力学学报

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刘宇陆, 王宇泽, 李家骅, 陶亦舟, 邱翔

采用粒子图像测速技术对逆壁射流全流场进行了实验测量, 射流与主流的速度比为$ 8.89 $, 基于射流圆管内径的雷诺数为$9127$. 主要关注射流剪切层内不同流向位置湍流的统计特性变化, 包括尺度特性和结构特性. 对射流中心线上不同流向位置的脉动速度场统计分析发现: 在$ x/D = 30\sim 43 $, 受反馈机制影响, Q1和Q4事件占据主导地位. 在驻点附近($ x/D = 43\sim 50 $)的区域Q3事件为主导事件. 对射流剪切层内湍流结构的平均空间尺度进行分析, 在$ x/D = 0\sim 37 $总尺度向射流下游发展呈增长趋势, 在$ x/D = 37\sim 46 $总尺度几乎不变, $ x/D = 46\sim 51 $总尺度向射流下游发展呈减小趋势. 在$ x/D = 35 $之前, 参考点上游尺度与下游尺度近似. 在$ x/D = 35\sim 41 $, 参考点下游尺度大于上游尺度. 在$ x/D = 41\sim 51 $, 参考点下游尺度小于上游尺度. 利用频域上的本征正交分解方法对湍流结构进行了定量分析, 发现模态能量集中在低频, 流场中能量最大的模态频率为$fD/{U_j} = 0.000\;5$, 出现在再循环区. 频率为$fD/{U_j} = 0.002\;6$的第一阶模态说明射流发生偏转时与主流相互作用产生了湍流结构, 并且沿再循环区外围输运. 高频结构的构型是类似的, 均位于射流剪切层内, 且频率越高, 越接近射流出口, 尺度越小.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-533

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小样本数据下圆柱薄壳初始缺陷不确定性量化的极大熵方法

李建宇, 杨坤, 王博, 张丽丽

具有不确定性特征的初始缺陷被认为是导致薄壳结构实际临界载荷值与理论解不相符并呈现分散特征的主要原因. 对实际薄壳结构初始缺陷的建模至少需要考虑两个方面的不确定性量化, 一是对缺陷分布形式和幅值等固有随机性的量化, 二是对小样本量和不准确测量所导致缺陷统计量的不确定性的量化. 本文在利用随机场的Karhunen-Loeve展开法对薄壳初始几何缺陷建模的基础上, 提出一种基于极大熵原理的缺陷建模方法. 首先, 采用极大熵分布来估计Karhunen-Loeve随机变量的概率密度函数, 以适应不能使用高斯随机场进行缺陷随机场建模的情况. 随后, 通过将经典的等式约束极大熵模型扩展为区间约束极大熵模型, 实现对实际工程中仅能获得少量薄壳结构几何缺陷样本数据所导致的认知不确定性的量化. 最后, 将所提方法用于对国际缺陷数据库的A-Shell进行缺陷建模和临界载荷预测. 研究表明, 所提基于区间约束极大熵原理的随机场建模方法在能够有效表征实测数据高阶矩信息的同时, 还具备量化小样本数据导致的认知不确定性的能力, 并且高斯随机场模型和基于等式约束极大熵原理的随机场模型是本文所提建模方法的两种特殊情况.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-556

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拉扭耦合作用下柱形纤维与基底的界面黏附性能研究

徐荣强, 彭志龙, 陈少华

受壁虎刚毛可逆黏附性能的启发, 本文建立了单根弹性圆柱纤维与刚性基底黏附接触的理论和数值模型, 同时考虑了拉伸和扭转载荷的耦合作用及纤维半径对界面黏附性能的影响. 研究发现耦合载荷作用下柱形纤维同样存在一个临界半径, 当纤维半径小于该临界尺寸时, 界面应力达到均匀的理论强度分布, 接触边界应力集中消失, 出现缺陷不敏感现象; 当纤维半径大于该临界尺寸时, 界面以裂纹扩展而失效. 在耦合载荷作用下纤维的临界半径小于纯拉伸而大于纯扭转时的临界尺寸, 且该临界半径随着施加扭转载荷的增大而减小. 表明在纯拉伸载荷下使界面黏附强度达到最优的柱形纤维, 在拉伸和扭转载荷耦合作用下, 由于界面失效形式的转变使界面易发生脱黏, 并且界面脱黏时的拉脱力随着扭转载荷的增大而减小, 理论和数值结果一致. 本文结果进一步应用揭示了壁虎可以通过调控施加在其最小黏附单元上的载荷形式实现纯拉伸载荷下强黏附及耦合载荷下易脱黏的力学机制.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-050

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波浪与新型双排开孔圆筒防波堤相互作用三维数值模拟

邓斌, 尹龙斌, 黄姣凤, 熊凯, 蒋昌波

双排开孔圆筒防波堤是基于圆筒、板式结构的一种复合式新型结构形式; 基于不可压缩两相流模型建立三维数值波浪水槽, 通过RNG k-ε湍流模型进行湍流封闭, 并采用TruVOF方法捕捉自由液面, 开展波浪与双排开孔圆筒防波堤相互作用数值模拟, 探究相对排间距、开孔率对新型双排开孔圆筒防波堤消浪性能的影响, 分析了后排开孔圆筒防波堤附近的复杂水动力现象和流动特性. 结果表明, 在本文研究工况范围内, 沿程平均波高随相对排间距的增大先增大后减小, 随开孔率的增大而增大, 周期对沿程平均波高的影响没有明显规律; 当B/D = 9, e = 23.11%时, 新型双排开孔圆筒防波堤消浪效果最优, 反射系数在0.4 ~ 0.46之间, 透射系数在0.3 ~ 0.35之间, 耗散系数在0.8 ~ 0.85之间; 自由液面破碎、水气掺混、环状涡运动演化是新型双排开孔圆筒防波堤紊动耗能消波的主要原因; 相对排间距会引起后排防波堤附近涡量分布以及剪切层形态的变化, 从而导致不同的紊动特性, 影响双排开孔圆筒防波堤消浪特性. 研究结果可以为新型双排开孔圆筒防波堤工程设计与消浪机理研究提供理论支撑.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-545

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脉冲激光等离子体与正激波相互作用的PIV实验研究

王殿恺, 石继林, 黄龙呈, 文明, 张腾飞

脉冲激光等离子体与超声速流场相互作用在飞行器减阻隔热、点火助燃等方面具有重要的应用价值. 纹影实验方法只能定性或半定量地反映流动状态. 为定量研究速度分布和旋涡结构, 针对激光等离子体及其与正激波相互作用过程开展粒子图像测速PIV实验研究. 在激波管实验平台上建立了纳秒脉冲激光能量沉积系统和PIV测量系统, 通过定量测量, 探明了激光等离子体引致的激光空气泡以及热核的流动特性, 揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律, 并给出了激光能量大小和位置对相互作用过程的影响. 结果表明: 激光空气泡内的速度分布在激光入射方向上并不关于击穿点对称, 而是在靠近激光入射方向一侧的流速略大于远离激光入射方向一侧; 斜压导致热核在演化初期产生涡环, 后期则由剪切主导; 正激波与激光空气泡界面、热核界面相互作用时, 产生斜压涡量, 当激光能量为87.8 mJ、正激波马赫数1.4时, 热核在正激波作用下产生的涡量比在静止空气中演化时大1个数量级; 激光与正激波相互作用的关键过程是热核在正激波冲击下演化成涡环, 在激波波前注入激光能量能够获得更加显著的涡环.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-580

