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2005年  第37卷  第2期

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论文
剪切水-气界面下湍流猝发特征的实验研究
王双峰, 贾复, 王晋军
利用氢气泡时间线-脉线组合示踪技术定量地考察剪切水-气界面下的湍流猝发现象,分析猝发事件的信号特征,重点探讨猝发与湍能产生之间的联系. 在猝发过程中,水面近区的瞬时流速和Reynolds切应力出现较大幅度的脉动,它们在时间和空间垂直方向上表现出高度的相干性,这是猝发事件的一个显著特征. 在猝发期,猝发事件涉及的空间区域内Reynolds切应力和湍流脉动强度明显比平均值和非猝发期的情况大. 其结果表明:在所考察的实验条件下,猝发是剪切水-气界面附近湍流产生的主要过程.
2005, 37(2): 129-134. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2003-038
狭缝射流撞击圆柱表面的湍流特性实验研究
刘明侯, TL Chan
实验研究了狭缝射流撞击圆柱表面后壁面射流区的平均流动和湍流特性. 考察了雷诺数 Re (6000-20000), 喷口到受撞表面距离 Y/W (5-13), 喷口宽度 W (6.25mm, 9.38mm), 受撞表面曲率(半圆柱体直径 D = 150mm)对流动和湍流结构的影响. 通过分析 X 热线在壁面射流区的测量结果发现,在近壁区域,表面曲率、 Re_{w} , Y/W 和 S/W 等参数对 \sqrt {\overline{u^2}} / U_m 的影响比对 \sqrt {\overline{v^2}} / U_m 强,并且切应力 \overline {uv} /U_m^2 对表面曲率变化最敏感. 当喷口与受撞击表面之间的距离 Y/W 在一定范围内增加时, 沿圆柱表面流动的流向和横向的湍流强度增强.用平板射流和圆柱体表面壁面射流的数据进行比较,从而得到表面曲率对壁面射流特性的影响. 结果表明,曲率对壁面射流的影响较强,并随着 S/W 的增大而增强. 随着雷诺数的增大,壁面曲率的影响也有强化的趋势.
2005, 37(2): 135-140. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2003-465
波浪与外壁开孔双筒柱群的相互作用
李玉成, 孙 路, 滕 斌
应用速度势的特征函数展开和透空壁内两壁间压力差和流体速度成正比的线性模型,建立了波浪与外壁开孔同轴双筒桩柱群相互作用的线性解析解. 应用这一模型进行了数值计算,用以检验孔隙系数对双筒柱上的波浪力和波面高度的影响. 结果表明,外壁孔隙系数的增加对减小波浪力和柱外波面高度有很大影响.
2005, 37(2): 141-147. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-023
大气边界层内羽流扩散研究
程雪玲, 胡非
主要研究了高架点源的污染,即``羽流扩散''. 由于大气边界层内的湍流运动,引起污染物扩散的主要因素是湍流扩散,研究湍流扩散有两种基本方法:统计理论和梯度理论. 采用拉格朗日粒子扩散模型(Lagrangian particle dispersion model,LPDM)来评价羽流扩散的平均浓度,分别计算了表征扩散程度的3个参数:沿烟轴方向的着地浓度、水平方向的羽流扩散宽度和垂直方向的羽流扩散宽度. 从计算结果和风洞实验的数据对比来看,用该模式可以较好地模拟大气边界层内复杂气候条件下的羽流扩散.
2005, 37(2): 148-156. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-187
跨音速翼型反设计的一种大范围收敛方法
崔凯, 杨国伟, 马小亮, 陈大伟
求解跨音速翼型的反设计问题时,传统的梯度型方法一般均为局部收敛.为增大求解的收敛范围,依据同伦方法的思想,通过构造不动点同伦,将原问题的求解转化为其同伦函数的求解,并依据拟Sigmoid函数调整同伦参数以提高计算效率,进而构造出一种具有较高计算效率的大范围收敛反设计方法. 数值算例以RAE2822翼型的表面压力分布为拟合目标,分别采用B样条方法, PARSEC方法及正交形函数方法等3种不同的参数化方法,并分别以NACA0012, OAF139及VR15翼型为初始翼型进行迭代计算. 计算结果证明,该方法适用于多种参数化方法,且具有较好的计算效率,从多个不同的初始翼型出发,经较少次数迭代后,均能与目标翼型很好地拟合,是一种高效的大范围收敛方法.
