小摩阻的作用. 施加电场后,洛仑兹力能够加速边界层低速区流体;(3) 在边界层外层,越靠近壁面,作用参数越小;而在边界层近壁区黏性底层,虽然惯性力减小, 但黏性力却迅速增加,因此越靠近壁面,作用参数反而越大,加速低速流的代价增加.
2010, 42(4): 782-788. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2008-785
大城市高架路实测数据分析与交通流模型研究
吴正 郭明旻 郑贤清 林展熙 吴胜春 赵昀杰 张英莹
对上海市中心延安高架路一个路段交通流进行长时间录像拍摄,提取到``车速-车头间距''有效数据26000余对. 应用该批实测数据,对多种常见交通流速密关系模型进行比较研究后发现,一维管流模型在我国高速道路交通流参数计算中具有优势. 提出采用变参数一维管流模型刻画交通流非线性特征的基本方法.
2010, 42(4): 789-803. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-091
非线性泊松问题的拟线性化边界积分方法研究
晏飞 冯夏庭 周辉
非线性泊松问题在热传导和多孔催化粒子的扩散反应等问题中是非常常见的,为此,利用广义拟线性化迭代理论,提出了一种非线性泊松问题的新的数值迭代方法. 该方法将非线性方程转化成一序列线性方程的迭代,其优点是初始值的选取具有一定的理论基础,并且在一定的初始值条件下,迭代结果将单调地收敛于非线性问题的解. 将此迭代方法与边界元和双互易杂交边界点方法结合,并用于非线性泊松问题的求解,比较了两种方法的结果精度,收敛速度及不同初始值下的稳定性. 结果显示,基于拟线性化的双互易杂交边界点法具有较高的稳定性和计算效率,并且收敛速度为平方阶.
2010, 42(4): 798-803. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-470
屈服准则及切线模量修正的弹塑性计算模型
杨锋平 孙秦
为提高不同应力状态下金属弹塑性行为的模拟精度,采用含应力三轴度修正的von Mises屈服准则,材料弹塑性本构关系在等效应力$\!$-$\!$-$\!$等效应变曲线基础上,提出一个切线模量为主应力函数的理论修正项. 将这两个修正项结合,以子程序形式编程嵌入ABAQUS主程序,以此模拟几种不同形状试样的弹塑性行为,并将其他屈服准则在单一曲线假设下编程与之对比. 模拟结果与真实试验结果对比发现,对于屈服而言,含应力三轴度修正的vonMises屈服准则比其他屈服理论准确;对于弹塑性阶段计算而言,提出的切线模量为主应力函数这一假设比单一曲线假设更加接近真实试验.
2010, 42(4): 804-810. doi: 10.6052/0459-1879-2010-4-lxxb2009-081