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变加速动力学系统的广义Gauss最小拘束原理

张毅, 宋传静, 翟相华

变加速运动在日常生活和工程问题中普遍存在. 变加速动力学又称牛顿猝变动力学, 因其在混沌理论和非线性动力学中的应用而获得广泛关注. Gauss原理是一个具有极值性质的微分变分原理. 因此, 研究变加速动力学系统的广义Gauss原理在理论和应用两方面都有重要意义. 文章提出并研究变加速动力学系统的广义Gauss原理. 首先, 引入急动度空间的广义Gauss变分概念, 将质点的d’Alembert原理对时间求导数后与广义Gauss变分点乘, 并利用Gauss意义下的理想约束条件, 建立了变加速动力学系统的广义Gauss原理. 在此基础上, 通过构造广义拘束函数建立并证明变加速动力学系统的广义Gauss最小拘束原理, 并给出原理的Appell形式、Lagrange形式和Nielsen形式. 其次, 研究原理对变质量力学的推广. 从Мещерский方程出发, 将它对时间求导并与广义Gauss变分点乘, 建立了具有理想约束的变质量变加速动力学系统的广义Gauss原理. 通过构造变质量系统的广义拘束函数, 建立并证明变质量力学系统变加速运动的广义Gauss最小拘束原理. 文中以Kepler-Newton空间问题为例, 利用所得的广义Gauss最小拘束原理方法进行计算, 验证了方法的有效性.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-030

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考虑诱导缝多段压裂水平井非均质改造压力动态模型研究

徐有杰, 向祖平, 张小涛, 于梦男, 余星颖

为了准确模拟致密油藏水平井大规模压裂形成复杂裂缝网络系统和非均质储层井底压力变化, 建立考虑诱导缝矩形非均质储层多段压裂水平井不稳定渗流数学模型, 耦合裂缝模型与储层模型得到有限导流裂缝拉普拉斯空间井底压力解, 对两种非均质储层模型分别利用数值解、边界元和已有模型验证其准确性. 基于压力导数曲线特征进行流动阶段划分和参数敏感性分析, 得到以下结果: 和常规压裂水平井井底压力导数曲线相比较, 理想模式下, 考虑诱导缝影响时特有的流动阶段是: 综合线性流阶段、诱导缝向压裂裂缝 “补充”阶段、储层线性流动阶段和拟边界控制流阶段. 诱导缝条数的增加加剧了综合线性流阶段的持续时间, 降低了流体渗流阻力, 早期阶段压力曲线越低; 当诱导缝与压裂裂缝导流能力一定时, 裂缝导流能力越大, 线性流持续时间越长; 当所有压裂裂缝不在一个区域时, 沿井筒方向两端区域低渗透率弱化了低渗区域诱导缝流体向压裂裂缝“补充”阶段, 因此, 沿井筒方向两端区域渗透率越低, 早期阶段压力曲线越高; 当所有压裂裂缝在一个区域时, 渗透率变化只影响径向流阶段之后压力曲线形态, 外区渗透率越低, 早期径向流阶段之后压力曲线越高. 通过实例验证, 表明该模型和方法的实用性和准确性.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-514

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煤炭地下气化腔CO₂埋存的研究进展及发展趋势

李龙龙, 方惠军, 葛腾泽, 刘曰武, 王峰, 刘丹璐, 丁玖阁, 喻岳钰

CO₂捕集与埋存(CCS)可助力碳达峰、碳中和战略目标实现, 是解决温室效应的重要手段. 在众多地质埋存空间中, 煤炭地下气化(UCG)后的气化腔近年来成为埋存研究的热点, 但与传统埋存方式相比, 相关工作仍处于理论探索阶段, 缺乏现场实施案例. 为推动该埋存方式的发展, 文章从以下3方面开展工作. (1)介绍UCG和CO₂气化腔埋存的国内外研究进展, 并将后者的发展划分为概念提出阶段、潜力评价和可行性分析阶段以及机理分析阶段, 目前尚处于理论探索阶段. (2)从注入性、密闭性、经济性、储容量和CO₂埋存机理等多个角度出发, 通过与其他埋存方式对比, 分析了气化腔埋存的特点与优势: 注入性良好; 密闭性与未开发煤层类似, 但更为复杂; 显著节约CO₂运输成本; 埋存潜力巨大; 埋存机理非常复杂, 需要考虑气化腔形态、边壁性质以及超临界CO₂与气化腔流体间复杂相互作用对注入和长期埋存过程的影响. (3)阐明CO₂气化腔埋存所涉及的关键科学问题和工程问题, 并指出未来发展趋势. 在以上工作的基础上, 建议国家出台相关政策鼓励和支持UCG及后续的CO₂气化腔埋存, 丰富CCS体系, 推动煤炭资源的清洁化和低碳化利用.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-538

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煤炭地下气化关键力学问题的数值研究进展

刘曰武, 方惠军, 李龙龙, 葛腾泽, 郑太毅, 刘丹璐, 丁玖阁

煤炭资源的清洁高效利用已成为“双碳”背景下科学研究的重要方向和新课题. 在众多相关技术中, 煤炭地下气化技术近年来得到快速发展并展现出巨大潜力. 然而, 由于室内实验和现场试验的实施成本非常高, 气化机理认识和控制运行工艺优化方面的研究均受到很大限制. 近年来, 运行成本低、操作简单、实施周期短的数值模拟方法成为重要的研究工具, 得到越来越多的关注. 由于煤炭地下气化过程极其复杂, 数值模拟方法在数学建模和数值求解方面均面临巨大挑战. 对此, 本文开展了以下工作: 对煤炭地下气化过程进行了详细分析, 阐明各个运行空间的物质和关键问题, 厘清煤炭地下气化的本质; 归纳出流体动力学问题、热力学问题、材料应力问题以及化学反应动力学问题等4类关键力学问题; 详细介绍每个关键力学问题数值研究的最新成果和发展历程; 介绍煤炭地下气化数值研究的工程应用, 并指出其发展趋势. 本文工作对推动煤炭地下气化数值方法的发展以及指导我国煤炭地下气化先导试验设计和现场实施有积极的理论意义.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-331

