力学学报

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胡德安, 韩旭, 肖毅华, 杨刚

拉格朗日型的有限元法和光滑粒子法在模拟材料大变形问题时各存优缺点, 而有限元与光滑粒子耦合算法实现了在小变形区域采用有限元法计算, 在局部的大变形区域采用光滑粒子法计算, 有效地综合了有限元法计算效率高和光滑粒子法能够自然地模拟材料大变形问题的特点.重点论述了有限元法、光滑粒子法以及有限元与光滑粒子耦合算法的研究现状及应用进展, 并讨论了各方法中需要进一步解决的问题.最后通过算例对3种方法的计算精度和计算效率进行了分析, 供研究人员参考.

2013, 45(5): 639-652. doi: 10.6052/0459-1879-13-092

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高雷诺数方腔流动的分子模拟

费飞, 樊菁

采用扩散信息保存(diffusive information preservation,D-IP)方法计算了雷诺数为10²~10⁴的二维方腔流动. D-IP方法是一种基于扩散运动观点的分子模拟方法, 克服了经典直接模拟蒙特卡罗方法对于时间步长和网格大小的严格限制.在计算中, D-IP方法的时间步长和网格大小分别为分子平均碰撞时间和平均自由程的几十倍乃至几百倍, 所得到的方腔流线分布和旋涡的精细结构, 均与Navier-Stokes方程数值解相符.

2013, 45(5): 653-659. doi: 10.6052/0459-1879-13-064

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利用重正化群方法研究强旋转湍流的统计性质

王晓宏, 周全

利用重正化群方法对强旋转湍流场统计性质予以研究, 通过重正化微扰展开, 对高波数速度分量进行逐阶平均.计算结果显示当旋转角速度Ω → ∞时, 用以表征高波数速度分量对低波数速度分量影响的重正化黏性将趋于0, 这表明在强旋转条件下科氏力将抑制湍流速度分量之间的非线性相互作用, 从而阻碍湍流的能量级串效应, 当Ω → ∞时湍流的能量级串效应消失, 导致湍流脉动消失, 流动将层流化.理论计算结果还显示对于强旋转湍流, 时域-空域联立Fourier的湍流速度分量存在二维化趋势, 球面平均能谱函数有标度关系E(k) ∝ k^-3.

2013, 45(5): 660-665. doi: 10.6052/0459-1879-13-047

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利用FFT高效求解二维瑞利-贝纳德热对流

徐炜, 包芸

研究提高二维方腔瑞利-贝纳德对流直接数值模拟求解方法的计算效率问题.对于非定常湍流热对流, 压力泊松方程的求解是影响整个计算效率的关键. 利用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)解耦并结合追赶法, 可实现压力泊松方程的直接求解.通过与跳点超松弛迭代法在求解精度和计算速度对比, 可以看到, 利用FFT压力泊松方程直接方法计算热对流问题是高效的.还给出了典型状态的热对流初始羽流和大尺度环流温度场, 以及系列瑞利数(Ra)计算结果的宏观传热努塞数(Nu)变化.

2013, 45(5): 666-671. doi: 10.6052/0459-1879-12-334

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带热传导效应平面涡轮叶栅流动直接数值模拟

朱海涛, 单鹏

低雷诺数流动对高空动力装置, 特别是涡轮部件的性能产生重要的影响. 本文采用具有7阶精度的差分格式, 通过直接求解二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程组, 对雷诺数为241 800 (基于叶片弦长)时的叶片表面带有热传导效应的平面涡轮叶栅流动进行了二维直接数值模拟, 对低雷诺数平面涡轮叶栅流动的非定常流动现象作了初步的探索.数值结果表明:在叶栅通道入口处, 流场的非定常性很弱;在叶栅尾缘处, 具有正负涡量的尾涡交替地从压力面和吸力面上脱落;周期性的涡脱落使得叶栅通道内和尾迹区的总压发生(准)周期的变化, 并且, 尾迹区总压变化主频率是通道内总压变化主频率的2倍;在时均流场中, 叶片表面压力的分布与实验值吻合良好, 表征热传导效应的斯坦顿数除湍流区外与实验值基本吻合;尾迹区速度脉动的2阶统计量与圆柱绕流尾迹区速度脉动2阶统计量具有基本相似的分布特征.

