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2015年  第47卷  第3期

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研究论文
高超声速粗糙元诱导转捩的数值模拟及机理分析
朱德华, 袁湘江, 沈清, 陈林
采用直接数值模拟方法细致刻画了钻石型粗糙元诱导的高超声速边界层从层流到湍流的转捩过程,从拓扑结构稳定性和边界层流动稳定性两个角度分析了钻石型粗糙元诱导转捩的机理. 流动结构的拓扑分析表明,钻石型粗糙元头部区域和底部区域分别存在不稳定的鞍点-鞍点(SS) 型轨线和鞍点-结点-鞍点(SNS) 型轨线,在扰动的作用下其会形成非定常、非对称的振荡结构. 边界层流动失稳过程计算分析表明,钻石型粗糙元会产生高波数扰动,并发现在扰动发展过程中大尺度结构会破碎. 两种不同类型的流动失稳效应同时存在. 此外,通过不同类型粗糙元(圆柱、斜坡及钻石型) 的对比,揭示了不同类型粗糙元诱导转捩机理的差异,为高超声速人工转捩装置设计提供了基础理论支撑.
2015, 47(3): 381-388. doi: 10.6052/0459-1879-14-217
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双模态发动机的模态鉴别方法
李飞, 王知溥, 余西龙, 顾洪斌, 陈立红, 张新宇
双模态冲压发动机的不同燃烧模态具有不同的稳焰机制和流态特征,并且在模态转换时伴随着显著的推力变化. 因此,准确判断燃烧模态,对于捕捉发动机的燃烧区位置/范围、释热分布特征,以及为进一步优化燃烧室的设计(流道结构和供油布局) 具有重要意义. 目前尚无鉴别模态的有效试验方法,本文提出了一种模态鉴别的试验方法,并在超燃直连台上开展验证试验. 试验中使用的测量技术包括:壁面静压、高速阴影/纹影、多通道可调谐二极管吸收光谱和高能态碳氢自由基CH* 自发光成像. 利用多种测量方法的组合,可以同时获得燃烧室中气流静温、速度、马赫数分布,释热分布以及燃烧区位置/范围. 这些试验数据能够用于判别模态,并获得不同模态的流动和火焰特征.
2015, 47(3): 389-397. doi: 10.6052/0459-1879-14-251
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基于相交不稳定性的尾流自消散机翼实验研究
鲍锋, 杨锦文, 刘锦生, 江建华, 王俊伟, 何意
飞机尾流是复杂的流动现象,相关控制的研究常采用简化模型,抓住主要矛盾进行尾流不稳定性的学术探索. 采用结构化矩形机翼模型,通过添加扰流片来模拟襟翼的一种作动方式,引入一对与主翼涡反向的小涡,以期诱发尾涡的瑞利-路德维希相交不稳定性. 改变模型在水槽中的拖曳速度以及机翼攻角,采用粒子图像速度场仪定量研究单主翼尾涡发展特性以及双涡相互作用特性. 研究表明,未添加扰流片时,尾涡环量在45 个翼展内相对于初始环量衰减了10%;而添加了扰流片的实验中,在较好的实验参数组合情况下,主翼尾涡环量较初始环量降低35%~45%. 结果表明添加适当扰流片产生的反向小涡能诱发与主翼尾涡的相交不稳定性,在尾流涡系中引入自消散机制,加速机翼尾涡的消散过程,达到提早消弱尾涡的目的.