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岩体三维裂隙网络地质熵与渗透特性关系研究

樊鑫成, 叶祖洋, 黄诗冰, 程爱平

裂隙网络是岩体地下水的主要流动通道, 而工程岩体中裂隙网络错综复杂, 裂隙网络的几何特征和连通性对其渗透性有着重要影响. 为了综合量化裂隙迹长、间距、倾角、开度对裂隙网络连通性和渗透性的影响, 基于信息熵原理, 提出了三维裂隙网络地质熵理论和连通性指标−熵尺度, 对比熵尺度与其他传统三维裂隙网络连通性指标, 验证了熵尺度评价三维裂隙网络连通性和渗透性的合理性. 结合锦屏一级水电站左岸边坡裂隙统计分布, 建立三维裂隙网络渗流数值计算方法, 分析不同裂隙迹长、倾角、间距、开度条件下三维裂隙面密度、无量纲逾渗密度、熵尺度和渗透系数的变化关系. 结果表明: 当体积率一定, 考虑开度影响时, 三维裂隙面密度和无量纲逾渗密度无法定量表征迹长和间距对裂隙网络连通性的影响; 裂隙迹长与熵尺度和渗透系数呈负相关关系, 裂隙间距和开度与熵尺度和渗透系数呈正相关关系, 裂隙倾角变化对熵尺度和渗透系数影响较小; 熵尺度与渗透系数的非线性关系近似满足二次多项式.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-579

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考虑蠕变效应的页岩气水平井控压生产增产机理研究

郭为, 柳家正, 张晓伟, 滕柏路, 康莉霞, 高金亮, 刘钰洋, 罗万静

页岩储层具有基质渗透率低、天然裂缝发育复杂等特点, 主要采用多段压裂水平井的方式进行开发. 页岩气井的生产分为放压生产和控压生产两种方式, 目前学者们普遍认为控压生产能够增加EUR, 且应力敏感性是控压生产效果优于放压生产效果的主要原因. 文章在考虑基质和裂缝应力敏感的基础上, 进一步考虑基质岩石的蠕变效应, 建立变压蠕变影响的嵌入式离散裂缝模型, 通过数值模拟方法分析应力敏感和蠕变效应对不同生产方式生产效果的影响. 结果表明, 只考虑应力敏感时, 放压生产优于控压生产, 只有考虑蠕变效应时, 控压生产效果才会优于放压生产, 抑制页岩的蠕变效应是控压生产提高气井EUR的机理之一. 随控压时长的增加, 气井EUR呈现先增加后降低的趋势, 控压生产存在一个最优值; 基质蠕变参数越大、人工裂缝导流能力越高、基质渗透率越小、吸附体积越小、控压生产增产的效果越好. 本研究从机理上解释了控压生产的增产机理, 为页岩气井的生产制度优化奠定了基础.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-460

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天然气水合物降压开采沉积物压缩效应数值模拟研究

栾恒杰, 马先壮, 蒋宇静, 于海洋, 王长盛, 程先振, 梁伟

深海天然气水合物降压开采过程中, 沉积物的压缩会改变储层的物理力学特性, 进而对天然气的开采效果产生显著影响. 为揭示沉积物压缩效应下井周围储层物理力学特性演化规律, 本文建立了考虑沉积物压缩效应的理论模型, 通过COMSOL模拟研究了在不同初始固有渗透率、初始水合物饱和度和井底压力条件下的降压开采中生产井周围储层的物理力学特性演化规律以及开采效果. 结果表明: 受到沉积物压缩的影响, 水合物分解区的渗透率随着与井筒距离的增加先增加后减少; 产气与产水速率从零开始立即上升至峰值, 然后迅速下降, 并且考虑沉积物压缩时的产气与产水速率比不考虑时低; 在水合物完全分解区, 渗透率的大小与有效应力成负相关关系, 未分解区渗透率的大小与水合物饱和度成负相关关系; 井底压力越小, 有效应力越大, 生产井周围储层的渗透率下降越明显; 初始水合物饱和度对产气与产水的影响存在拐点, 饱和度拐点位于0.25与0.35之间, 高水合物饱和度并不代表储层开采效果好, 因为产气速率的高低还与储层的渗透率有关; 高水合物饱和度储层的渗透率较低, 产气速率较低, 而储层初始固有渗透率较高时显著促进了开采效果, 但储层变形量较大增加了储层的不稳定性.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-465

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数智流体力学的发展及油气渗流领域应用

宋洪庆, 都书一, 王九龙, 劳浚铭, 谢驰宇

大数据及人工智能技术的崛起推动了数智流体力学的快速发展. 数智流体力学是将流体力学、大数据和人工智能相结合, 以流体力学场景需求为导向, 形成以“数”为基础, 以“智”为核心, 以算力为支撑的新研究范式. 核心内涵是要以数据驱动为主, 融合物理信息、专家经验等先验知识, 利用智能化手段构建“数据 + 物理”双驱动的数智模型, 解决场景需求问题. 数智流体力学在建模灵活性、运算效率、计算精度方面具有十分明显的优势, 其应用潜力已经在多尺度流动、多场耦合以及流场建模等方面得到验证. 数智流体力学研究范式包括数据治理和智能算法构建, 其中数据治理工作尤为重要, 治理后的数据质量是智能算法能否发挥其价值的关键. 智能算法中“数据 + 物理”协同驱动主要存在四种引入机制, 分别是基于输入数据的嵌入机制、基于模型架构的嵌入机制、基于损失函数的嵌入机制和基于模型优化的嵌入机制. 以油气领域应用为例, 介绍了数智流体力学在储层物性参数预测、压裂效果评价以及注采参数优化等方面的一系列研究进展. 数智流体力学是流体力学未来的重要发展方向之一, 以场景需求为导向、深度融合物理信息等先验知识的新一代智能理论与方法是数智流体力学发展的必然趋势, 能够从崭新的角度攻克诸多复杂多变的流体力学关键问题.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-484

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动力损伤后的脆性岩石静力蠕变断裂模型研究

李晓照, 张骐烁, 柴博聪, 戚承志

应力波动力扰动下脆性岩石的静力蠕变特性, 对深部地下工程围岩变形的评价有重要的实践意义. 动力载荷作用导致的局部细观裂纹损伤严重影响脆性岩石蠕变力学行为. 基于细观裂纹扩展与应力关系模型、动力扰动损伤演化函数、静动力载荷演化路径函数与黏弹性本构模型, 提出一种应力波动力扰动下脆性岩石蠕变断裂特性的宏细观力学模型. 其中动力损伤通过控制岩石内部细观裂纹数量变化实现. 模型描述了应力波动力扰动下岩石的应变时间演化曲线, 解释了岩石动力扰动下蠕变失效特性. 研究了不同应力波幅值及周期影响下的脆性岩石应变−时间关系曲线, 并通过试验结果验证了模型的合理性. 讨论了动力损伤变化形式, 突变发生时刻, 突变量的大小对岩石蠕变失效特性的影响. 分析了应力波幅值、周期对岩石动态动力损伤效应以及蠕变失效特性的影响. 主要研究结果: 动力损伤的变化值越大, 岩石蠕变失效发生时间越短. 冲击载荷扰动期间, 动力损伤发生的时刻及增加的形式, 对动力扰动后的岩石应变及蠕变破坏时间影响很小. 动力损伤变化量随应力波幅值增加、周期减小而加速增大. 应力波幅值越大、周期越小, 岩石发生蠕变失效时间越短.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-597