2013, 45(5): 672-680. doi: 10.6052/0459-1879-12-356

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含活性剂超薄液膜演化过程的稳定性研究

叶学民, 姜凯, 沈雷, 李春曦

针对固体基底上厚度小于100 nm的含活性剂超薄液膜演化过程, 基于润滑理论推导出包含分离压影响的液膜厚度和活性剂浓度的演化方程, 采用正则模态法导出了描述液膜线性稳定性的特征方程, 分析了多个特征参数对线性稳定性的影响, 数值模拟了液膜厚度和活性剂浓度演化历程, 对比了模拟所得非线性结果与线性分析预测结果的一致性.结果表明:范德华力具有促进扰动增长的作用, 较强的玻恩斥力促使扰动衰减, 使液膜趋于稳定;较小的毛细力数易使液膜凹陷处发生二次失稳, 并最终导致去润湿现象发生;液膜厚度和溶于液膜内部的活性剂浓度初值越大, 液膜稳定性越强, 液膜表面活性剂浓度影响则相反;增大吸附系数不利于液膜稳定性.

2013, 45(5): 681-689. doi: 10.6052/0459-1879-12-381

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一种高空高超声速非定常气动力近似模型

韩汉桥, 张陈安, 王发民

针对高空高马赫数飞行环境和强黏性干扰的物理特性, 在当地流活塞理论的基础上引入有效外形修正, 发展了黏性修正当地流活塞理论, 结合定常N-S方程解给出了高空高马赫数下针对该方法的有效外形的判据, 并通过数值算例对该判据进行了验证.通过对典型尖头薄翼和典型钝头翼的一系列二维非定常算例, 将该方法与一阶活塞理论、基于欧拉(Euler)方程的当地流活塞理论和非定常N-S方程数值解进行了对比. 结果显示在高度为40~70 km、马赫数为10~20范围内, 通过该方法计算得到的非定常气动力与非定常N-S方程数值解吻合较好, 明显优于活塞理论和基于Euler方程的当地流活塞理论.该方法克服了传统的活塞理论和当地流活塞理论不能用于高空高马赫数这类强黏性效应情况的弊端, 在较宽的马赫数、攻角、飞行高度范围内都有良好的适用性, 同时其计算效率远高于非定常N-S方程.

2013, 45(5): 690-698. doi: 10.6052/0459-1879-12-382

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基于不同网格结构的LBM算法研究

安博, 桑为民

传统的格子波尔兹曼方法(lattice-Boltzmann method, LBM)通常基于标准均匀网格, 这主要取决于速度的空间离散格式.均匀网格结构的特点, 使LBM在处理具有复杂边界的问题时遇到较大的困难, 从而限制了它的应用.另外, 对于较为复杂的流动, 其流场存在流动变化剧烈和平缓的区域, 在流动变化剧烈的区域, 往往需要足够的网格点才能更好地捕捉到流场信息, 而均匀网格会使得网格数量过多, 这会增加计算量, 但网格数量过少又无法获得必要的流场信息, 使LBM的计算效率降低.为了解决上述问题, 用不同的网格结构, 以顶盖驱动的腔体内流、柱体绕流和翼型绕流为例, 探讨了提高LBM算法的计算效率和适用性问题.