2015, 47(3): 398-405. doi: 10.6052/0459-1879-14-301
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非旋转钝锥高超声速双平面拍摄风洞自由飞试验
蒋增辉, 宋威, 陈农
在高超声速下(6 马赫) 开展了双平面拍摄风洞自由飞试验,对非旋转钝锥在小攻角下的运动特性和圆锥摆动问题进行了研究. 试验结果表明,虽然只预置了攻角而无侧滑角,模型仍然全部出现了圆锥摆动,且在观察窗范围内侧滑角幅值均大于攻角幅值. 模型角运动虽均处于小于10° 的小攻角和小侧滑角状态,但阻尼力矩项呈现较为明显的非线性,而静力矩项的非线性较弱,近似为线性. 5 组实验中,有1 组模型的角运动可能趋于极限平面运动或者是攻角幅值较小的极限圆锥运动,另外4 组试验模型角运动显示出了趋于极限圆锥运动的趋势. 尾端盖对模型的角运动影响不明显,而尾部对称布置的片条状凸起物对整个角运动幅值变化的稳定性存在明显影响,有凸起物的两组模型角运动幅值波动明显较小.
2015, 47(3): 406-413. doi: 10.6052/0459-1879-14-332
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电磁力控制翼型绕流分离的增升减阻效率研究
陈耀慧, 栗保明, 潘绪超, 刘怡昕
电磁力可有效对流体流动进行控制,增升减阻,抑制流动分离,制约其推广应用的瓶颈为控制效率问题.为提高其控制效率,基于翼型绕流的电磁力控制,对电磁力增升减阻的控制效率问题进行数值研究. 根据能量守恒定律,推导电磁力控制能耗的比,基于升力和阻力计算节省能量. 定义电磁力的控制效率为能量节省与电磁力控制所需能耗的比值,研究不同工况下电磁力增升减阻的控制效率. 发现在控制开始阶段,电磁力能量主要消耗在增加边界层流体的动能上,电磁力控制效率非常低,但电磁力控制效率会随着电磁力工作时间的增长而增加;电磁力控制效率随着来流速度的增加呈指数下降;通过增加电磁力激活板的输入能量可增强电磁力的控制效果,但无法明显增加其控制效率.
2015, 47(3): 414-421. doi: 10.6052/0459-1879-14-346
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矩形液池热毛细对流转捩途径研究
姜欢, 段俐, 康琦
主要研究矩形液池热毛细对流的分岔转捩. 通过测量流体内部温度振荡情况, 详细研究了热毛细对流的转捩过程和转捩途径. 实验发现, 矩形液池热毛细对流的转捩过程依次经历了定常、规则振荡、不规则振荡的阶段. 对于不同普朗特数的硅油在不同长高比情况下, 通向混沌的途径不同. 在转捩过程中, 随着温差的增加, 普朗特数在16 (1cSt) 以下和普朗特数为25 (1.5cSt)、长高比为26 的硅油热毛细对流主要以准周期分岔的转捩方式为主;而普朗特数为25 以上的则以倍周期分岔的转捩方式为主;两种分岔有时还会伴随有切分岔形式的出现.实验中还观察到了表面波动和对流涡胞振荡等现象.
2015, 47(3): 422-429. doi: 10.6052/0459-1879-14-296
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重力和接触角对表面张力贮箱内液体流动的影响
刘赵淼, 赵婷婷, 申峰
采用流体体积函数方法数值模拟板式表面张力贮箱内液体的流动过程. 主要考虑了不同重力加速度和接触角等因素的影响. 发现在接触角等于10° 的前提下, 重力加速度小于10-2g0, 液体沿着外侧导流叶片爬升至贮箱顶部; 当重力加速度小于10-3g0 时, 重力加速度的减小对液体爬升速度的影响较小. 在爬升过程中, 导流叶片附近液体的速度呈逐渐减小的趋势, 且重力加速度越小, 初始速度越大. 接触角对液体的爬升高度也会产生影响,接触角越小, 液体爬升至顶部的时间越短; 当接触角大于45° 时, 外侧导流叶片附近的液面不能爬升至顶端. 另外, 接触角越大, 液面高度的斜率越小,导流叶片附近液体的初始速度也越小.