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高速列车磁流变半主动悬挂控制策略研究

王鹏, 杨绍普, 刘永强, 刘鹏飞, 赵义伟

为了提高列车运行平稳性, 在经典的天棚控制和加速度控制的基础上, 提出了一种新型混合控制策略, 对高速列车磁流变半主动悬挂控制系统进行了仿真和实验研究. 首先, 对磁流变阻尼器(MRD)的力学特性测试分析, 引入具有电流饱和特性的修正函数, 建立了MRD的修正扩展双曲正切模型. 然后, 设计了面向列车平稳性的新型混合控制策略, 通过分析车体加速度传递特性, 比较了不同控制策略在全频域内的控制效果. 此外, 从相频特性的角度阐释了新型混合控制策略在全频段的控制优势. 将MRD修正模型应用于悬挂控制, 利用UM和Simulink软件建立了整车磁流变半主动悬挂控制系统联合仿真模型, 分析不同控制策略对车辆动力学性能的影响. 最后, 构建了基于MRD的整车悬挂系统硬件在环实验台, 通过开展硬件在环实验分析不同控制策略下的车体响应. 结果表明, 相比传统的控制策略, 新型混合控制策略能兼顾低频段和高频段的振动控制效果, 不仅可以提高列车的运行平稳性, 而且不会恶化列车的运行安全性. 硬件在环实验证明了新型混合控制策略的有效性, 以及高速列车应用半主动控制悬挂的可行性.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-586

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有限周期微穿孔波纹板吸声体吸声性能研究

邱纪成, 王晓明, 梅玉林

为了推动微穿孔吸声体(MPA)在工程中的实际应用, 本文采用数值仿真方法, 研究了有限尺寸的微穿孔波纹板吸声体的吸声性能. 首先, 基于微穿孔板阻抗理论, 并将平面波谱法和有限元分析方法耦合起来, 构造了微穿孔波纹板吸声体(CMPA)的三维仿真模型, 给出了在声波垂直入射和斜入射工况下, 吸声体声学性能的计算列式; 然后, 应用有限元软件COMSOL, 模拟了有限周期CMPA的吸声性能, 分析了波纹深度和波纹间距与吸声性能之间的关系, 以及声波入射方向对吸声性能的影响; 最后, 为改善吸声体对声波方向的敏感性, 设计了双向波纹状微穿孔板吸声体. 结果表明, 在声波垂直入射和斜入射的工况下, 相对于传统的平直微穿孔板吸声体, 波纹板吸声体具有更好的吸声性能, 包括更高的吸声系数和更宽的有效吸声频带; 双向波纹板吸声体能显著改善单向波纹板对声波入射方向的敏感性, 实现在更大声波入射角范围内的有效吸声, 如当入射声波方位角任意且入射角在0° ~ 45°范围内时, 双向波纹板吸声体, 在500 ~ 2500 Hz范围内的吸声系数都大于0.7, 表现出了优良的吸声性能.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-526

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近壁泊肃叶流中活性粒子迁移规律研究

许晓飞, 王炯哲, 童松豪, 刘凤霞, 魏炜, 刘志军

研究活性粒子在剪切流中的迁移规律对实现颗粒分离和过程强化均具有重要意义. 基于耗散粒子动力学理论, 建立了描述微通道内近壁泊肃叶流中活性粒子迁移运动的数学模型, 考察了活性粒子圆周运动角速度、手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数对大肠杆菌和常规活性粒子横向迁移速度和受迫转向频率的影响规律, 并确定近壁剪切流中活性粒子横向迁移的形成机制. 结果表明, 近壁剪切流场中大肠杆菌的横向迁移速度随剪切速率增大先快速增加继而趋于稳定; 大肠杆菌横向迁移速度随圆周运动角速度增大而减小, 随手性诱导角速度、直行运动速度和转向扩散系数的增大而增大; 大肠杆菌的受迫转向频率受圆周运动角速度、直行运动速度和转向扩散系数的影响小, 而随手性诱导角速度的增大而加快; 相比大肠杆菌, 常规活性粒子横向迁移速度显著减小、受迫转向频率明显变慢, 二者受直行运动速度和转向扩散系数的影响规律与大肠杆菌类似. 直行运动是活性粒子形成横向迁移运动的前提, 其他运动参数和结构参数均可一定程度促进或抑制活性粒子在近壁剪切流场中的横向迁移.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-558

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基于核磁共振孔隙划分的致密油藏自发渗吸原油可动性研究

李腾, 高辉, 王美强, 冯永兵, 王琛, 程志林

自发渗吸驱油是致密油藏提高采收率的有效手段, 但不同的孔隙划分方法会导致原油可动性精细定量表征存在差异性. 基于此, 以鄂尔多斯盆地延长组致密油藏为研究对象, 开展了四种典型致密岩心的自发渗吸驱油实验, 利用基于核磁共振分形理论的流体分布孔隙精细划分方法, 区分了致密砂岩岩心孔隙类型, 明确了不同类型岩心孔隙结构对原油可动性和自发渗吸驱油速率的控制特征. 研究结果表明不同类型岩心自发渗吸模拟油动用程度介于22.07% ~ 33.26%, 核磁共振T₂谱双峰型岩心自发渗吸模拟油动用程度高于单峰型岩心; 不同类型致密砂岩岩心中流体分布孔隙可初步划分出P1和P2两种类型, P1类型孔隙则可进一步划分出P1-1, P1-2和P1-3三种亚类型孔隙; 致密砂岩岩心中P1和P2类孔隙中模拟油均有不同程度的动用, P1类孔隙作为致密岩心中主要孔隙, 尤其是P1类孔隙中P1-2和P1-3类孔隙的数量决定了自发渗吸模拟油动用程度; P1-1, P1-2和P1-3类孔隙结构差异性对自发渗吸模拟油动用程度起决定性作用, 较小尺寸孔径孔隙较大的孔隙结构差异性不仅提升了自发渗吸模拟油动用程度, 而且提升了自发渗吸驱油速率; 流体可动性指数较高的P1-2和P1-3类孔隙的致密砂岩岩心表现出较高的模拟油动用程度.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-566

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高超声速稀薄流中横向喷流干扰特性实验研究

卓越, 罗凯, 尚甲豪, 于庆豪, 汪球, 王业军, 梁金虎, 赵伟

喷流干扰是高超声速飞行高精度控制的一种有效手段, 研究者们以往大部分都主要集中于连续流条件下喷流干扰效应的机理研究, 并给出了喷流干扰流场的典型结构, 而稀薄流条件下喷流干扰特性的实验数据还十分匮乏. 本文利用JFX爆轰激波风洞产生高超声速稀薄自由流, 基于平板模型开展不同喷流压力和自由来流参数对横向喷流干扰特性影响的实验研究, 采用高速纹影成像及图像处理技术, 获得稀薄流条件下喷流干扰流场演化过程及流场结构的变化规律. 相比于无喷流条件形成的流场, 横向喷流与稀薄自由流相互作用形成的流场结构更为复杂, 喷流压力由于受到稀薄来流的扰动, 斜激波会短暂穿透喷流干扰流场并延伸至楔形体上部. 喷流干扰流场内桶状激波的影响范围随着喷流压力的升高而逐渐变宽, 位于三波点上游的斜激波空间位置不会随喷流压力的变化而改变, 而位于三波点下游的弓形激波则向上游移动, 当喷流压力过低时, 桶状激波不会与其他两种激波交汇形成三波点. 高超声速稀薄来流压力的降低同样会使桶状激波的影响范围变宽, 弓形激波同样也会向上游移动, 但基本不会对斜激波空间位置产生任何影响.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-599