2013, 45(5): 699-706. doi: 10.6052/0459-1879-12-333

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激波作用下R₂₂气泡射流现象研究

王革, 关奔

重物质气泡在平面激波作用下出现射流是一个非常有趣的物理现象, 它与气体属性、激波强度密切相关, 气泡内外波系结构复杂, 值得进行深入探讨. 论文采用水平集方法结合真实虚拟流体方法捕捉物质界面, 对R₂₂圆柱气泡在平面激波作用下的射流现象进行了数值模拟, 详细阐述了波系结构在气泡内外的演变过程, 总结了导致气泡射流现象形成的典型波系结构特征, 从波系结构角度解释了射流形成的原因.论文也对不同强度的激波冲击R₂₂圆柱气泡的情况进行了归纳, 发现激波强度对射流现象的出现以及射流结构的尺寸特征有重要影响, 得出了 R₂₂圆柱气泡能否出现射流结构的临界激波强度, 以期对实验结果起到指导与验证作用.

2013, 45(5): 707-715. doi: 10.6052/0459-1879-12-380

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圆柱型结构内孤立波载荷实验及其理论模型

黄文昊, 尤云祥, 王旭, 胡天群

在大型重力式密度分层水槽中, 对内孤立波与圆柱型结构的相互作用特性开展了系列实验. 基于两层流体中内孤立波的KdV,eKdV和MCC理论, 建立了圆柱型结构内孤立波载荷的理论预报模型, 给出了该载荷理论预报模型中3类内孤立波理论的适用性条件.研究表明, 圆柱型结构内孤立波水平载荷包括水平Froude-Krylov力、附加质量力和拖曳力3个部分, 可以由Morison公式计算, 而内孤立波垂向载荷主要为垂向Froude-Krylov力, 可以由内孤立波诱导动压力计算.系列实验结果表明, 附加质量系数可以取为常数1.0, 拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系, 而且基于理论预报模型的数值结果与系列实验结果吻合.

2013, 45(5): 716-728. doi: 10.6052/0459-1879-12-298

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脆性裂纹动态传播中的速度振荡现象和理论分析

张振亚, 段忠, 周风华

设计了一种精确测量裂纹在预拉伸带板中的传播速度的实验装置, 系统研究了裂纹在受不同预加载荷作用的不同尺寸的有机玻璃板中的传播行为.实验结果表明:在一个细长、上下表面固定的带板中, 裂纹速度分为加速和稳定2个阶段.在稳定速度阶段, 裂纹平均速度v₀ 是预加载荷在板中储存的弹性能Wh的增函数.由于此时裂纹处于自相似传播阶段, 可以认为材料的动态断裂能G_c是裂纹传播速度v₀的增函数, 即材料存在"速度增韧性".当裂纹传播速度达到一定阈值, 裂纹的传播速度出现明显的振荡现象, 裂纹的振荡周期与断裂面出现的周期性沟槽的尺度一致.在更高的预加能量下, 裂纹传播路径出现弯曲、微分岔以及宏观分岔现象.建立了一个描述裂纹在带板中的直线传播行为的动力学模型, 并用这个模型模拟裂纹在传播过程中的速度振荡现象.

2013, 45(5): 729-738. doi: 10.6052/0459-1879-13-056

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岩土抗拉模量值修正与桩土作用理论解答研究

高子坤, 施建勇

地基土的变形模量值不仅和土层所受的先期固结压力大小直接相关, 还受桩土作用产生的附加体积应变的影响.首先, 针对岩土散体材料分析其本构关系的主要影响因素, 研究模量随埋藏深度和体积应变的变化规律, 并对Duncan-Chang本构模型进行抗拉模量值修正.其次, 综合考虑岩土材料拉压模量不等修正以及桩土作用位移边界特点, 应用变分理论推导桩土作用造成的位移、应变和应力场理论解答.最后, 应用已有的经典土压力理论和小孔扩张理论对理论推导结果进行对比和分析验证.研究结果对桩基础设计施工、相应环境保护措施的选择和设计有较大的指导作用.