2015, 47(3): 430-440. doi: 10.6052/0459-1879-14-255
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紧致插值曲线方法在流向强迫振荡圆柱绕流中的应用
赵西增, 付英男, 张大可, 程都
利用紧致插值曲线(constrained interpolation profile method in Zhejiang University, CIP-ZJU) 数学模型, 对低科勒冈-卡朋特(Keulegan–Carpenter) 数KC 静止流体中振荡圆柱以及雷诺数Re = 200 时流向强迫振荡圆柱绕流进行了数值模拟. 模型在直角坐标系统下建立, 采用紧致插值曲线方法作为流场的基本求解器离散了纳维-斯托克斯方程, 基于多相流的理论实现流固耦合同步求解, 利用浸入边界方法处理固体边界. 模拟结果与现有文献结果进行比较, 二者吻合情况较好, 验证了此方法对于计算复杂流动问题的可靠性.
2015, 47(3): 441-450. doi: 10.6052/0459-1879-14-387
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类石墨烯二维原子晶体的微态理论模型
杨刚, 张斌
基于微态(Micromorphic) 连续介质理论,提出了针对类石墨烯二维原子晶体的新力学模型. 该模型以有限大小的布拉维单胞为基元体,考虑基元粒子的宏观位移和微观变形,依据微态理论基本方程,推导了全局坐标系下模型的主导方程. 然后针对布拉维单胞中含有两个原子的类石墨烯晶体,通过分析单胞中声子振动模式与基元体自由度的关系,获得了微态形式下声子色散关系的久期方程,并根据二维晶体声子色散特性对久期方程进行了简化,进而确定了类石墨烯晶体模型的本构方程. 最后,以石墨烯和单层六方氮化硼为例,利用简化的表达式拟合了它们面内声子色散关系数据,计算了模型材料的常数,石墨烯模型的等效杨氏模量、泊松比分别为1.05 TPa 和0.197,氮化硼分别为0.766 TPa 和0.225,均与已有的实验值相符合.
2015, 47(3): 451-457. doi: 10.6052/0459-1879-14-282
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复合材料层合板低速冲击损伤分析的连续介质损伤力学模型
李念, 陈普会
针对复合材料层合板低速冲击损伤问题,提出了一种各向异性材料连续介质损伤力学模型,模型涵盖损伤表征、损伤起始判定和损伤演化法则3 个方面. 通过材料断裂面坐标下的损伤状态变量矩阵完成损伤表征,并考虑断裂面角度的影响,建立了主轴坐标系下的材料损伤本构关系. 损伤起始由卜克(Puck) 失效准则预测,损伤演化由断裂面上的等效应变控制,服从基于材料应变能释放的线性软化行为. 模型区分了纤维损伤和基体损伤,并根据冲击载荷下层内产生多条基体裂纹继而扩展至界面形成层间裂纹(分层) 的试验观察,引入基体裂纹饱和密度参数表征层间分层. 以[03/45/-45]S 和[45/0/-45/90]4S 两种铺层的复合材料层合板为例,预测了不同冲击能量下复合材料层合板的低速冲击损伤响应参数,试验结果证明了连续介质损伤力学模型的有效性.模型在不同网格密度下的计算结果表明单元特征长度的引入可以在一定程度上降低损伤演化阶段对网格密度的依赖性.
2015, 47(3): 458-470. doi: 10.6052/0459-1879-14-169
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多裂纹扩展的数值流形法
徐栋栋, 郑宏, 杨永涛, 邬爱清
数值流形法的求解体系建立在两套覆盖(包括数学覆盖和物理覆盖) 和接触环路的基础之上,实现了对连续和非连续问题的统一求解. 在处理裂纹问题时,数学覆盖无需与裂纹重合,方便岩体破坏过程的模拟. 通过在裂纹尖端影响区域内的物理片上增加用于模拟应力奇异性的增强位移函数,发展了扩展的数值流形法. 在此基础上,提出一种多裂纹扩展的控制算法,并给出了裂纹扩展过程中材料体的整体响应. 针对典型的线弹性断裂力学问题, 给出的数值算例表明所建议的方法是正确有效的.