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基于“AM-GoogLeNet + BP”联合数据驱动的混凝土细观模型压缩应力−应变曲线预测

刘溢凡, 张杰, 张新宇, 王志勇, 王志华

本文结合GoogLeNet卷积神经网络和BP神经网络分别在图像数据挖掘和数据分析方面的良好性能, 采用“AM-GoogLeNet + BP”联合数据驱动方法, 对混凝土细观模型(含砂浆、骨料及孔隙)的单轴压缩应力−应变曲线进行了有效预测. 通过引入力学参量对图像数据驱动的训练结果进行优化, 从而提升了神经网络的物理可解释性. 基于Python语言实现混凝土细观模型在Abaqus中的自动建模及细观图像生成过程, 并将生成的细观图像数据库与相应的压缩应力−应变曲线作为训练数据集. 在GoogLeNet中分别引入SENet, ECANet和CBAM三种代表性注意力机制并对三种注意力机制的性能进行对比和分析, 以自适应方式提升神经网络对混凝土各相组分的分析能力, 并以此得到混凝土细观模型的初步应力−应变预测曲线; 将骨料体积分数、孔隙率及初步峰值应力等物理参量作为输入引入BP神经网络以改善峰值应力的预测精度, 并与将物理参量直接引入卷积神经网络输入层的方法进行了对比, 最后定量给出了骨料体积分数和孔隙率对峰值应力的影响权重. 结果表明, 对于不同骨料体积分数及孔隙率的混凝土细观模型, 该方法均展现了较高的预测精度. 本文采用的“AM-GoogLeNet + BP”联合数据驱动预测模型从统计角度解决了传统方法对细观尺度参量分析的复杂性, 为复合材料的跨尺度力学行为研究提供了新思路.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-506

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鲹科模式鱼体自主前游的标度律研究

高天宇, 余永亮, 鲍麟

鲹科鱼类采用波状摆动可以实现非常高效的巡游游动, 在受力动态平衡下以很高的速度向前游动, 其性能远超传统的人造水下航行器, 因此, 探寻鱼体自主前游状态下流体力和前游速度的规律并建立相应的预测式具有重要的意义. 在开源OpenFOAM平台和柔性体自主推进算法基础上, 实现了波动鱼体自主游动的数值模拟, 以NACA0012翼型为典型鱼体外形, 对鲹科模式前向自主游动开展了系统的数值模拟. 由已获得的栓结模型下推力标度律的启发, 分别对自主巡游下的压差力系数和摩阻力系数进行标度研究. 结果表明在雷诺数从500到50000的范围内, 压差力系数和摩阻力系数分别具有形式一致的标度规律, 由此可根据数值结果给出定量的预测公式, 进而根据两作用力的匹配关系可以导出鱼体自主前游速度的标度律, 获得了根据已知的鱼体波动参数来预估巡游速度的方法. 此外, 探讨了雷诺数为500和50000工况, 不同摆尾幅度和频率组合下, 鱼体厚弦比对于巡游的水动力标度律和前游速度的影响, 并分析了不同鱼体外形对效能比的影响, 发现雷诺数越高, 获得最优效能比的鱼体越细长.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-567

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并行加速的局部变分迭代法及其轨道计算应用

王昌涛, 代洪华, 张哲, 汪雪川, 岳晓奎

为满足航天工程对轨道计算精度和实时性的高要求, 近年来发展出了可以通过大步长积分修正实现快速精确求解的积分修正类方法. 积分修正类方法有可并行计算的特点, 然而在串行计算环境下会受到计算资源的限制, 无法充分发挥其可并行加速的优势. 此外, 合理的计算参数通常难以预先确定, 也使积分修正类方法大步长快速计算的优势难以充分体现. 针对以上问题, 利用积分修正类方法可并行计算的特点, 提出了并行加速的局部变分迭代法PA-LVIM, 通过将传统局部变分迭代法LVIM的并行计算量均摊到多个计算节点上, 显著提高了计算速度. 此外, 还使用根据系统状态二阶导数分布确定计算参数的打磨法优化了PA-LVIM的计算参数, 进一步发挥了其大步长快速计算的优势. 求解了三个经典的轨道递推问题, 仿真结果表明, PA-LVIM的加速效果明显, 且经打磨法优化计算参数后, 其计算效率又进一步得到提高, 将当前主流方法的计算效率提高了5倍以上.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-592

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微槽−吸气组合控制平板边界层多模态稳定性研究

巩耕, 胡伟波, 武健辉, 涂国华, 陈坚强

边界层转捩会使高超声速飞行器壁面摩阻和热流显著增加, 因此在高超声速飞行器设计过程中往往占据重要地位. 针对高超声速飞行器多模态转捩控制问题, 提出了微槽道(1 mm)与边界层吸气的组合控制方法, 并通过直接数值模拟和线性稳定性理论研究了Ma = 4.5平板边界层的稳定性及组合控制效果. 边界层在无控状态时, 同时存在失稳的第一、二模态波, 且二维第二模态波最不稳定; 单纯施加微槽道控制时, 边界层第二模态波会被抑制但第一模态波会被略微激发. 对比而言, 采用“微槽−吸气”组合控制后, 不仅增强了对第二模态波的抑制效果, 而且减弱了第一模态波的激发程度; 同时随着吸气强度的增加, 第二模态波不稳定区域明显收缩、频率显著增高, 而第一模态波则变化不明显. 相较于单纯的微槽道, 吸气增强了“微槽吸收”与“声波散射”作用, 因此中等吸气强度下该组合控制方法对第一和第二模态波的增长率分别实现了12.63%和28.02%的抑制效果. 以上结果表明“微槽−吸气”组合控制手段具有适用宽频、布置区域灵活的优点, 展现出了一定的多模态控制效果.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-530

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具有组合非线性阻尼的非线性能量阱振动抑制响应分析

张运法, 孔宪仁

非线性能量阱是一种振动能量吸收装置, 其在结构振动抑制中具有十分重要的作用. 文章对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行振动抑制相关的分析. 首先对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行理论模型的描述, 对系统模型的运动方程利用复变量平均法进行推导, 得到系统的慢变方程. 其次对系统的慢变方程运用多尺度法进行强调制响应的分析, 通过对系统进行慢不变流形和相轨迹的研究, 描述系统强调制响应发生的条件基础. 此外, 还利用一维映射对系统进行分析, 揭示外激励幅值对强调制响应存在时频率失谐系数取值区间的影响规律. 最后利用能量谱、时间响应和庞加莱映射对耦合组合非线性阻尼非线性能量阱系统进行了振动抑制的相关研究, 揭示组合非线性阻尼的非线性能量阱不同阻尼比、阻尼和刚度对其振动抑制效果的影响规律, 得出组合非线性阻尼非线性能量阱和主结构响应存在一致性的现象, 并验证所提出的组合非线性阻尼非线性能量阱模型具有较好的振动抑制能力.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-563