2013, 45(5): 739-745. doi: 10.6052/0459-1879-13-005

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黏弹性薄膜太阳帆自旋展开动力学分析

赵将, 刘铖, 田强, 胡海岩

近年来, 可用于航天器推进的太阳帆自旋展开技术引起人们广泛关注. 这类太阳帆可视为由中心旋转毂轮、若干柔性绳索、太阳帆薄膜和集中质量等组成的刚柔耦合多体系统.为了对系统中的太阳帆薄膜进行建模, 提出了基于绝对节点坐标方法描述的黏弹性薄板单元, 并对其有效性进行了验证.针对简化的"IKAROS"自旋展开太阳帆系统, 采用结合自然坐标方法与绝对节点坐标方法的绝对坐标方法对其进行建模, 采用广义-α方法对大规模系统动力学方程进行求解.研究了黏弹性太阳帆薄膜自旋展开过程的动力学特性, 讨论了薄膜的黏弹性阻尼对自旋展开过程的影响规律.

2013, 45(5): 746-754. doi: 10.6052/0459-1879-13-002

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一类含时滞的半主动悬架系统的动力学分析

申永军, 赵永香, 田佳雨, 杨绍普

对一类采用有限相对位移控制的含时滞单自由度半主动悬架系统进行了动力学分析.首先通过平均法得到了该系统的一阶近似解, 然后基于Lyapunov理论建立了系统的稳定性条件, 结果表明近似解的稳态幅值和稳定性条件都是时滞量的周期函数, 并且和外激励具有相同周期.通过对数值解和解析解的幅频曲线进行比较, 验证了一阶近似解析解的准确性, 并且解释了半主动控制中的高频颤振现象.研究了被动悬架系统并且和半主动悬架系统进行了比较, 证实了半主动悬架系统的优越性.最后, 探讨了一些关键的系统参数, 如控制间隙、时滞量、最小阻尼比等对半主动悬架系统稳态幅值的影响.

2013, 45(5): 755-762. doi: 10.6052/0459-1879-13-017

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平动点轨道演化性质分析和应用研究

程潏, 袁建平, 罗建军

三体问题中, 轨道的受力和运动规律非常复杂. 对于特定的任务, 如何选择轨道的初始解是一大难题.针对平面三体问题, 利用近拱点庞加莱映射, 对平动点顺行轨道和逆行轨道的长期和短期演化性质进行分析.根据轨道的初始状态将其分为逃逸轨道和捕获轨道.对于逃逸轨道, 给出了同宿轨道和异宿轨道的设计方法, 并利用两级微分修正法消除了拼接点处的位置不连续问题.对于捕获轨道, 得到了几类典型的周期和准周期轨道.对逆行轨道的演化性质进行分析时发现, 逆行轨道通常为准周期轨道, 比顺行轨道更加稳定.利用近拱点庞加莱映射可以快速确定不同类型轨道对应的初始状态, 为特定任务需求下的轨道设计提供了一种快速而有效的选择方案.

2013, 45(5): 763-771. doi: 10.6052/0459-1879-12-353

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拉格朗日方法下立方体诱导拟序结构的实验

权基琢鋆, 姜楠, 唐湛棋

运用时分粒图仪 (time-resolved particle imagevelocimetry)对平板边界层中立方体扰动诱导产生的发卡涡涡结构进行了实验测量, 得到了立方体扰动尾迹区中展向平面内的速度矢量分布.基于拉格朗日坐标系, 运用李亚普诺夫指数对流场中的相干结构进行了辨识, 比较欧拉坐标系下的结果发现拉格朗日体系下李亚普诺夫指数场不仅有效地包含欧拉坐标系下涡强所表征的发卡涡涡头信息外, 并且能够呈现出涡颈在空间中的分布, 能够完全刻画出发卡涡涡结构在展向平面内的信息, 还发现李亚普诺夫指数对流场拟序结构的表征有很好的鲁棒性.另外, 李亚普诺夫指数场的互相关分析表明诱导产生的发卡涡涡结构随着向下游的传播, 其涡头不断抬升, 发卡涡涡结构与壁面的倾角也逐渐变大, 有效地刻画了拟序结构的空间演化过程.