2015, 47(3): 471-481. doi: 10.6052/0459-1879-14-347
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黏弹性界面断裂分析的增量“加料”有限元法
杨军辉, 蒙上阳, 雷勇军
提出了一种适用于黏弹性界面裂纹问题的增量“加料” 有限元方法. 利用弹性界面裂纹尖端位移场的解答,通过对应原理和拉普拉斯逆变换近似方法,得到了黏弹性界面裂纹的尖端位移场. 用该位移场构造了黏弹性界面裂纹“加料” 单元和过渡单元位移模式,推导了增量“加料” 有限元方程,求解有限元方程可获得应力强度因子和应变能释放率等断裂参量. 建立了典型黏弹性界面裂纹平面问题“加料” 有限元模型,计算结果表明,对于弹性/黏弹性界面裂纹和黏弹性/黏弹性界面裂纹,该方法都能得到相当精确地断裂参量,并能很好地反映蠕变和松弛特性,可推广应用于黏弹性界面断裂问题的计算分析.
2015, 47(3): 482-492. doi: 10.6052/0459-1879-14-391
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PMN-PT层/弹性基底结构中声表面波特性分析
孔艳平, 刘金喜
研究了PMN-PT 压电层/弹性(金刚石) 基底结构中表面波的传播特性,压电层表面是机械自由的,电学边界条件分为电学开路和电学短路,压电层与基底之间采用理想连接. 得到了满足控制方程和边界条件的电弹场以及弹性波在结构中传播时的频散方程,通过数值算例分析了压电材料PMN-PT 的极化方向对弹性波频散曲线和机电耦合系数的影响,以及不同极化方向时弹性位移和电势随结构深度方向的变化,结果可为PMN-PT 压电材料在高频声表面波器件中的应用提供有价值的理论参考.
2015, 47(3): 493-502. doi: 10.6052/0459-1879-14-299
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带有姿态的绳系航天器混沌运动实验研究
庞兆君, 金栋平
利用地面物理仿真平台研究了绳系航天器的混沌动力学行为. 首先, 根据天地动力学相似原理, 通过对卫星仿真器施加喷气力和动量轮力矩来模拟空间动力学环境, 提出了两种等效方案, 给出了它们各自适用的实验工况. 数值结果表明, 在轨绳系航天器在一定的参数条件下系绳摆动为周期或概周期运动、航天器姿态发生混沌运动. 物理仿真验证了等效方案的有效性, 揭示了绳系航天器的混沌运动特征, 表明在阻尼力矩的作用下可以避免绳系航天器混沌运动的发生.
2015, 47(3): 503-512. doi: 10.6052/0459-1879-14-308
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基于六参数非均匀密度函数的伊万模型研究
李一堃, 郝志明, 章定国
伊万模型(Iwan model) 常用于描述连接的能量耗散和阻尼特性,来研究连接结构的非线性静动力学行为.本文提出了一个含截断幂律分布和双脉冲的非均匀密度函数的六参数伊万模型, 推导出六参数伊万模型的骨线方程,微、宏观滑移情况下的卸载方程和能量耗散的解析表达式,并讨论了模型参数对能量耗散的影响. 与已有的伊万模型相比,六参数伊万模型能够更好地描述连接结构的实验现象.