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水下爆炸作用下基于声学的爆源子结构输入方法

王丕光, 卢冉冉, 闫秋实, 李述涛, 杜修力

无限域吸收边界和爆炸波输入是水下爆炸载荷数值模拟的两个关键问题. 本文借鉴基于内部子结构的地震波动输入方法和爆源子结构多尺度分析方法, 考虑水下爆炸载荷与地震载荷同属于波动问题, 提出一种水下爆炸作用下爆源子结构的爆炸波输入方法, 该方法首先通过对爆源区域进行水下爆炸波自由场的波场分解, 并利用地震波的内部子结构输入方法, 将该自由波场运动转换为等效爆炸波输入载荷, 从而实现了水下爆炸问题中冲击波的输入; 本文采用圆形爆源子结构区域, 并采用AUTODYN软件中一维自由场模型计算水下爆炸作用下该区域的自由波场压力时程. 进一步, 基于连分式近似方法提出了一种模拟无限域水体辐射效应的高精度时域人工边界条件, 该吸收边界可设置于离结构和爆源子结构较近处. 本文提出的分析方法通过圆形爆源子结构进行水下爆炸载荷的转化, 并采用高精度吸收边界大大减少计算区域, 既保证了计算精度, 又降低了单元数量, 具有较高的计算效率和较强的实用性. 通过数值算例分析, 验证了本文模型与方法的准确性, 模拟了水下爆炸作用下的冲击波和气泡脉动阶段测点的压力时程曲线, 并研究了圆形结构对水下近场爆炸波散射效应的影响规律.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-450

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蜿蜒边界下平面流的线性流动稳定性

冀自青, 白玉川, 徐海珏

为便于数值分析, 蜿蜒河流水动力和演变模型中一般隐性假设二次时均流−二次涡的关系与明渠流时均流-明渠湍流的关系相同, 但由于高雷诺数下的DNS算力限制和实验尺度限制, 这种隐含假设是否成立目前尚无相关湍流研究来支撑. 文章试图通过分析明渠湍流和二次湍流发展初期的研究, 侧面揭示其湍流结构的异同. 通过对曲线正交坐标系下的平面二维NS方程使用双参数摄动的方法, 建立了一种求解蜿蜒边界弱非线性层流的摄动解法, 并推导得出一个适用于蜿蜒边界的EOS方程以及其特征值问题的解法. 蜿蜒边界下弱非线性层流解为一系列蜿蜒谐波分量的叠加, 其中线性部分使得两壁产生流速差, 非线性部分随着雷诺数增大呈指数增长. 水流的扰动增长率特征谱的第一模态与直道流相似, 由3条曲线、4个波段合成, 但其长波段和短波段的扰动流场与直道流不同, 所有短波段的扰动流速近似于KH涡. 蜿蜒边界对内部水流扰动有一定的选择性. 偏角幅值越大扰动增长越快; 蜿蜒波数的影响则为先增后减, 有一个使扰动增长最快的蜿蜒波数. 扰动流场由一个典型的TS波和一对波包形式的二次涡叠加而成, 波包只有纵向流速分量, 包络线由蜿蜒波数控制, 波包内是与直道扰动波参数相同的TS波.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-570

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爆轰驱动惰性气体磁流体发电试验研究

卢子寅, 张晓源, 李进平, 马虎

磁流体发电装置作为一种特殊的高功率脉冲电源, 具有效率高、容量大、启动快的优点, 制约其发展的关键在于如何获得高电导率的发电工质. 爆轰驱动具有远超常规方式的驱动能力, 在提供高温、高电导率气体方面独具优势. 将爆轰驱动激波管技术应用于磁流体发电, 有利于突破磁流体发电技术瓶颈, 故据此开展了基于爆轰驱动激波管技术的惰性气体磁流体发电试验研究. 爆轰驱动根据激波管点火位置不同分为反向和正向两种运行模式, 反向爆轰驱动可提供时间较长、状态稳定的试验气流, 而正向爆轰优势在于产生高焓试验气流. 试验系统由爆轰驱动激波管、拉瓦尔喷管、发电通道、电磁铁和真空罐等组成, 试验中分别以反向爆轰和正向爆轰驱动激波管产生发电工质, 利用激波将惰性气体压缩至高温从而发生电离, 形成的等离子体经喷管加速后, 最终在法拉第直线型发电机内切割磁感线输出电能. 磁场强度0.9 T的条件下, 反向爆轰在负载3.5 Ω时获得了较稳定的1.9 kW输出功率, 持续时间1.5 ms; 外接35 mΩ负载时, 正向爆轰在0.3 ms内短时输出功率高达212 kW, 功率密度为0.2 GW/m³. 试验成功验证了基于爆轰驱动激波管技术的惰性气体磁流体发电方案的可行性, 为高功率脉冲电源的应用与发展提供了新的方法.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-576

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深部煤岩界面超低摩擦时变模型及能量转化研究

李利萍, 余泓浩, 张海涛, 潘一山

深部煤岩超低摩擦型冲击地压实质是巨量煤岩体沿煤岩界面发生失稳滑动的时变过程, 期间煤岩界面摩擦力和摩擦系数随时间变化, 同时伴随煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能释放能量转化特征. 为定量描述煤岩界面能量转化规律, 引入量纲分析法, 实验测定了煤岩弹性系数、阻尼系数和待定系数, 给出了深部煤岩界面摩擦系数表达式. 以沈阳红阳三矿为研究对象, 通过实验研究和工程实际相结合, 定义了冲击动能转化率新指标, 验证了所建模型可靠性, 定量描述了煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能转化规律. 研究结果表明: 深部煤岩界面摩擦系数随冲击载荷幅值增大而线性降低, 随冲击载荷频率增大而线性增加. 深部煤岩界面摩擦力的降幅和降低速率变化急剧, 当冲击载荷幅值为5000 N、冲击载荷频率为500 Hz时, 深部煤岩界面摩擦力降幅为97%、降低速率为38.9 kN/ms ~ 41.38 kN/ms时发生超低摩擦效应. 首次从摩擦力降低幅值和降低速率定量表征超低摩擦效应. 结合实验和工程实际分析发现, 能耗比实验结果均值为0.441, 红阳三矿“11.11”冲击地压计算结果为0.488, 两者较为接近, 进一步证明所建模型合理性.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-467