2013, 45(5): 772-776. doi: 10.6052/0459-1879-12-361

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旋转钝锥双平面拍摄风洞自由飞试验

蒋增辉, 陈农

在高超声速风洞中开展了双平面拍摄风洞自由飞试验, 对高超声速下(6马赫)旋转钝锥的动稳定特性进行了研究.采用两光路垂直正交的双平面拍摄光路系统, 实现了对风洞中自由飞行的旋转钝锥在水平和垂直2个平面内飞行姿态的直接同步拍摄和记录, 实现对模型锥形运动在2个平面的直观观察和深入研究.利用双平面同步拍摄的试验数据, 对双平面数据辨识方法进行了研究, 进而获得了模型的静、动导数系数, 给出了判断模型运动稳定性的判据.

2013, 45(5): 777-781. doi: 10.6052/0459-1879-12-358

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不可压缩空腔流的振荡模式

李环, 方涛, 吴方良, 李万平

采用二维大涡模拟方法进行了空腔水流场的数值计算, 考察空腔前缘动量损失厚度及来流速度等因素如何影响空腔流的振荡, 同时考察了空腔长深比与空腔流振荡模式的关系. 用空腔水流场的粒子图像测速测量结果验证了数值计算的可信性.结果表明, 空腔水流是否发生振荡取决于壁面摩擦速度.瞬时涡结构和空腔阻力系数2个方面的特征显示空腔水流场有2种典型的振荡模式, 剪切层模式与尾流模式, 确定振荡模式的关键因素是空腔长深比.

2013, 45(5): 782-786. doi: 10.6052/0459-1879-12-213

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弹性薄膜类流固耦合问题的CBS有限元分析

孙旭, 张家忠, 黄必武

提出了一种不可压缩流体与弹性薄膜耦合问题的特征线分裂有限元解法. 首先, 给出了流场和结构的控制方程. 然后, 对流场、结构以及流固耦合的具体求解过程进行了描述. 其中, 流场求解采用改进特征线分裂方法和双时间步方法相结合的隐式求解方式, 并利用艾特肯加速法对每个时间步的迭代收敛过程进行了加速处理;结构部分的空间离散和时间积分分别采用伽辽金有限元方法和广义方法, 并通过牛顿迭代法对所得非线性代数方程组进行了求解;流场网格的更新采用弹簧近似法;流场、结构两求解模块之间采用松耦合方式.最后, 采用该方法对具有弹性底面的方腔顶盖驱动流问题进行了求解, 验证了算法的准确性和稳定性.此外, 计算结果表明艾特肯加速法可以显著地提高双时间步方法迭代求解过程的收敛速度.

2013, 45(5): 787-791. doi: 10.6052/0459-1879-13-003

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轴向运动载流导电板磁热弹性耦合动力学方程

胡宇达, 张金志

针对磁场环境中轴向运动载电流导电板磁热弹性耦合动力学建模问题进行研究. 考虑几何非线性和热效应条件下, 给出薄板运动的动能、应变能以及外力虚功的表达式.应用哈密顿变分原理, 推得力、运动、电、磁和热效应相互作用下轴向运动导电板的非线性磁热弹性耦合振动方程.基于麦克斯韦电磁场方程, 考虑相应的电磁本构关系和电磁边界条件, 推得磁场环境中轴向运动载电流导电板满足的电动力学方程和所受电磁力表达式, 并给出焦耳热作用下耦合形式的热传导方程. 算例表明, 磁场等参量对动力学系统分岔特性有明显影响.所得结果可为此类问题的进一步求解和分析提供理论参考.

2013, 45(5): 792-796. doi: 10.6052/0459-1879-12-330

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2013年度力学科学处面上项目、青年科学基金和地区科学基金资助情况介绍

詹世革, 张攀峰, 王立峰, 许向红

对2013 年度国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处面上项目、青年科学基金和地区科学基金资助情况进行了简要介绍，给出了资助项目清单.

2013, 45(5): 797-814.

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