2015, 47(3): 513-520. doi: 10.6052/0459-1879-14-375
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南海水合物黏土沉积物力学特性试验模拟研究
石要红, 张旭辉, 鲁晓兵, 王淑云, 王爱兰
利用自行研制的含水合物沉积物合成、分解与力学性质测量一体化试验设备,以南海水合物区域的海底粉质黏土作为骨架,制备含水合物沉积物样品,并对其进行了三轴压缩试验研究,获得了水合物分解前后的应力应变曲线和抗剪强度特性. 结果表明:在水合物饱和度0%~45% 的范围内,水合物沉积物的应力应变曲线均表现为弹塑性变形,存在明显的应变硬化现象;抗剪强度、内摩擦角和黏聚力随水合物饱和度的增加而增加. 相对而言,内摩擦角随饱和度增加幅度较小,其他参数在水合物饱和度超过25% 时,呈陡然增高趋势;水合物分解后导致抗剪强度最大可降低为初始的1/4,不同初始饱和度条件下水合物完全分解后沉积物的抗剪强度基本相等,并大于同等围压条件下初始不含水合物的沉积物抗剪强度.
2015, 47(3): 521-528. doi: 10.6052/0459-1879-14-424
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研究简报
纵向沟槽壁面湍流边界层内类开尔文-亥姆霍兹涡结构的流动显示
杨绍琼, 崔宏昭, 姜楠
纵向沟槽壁面的湍流边界层,当沟槽的脊-脊内尺度无量纲展向间距s+ 在一定范围内,与光滑壁面湍流边界层相比,具有减阻效应;并在s+ 约为17 个黏性长度单位时减阻效果达到最优,之后其减阻趋弱,直至增阻;其原因可能是沟槽壁面湍流边界层由于“开尔文-亥姆霍兹” 不稳定性而产生的一种“类开尔文-亥姆霍兹”展向涡结构. 实验采用烟雾流动显示技术,首次在风洞中显示了这种“类开尔文-亥姆霍兹” 展向涡结构,确认了其存在性,并在概念上简单勾勒了其结构模型.
2015, 47(3): 529-533. doi: 10.6052/0459-1879-14-345
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一种基于径向基函数的两步法网格变形策略
刘中玉, 张明锋, 聂雪媛, 杨国伟
基于径向基函数(RBF) 的网格变形方法是一种可靠的网格变形技术,对于任意拓扑的网格都能获得高质量的变形网格. 缩减控制点的RBF 网格变形方法可以大幅提高网格变形效率,但也存在变形后物面误差较大、边界层网格交错的问题. 在缩减控制点方法的基础上,提出了一种适合于带有边界层的黏性网格变形的方法,该方法从物面中选择两组控制点,利用其中一组控制点粗略计算变形后网格位置及变形误差,利用第二组控制点与变形误差插值得到更为精确的变形网格. 利用该方法完成带襟翼的NLR 7301 二维构型和带发动机短舱的DLR F6 翼身组合体的网格变形问题,结果表明该方法可以较大幅度降低变形网格的物面误差,并且有效避免边界层网格交错问题.
2015, 47(3): 534-538. doi: 10.6052/0459-1879-14-280
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径向非均匀介质中圆形夹杂的动应力分析
杨在林, 黑宝平, 杨钦友
基于复变函数理论,研究了径向非均匀弹性介质中均匀圆夹杂对弹性波的散射问题. 介质的非均匀性体现在介质密度沿着径向按幂函数形式变化且剪切模量是常数. 利用坐标变换法将变系数的非均匀波动方程转为标准亥姆霍兹(Helmholtz) 方程. 在复坐标系下求得非均匀基体和均匀夹杂同时存在的位移和应力表达式. 通过具体算例分析了圆夹杂周边的动应力集中系数(DSCF). 结果表明:基体与夹杂的波数比和剪切模量比,基体的参考波数和非均匀参数对动应力集中有较大的影响.
2015, 47(3): 539-543. doi: 10.6052/0459-1879-14-204
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科学基金
2015年度力学科学处基金项目受理情况介绍
詹世革, 张攀峰, 许向红, 孙中奎
介绍了2015 年度国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处受理的面上项目、青年科学基金项目、地区科学基金项目、重点项目、优秀青年科学基金、国家杰出青年科学基金和海外及港澳学者合作研究基金项目的申请情况.
2015, 47(3): 544-545. doi: 10.6052/0459-1879-15-161
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