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不同温度条件下含流体砂岩裂隙摩擦特性的试验研究

沈闹, 李小春, 王磊

砂岩储层中由流体注入导致的地震活动与砂岩断层(裂隙)的摩擦行为有关. 为了揭示不同温度条件下含流体砂岩裂隙的摩擦特性, 在温度范围为25 °C ~ 140 °C和有效法向应力范围为4 ~ 12 MPa的试验条件下, 本文分别对干燥、水饱和以及注CO₂锯切砂岩裂隙进行了速度分级加载试验. 试验结果表明: (1)对于干燥砂岩裂隙, 增大有效法向应力和升高温度均能增大裂隙的初始摩擦系数, 而改变有效法向应力对裂隙摩擦稳定性影响不明显, 仅升高温度会略微降低其摩擦稳定性; (2)对于水饱和砂岩裂隙, 裂隙的初始摩擦系数同样会随着有效法向应力的增大而增大, 但会受到升温的弱化作用, 而增大有效法向应力和升高温度均能降低裂隙的摩擦稳定性; (3)对于注CO₂砂岩裂隙, 裂隙的初始摩擦系数受有效法向应力和温度变化的影响与水饱和砂岩裂隙相反, 但裂隙的摩擦稳定性仅会随着温度的升高而降低, 受有效法向应力的影响不明显. 因此, 砂岩裂隙的摩擦特性受有效法向应力、温度和注入流体类型的共同影响. 该试验结果对理解流体注入诱发地震有一定的指示作用.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-400

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面向双碳目标的建筑能源系统再认识

刘晓华, 张涛, 刘效辰, 江亿

建筑领域是实现双碳目标的关键部门, 在双碳目标指引下建筑能源系统需要做出革新. 为此, 本研究对建筑能源系统的发展任务进行了深入探讨, 提出了面向双碳目标的建筑能源系统发展方向: 传统的建筑能源系统以满足建筑自身冷、热、电等基本能源需求为主; 双碳目标下, 建筑能源系统需要从建筑节能向建筑低碳的新目标转变, 需要在降低建筑本体能源需求、全面电气化、提升建筑能源系统能效水平、实现灵活可调并成为具有柔性调节能力的能源系统可调负载等方面做出变革, 需要从单纯能源系统的消费者转变为集能源生产、消费、调蓄于一体的复合体. 以构建低碳建筑能源系统为目标, 对建筑能源系统的研究趋势进行了展望: 需要进一步认识建筑能源、建筑环境营造的需求从而更好地理解建筑能源系统的基本要求, 需要建筑与交通、电力等领域进一步融合, 需要从单体建筑向区域建筑、城市等多个尺度上以建筑为载体构建城乡新型能源系统. 本研究可为建筑能源系统如何实现自身角色转变、加快实现双碳目标下的能源系统变革提供有益参考.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-462

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中国海域盆地CO₂地质封存选址方案与构造力学分析

李春峰, 赵学婷, 段威, 吴涛, 姚泽伟, 陈国新, 李刚, 彭希

本文围绕“碳达峰、碳中和”国家战略目标, 从断裂活动、盆地压力、构造沉降特征、地震活动性和地温梯度等角度综合分析中国海域盆地适宜大规模CO₂地质封存的条件与目标, 在宏观上认为东海陆架盆地、珠江口盆地、琼东南盆地东部以及南海中央海盆是最佳CO₂地质封存区域, 但这并不排除其他盆地内部存在适宜的CO₂地质封存点, 因为具体某个地质封存工程目标的范围相对较小. 东海陆架盆地、珠江口盆地和琼东南盆地内适用于CO₂地质封存的地层包括盆地晚期快速沉降期沉积层的底部咸水层和热沉降沉积层内的含油气单元, 在适宜的海底之下800~4000 m深度范围内, 孔隙度大于10%, 静水压力约在8~40 MPa之间、静岩压力约在13~83 MPa之间变化. 在此压力范围和合适的地温梯度范围内, CO₂以超临界状态存在, 其密度随温压变化相对稳定, 有利于CO₂的流动和渗透. 另外, 盆地内的基性岩浆岩建造的规模和数量也为CO₂地质封存和永久矿化提供了很好的条件. 虽然工程难度大和代价高, 但南海中央海盆是非常安全的适宜封存CO₂的区域, 注入到海底大洋玄武岩的CO₂因为玄武岩矿化需要较长时间, 可能存在CO₂泄露, 但是除了玄武岩矿化以外, 可能泄露的CO₂在后面的逃逸中还可以被多次封存, 包括: 火山碎屑岩矿化、海底沉积物封存、海底沉积物CO₂水合物封存、碳酸钙中和反应、海底碳湖和海洋溶解CO₂等. 南海中央海盆目前6个钻遇基底大洋玄武岩的国际大洋发现计划(IODP)钻孔可以为先导性南海海盆CO₂封存实验提供很好的科学与工程基础.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-384

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隧洞式内衬储气库极限储存压力解析解

王者超, 贾文杰, 冯夏庭, 王敬奎

隧洞式内衬储气库是一种新型能源储存方法, 有助于平衡供需, 推动国家由化石能源向绿色能源的持续过渡, 有利于国家“碳中和、碳达峰”目标的实现. 本文采用极限平衡方法和弹塑性分析方法推导隧洞式内衬储气库极限储存压力的解析解. 在极限平衡方法中, 考虑上覆围岩自重、破裂面受力和极限储存压力, 选用刚性锥模型, 推导了上限压力表达式; 在弹塑性分析方法中, 根据围岩中应力分布规律和剪切、抗拉强度, 推导获得了弹塑性条件下上限与下限压力表达式. 最终综合考虑两方法求得的结果, 确定极限储存压力解析解. 结果表明: 极限平衡方法求得上限压力与埋深呈二次函数关系, 且随着侧压力系数的增大而增大; 弹塑性分析方法确定的上限压力和下限压力与埋深呈线性关系, 下限压力随着侧压力系数的增大而减小, 且Ⅰ级围岩条件下的内衬储气库不用考虑下限压力. 在侧压力系数λ = 1.2时上限压力最大, 因此应尽量在侧压力系数为1.2的围岩条件下修建隧洞式储气库. 最后根据典型工况下上限和下限压力曲线给出内衬洞室推荐压力范围.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-474

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CO₂微气泡溶解动力学及提高采收率机理研究

贾昊卫, 于海洋, 谢非矾, 袁舟, 徐克, 汪洋

CO₂微气泡是一种具有潜力的提高采收率与碳埋存方法, 本文在自主设计的CO₂微气泡发泡装置的基础上, 表征了高温高压条件下微气泡形态, 进一步研究了微气泡的溶解特征, 研究结果表明: 10 MPa下制备出的微气泡直径10 ~ 70 μm, 平均直径34.43 μm; 15 MPa下制备的微气泡直径更小, 平均直径25.03 μm; 地层水高矿化度条件下, 平均气泡直径277.17 μm, 且气泡稳定性降低. 微气泡的溶解实验结果表明CO₂微气泡的溶解速率较高, 但是未溶解的CO₂仍以气泡的形式在地层中运移, 微气泡注入地层后将形成“碳化水 + 微气泡”的运移模式. 采用可视化微流控平台, 首次研究了高温高压条件下无化学剂辅助CO₂微气泡的提高采收率机理: ①提高微观洗油效率; ②通过体积膨胀、溶解携带作用将油滴带出盲端, 采出盲端中的剩余油; ③打破油滴的毛管压力平衡状态, 采出柱状残余油; ④在流动中产生“贾敏效应”, 封堵大孔隙、提高波及效率. 本文研究可为CO₂微气泡提高油藏采收率与碳封存提供指导.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-507

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神经动力学研究进展和若干思考

韩芳, 王青云

神经动力学是动力学与控制学科的基础性分支, 属于力学与脑科学、智能科学的国际前沿交叉学科领域, 主要是通过动力学与控制的基本理论和方法, 建立合理的模型来探究神经系统电生理动力学行为和脑认知功能的机理. 近年来, 国内外学者在神经动力学的基础研究方面取得了显著成果, 包括神经元和神经元网络动力学行为的深入研究、大脑不同功能结构的建模分析以及神经疾病关联脑区的网络动力学建模与控制等. 本文首先对国内外神经动力学研究领域取得的进展做了较全面的概括分析, 特别是给出了建模方面的发展历程. 进而, 基于解析生物神经网络及其动力学的研究成果, 对神经动力学未来的研究方向提出了一些思考展望, 期望神经动力学的研究将助力具备较强可解释性和泛化能力的类脑智能原理和方法的突破及在重大工程中的应用.

, doi: 10.6052/0459-1879-22-404

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固定鸭舵双旋弹全弹道动态稳定性及其影响因素

赵新新, 史金光, 王中原, 张宁

为研究固定鸭舵双旋弹全弹道飞行时的动态稳定性问题, 在小攻角条件下建立复攻角运动的状态空间模型, 并应用霍尔维茨方法导出其特征根实部皆负的一般性条件. 针对起控前/后前体滚转角的运动特点, 利用常规旋转弹的稳定性分析方法, 建立固定鸭舵双旋弹在不同飞行状态下的动态稳定性判据, 其与常规旋转弹的形式相似, 无控飞行时在升力和静力矩项中对应增加了舵面控制力和力矩项; 有控飞行时进一步增加了有关项相对增量的影响. 据此在后体参数确定的条件下推导舵面参数约束条件, 并分析操纵舵控制力系数导数、安装位置和舵偏角对动态稳定性的影响, 揭示了该类炮弹动不稳定形成的原因. 对复攻角运动在不同条件下的仿真分析结果表明, 当舵面引起的有关项相对增量同时位于无控和有控飞行的边界曲线内时, 固定鸭舵双旋弹全弹道飞行动态稳定, 验证了本文推导的动态稳定性判据和舵面参数约束条件合理, 为该类炮弹的研制提供了理论依据与设计参考.

, doi: 10.6052/0459-1879-21-636

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细长旋成体亚声速超大攻角非定常流动特性研究

王方剑, 王宏伟, 李晓辉, 董磊, 黄湛, 陈兰

空空导弹作为现代空战的主要攻击手段, 要求比目标飞机更高的机动性和敏捷性. 新型空空导弹在面对新一代飞机时必须具备全方位攻击能力, 尤其对来自后方目标的威胁, 则需要更高转弯率和更大机动包络线的航向反转机动等先进高效机动方法. 为了保证高效机动的顺利完成, 要求导弹在超大攻角(α = 0° ~ 180°)范围内具有飞行和机动控制能力. 以往对超大攻角流动的观测和研究大多集中在α = 40° ~ 60°范围内, 最大角度不超过90°. 本文采用数值模拟(delayed detached eddy simulation, DDES)与风洞试验(油流显示试验)结合的方法, 研究了细长体亚声速下(Ma = 0.6)攻角α = 0° ~ 180°范围内的瞬时流动特性以及非定常特性. 研究表明, 数值模拟与油流显示试验获得的物面流线吻合较好, 在攻角α = 0° ~ 90°范围内, 细长体背风侧流动主要为圆柱段引起的集中涡主导, 体现为非对称、非定常和涡脱落等流动现象; 在攻角α = 90° ~ 180°范围内, 这时细长体底部朝前, 由此带来较大的回流区, 回流区内存在较多小尺度旋涡相互作用干扰, 随着流动逐渐沿轴向向后发展, 背风侧流动逐渐以非对称涡流动为主导. 非对称旋涡诱导的物面压力脉动频率St范围St = 0.19 ~ 0.33, 底部回流区诱导的物面压力脉动St范围为St = 1.55 ~ 1.64.

, doi: 10.6052/0459-1879-21-415

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受损悬索对称性破缺下非线性耦合振动研究

赵珧冰, 郑攀攀, 陈林聪, 康厚军

对称性是振动理论中5大美学特征之一, 然而对称性破缺又难以避免. 本文以工程中常见的易损结构—悬索为例, 探究当该系统遭遇非对称性损伤时, 对称性破缺对其面内耦合振动特性影响. 首先建立受损悬索面内非线性动力学模型, 并采用Galerkin法得到离散的无穷维微分方程. 利用多尺度法计算该非线性系统发生面内耦合共振响应的调谐方程. 截取前9阶模态, 利用数值计算方法得到无损和受损悬索的各类共振曲线及其稳定性, 通过计算最大李雅普诺夫指数来确定系统的混沌运动. 研究结果表明: 已有研究常采用抛物线模拟悬索静态构形, 然而一旦发生不对称损伤, 采用分段函数更能准确描述悬索受损后的静态构形; 对称性破缺会导致悬索固有频率之间的交点变为转向点, 其正、反对称模态均变为非对称模态; 受损后悬索的非线性相互作用系数会发生显著改变, 其内共振响应会产生明显变化; 当激励直接作用在高阶模态时, 无损系统会呈现出单模态解和内共振解, 而受损系统并没有呈现出明显的单模态解; 受损系统的分岔和混沌特性会发生改变, 系统将通过倍周期分岔产生混沌运动.

, doi: 10.6052/0459-1879-21-542

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K₀超固结结构性黏土的本构模型

万征, 曹伟, 刘媛媛, 张红芬

K₀固结黏土在自然界广泛分布, 其通常同时具有超固结性与天然结构性, 而K₀超固结性又与K₀正常固结性质存在很大差异. 为了有效的描述K₀超固结性质, 在结构性模型基础上, 做了如下三点改进, 使得原模型拓展为同时考虑K₀超固结特性与天然结构性影响的本构模型. (1)引入相对应力比来描述屈服面, 并引入初始各向异性转轴参量ξ来表达初始各向异性对屈服面在p-q空间的位置影响. (2)基于给定的屈服面方程, 推导得到变相应力比参量, 并将变相应力比引入到统一硬化参数中, 利用统一硬化参数可以有效描述初始各向异性固结黏土在剪切加载下的剪缩与剪胀, 应变硬化及软化现象. (3)引入反映结构性胶结强度性质的胶结参量p_e, 并给出p_e随塑性偏应变的衰减演化方程, 利用胶结参量可描述结构性黏土的剪胀特性. 预测与试验结果对比表明, 所提的K₀超固结结构性模型可有效描述K₀超固结黏土的刚度提高效应, 黏土的包辛格效应, 结构性黏土胶结强度的损失现象以及结构性黏土的应变软化现象. 证明了所提模型的适用性以及合理性.

, doi: 10.6052/0459-1879-21-265

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