2005, 37(2): 157-163. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-300
用格子Boltzmann方法模拟流场中
祖迎庆, 施卫平
采用格子Boltzmann方法模拟可变形膜与周围流体的相互作用. 分析了格子Boltzmann方法中的边界处理方法和边界受力的计算方法,并且用此方法计算流场中可变形膜的受力.可将离散化后的膜看作一系列的质点,从而得到膜的动力学方程. 将可变形膜在流场中受到的力引入方程中,可以计算膜的变形. 求解了几种不同情况下,膜的形状随时间的变化.发现,如果可变形膜非常软或者非常硬,经过足够长的时间后,膜的形状会接近一条直线,即回到初始状态. 模拟过程是二阶精度的.
2005, 37(2): 164-168. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-205
点群10mm十次对称二维准晶中的两类接触问题
王旭, 张俊乾, 郭兴明
采用复变函数法探讨了在一个刚性压头作用下十次对称二维准晶材料的两类接触问题,即具有有限摩擦的接触问题以及粘结接触问题. 特别地对于平底压头,获得了表征声子场和相位子场的全纯函数的显式表达式,以及在压头上的接触应力分布. 结果显示,对于具有有限摩擦的接触问题,接触应力在接触区边缘具有实指数奇异性$-1/2\pm \beta$, 其中$\beta$由准晶体的材料常数及静摩擦系数确定;而对于粘结接触问题,接触应力在接触区边缘具有振荡型奇异性$-1/2\pm {\rm i}\v$, 其中$\varepsilon $由准晶体的材料常数确定.
2005, 37(2): 169-174. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-184
具有孔洞的双周期热弹性平面问题的复势
彭南陵, 王敏中
首先论述了针对调和变温场的热弹性平面问题的复变函数方法,给出了受调和变温时有限多连通域中复势的一般表达式. 然后基于已知实部的双周期解析函数及其原函数的表示和多值性分析,导出了双周期调和变温下具有双周期分布孔洞物体平面弹性问题的两个复势函数的一般公式,由此论证了两种特殊情形下物体的温度应力为零.
2005, 37(2): 175-182. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2003-502
非线性压电效应下压电弯曲执行器的动力分析
姚林泉, 丁睿
研究压电弯曲执行器在强电场作用下的非线性动力行为. 考虑电致伸缩和电致弹性的非线性压电效应,导出了压电悬臂执行器变刚度的弯曲振动控制方程. 利用非定常振动的渐近理论,讨论了弯曲压电执行器的动力特征. 根据目前的非线性模型可以计算压电悬臂执行器的固有共振频率与电场的变化关系. 结果表明压电执行器端头挠度谐振幅度随作用电场振幅的增大而增大,以及力学品质因数随电场振幅的增大而减少,并且与实验结果非常吻合.通过数值比较得到在电场频率随时间变化非常缓慢的情况下非定常振动问题可以近似地用定常振动来处理.
2005, 37(2): 183-189. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-010
结构拓扑优化ICM方法的改善
隋允康, 彭细荣
对结构拓扑优化的ICM(独立、连续、映射)方法进行了深入探讨,通过选取不同的过滤函数可以不进行每步删除而得到清晰的拓扑图形. 以位移约束为例阐述了ICM方法建模及求解过程. 对位移约束、频率约束、位移及频率约束、简谐载荷激励下动位移幅值约束等拓扑优化进行了研究,计算算例表明ICM方法在处理静力问题及动力问题的拓扑优化都是可行的. 程序算法都在MSC.Nastran及MSC.Patran的二次开发环境下实现,与原软件有机结合在一起.
2005, 37(2): 190-198. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-286
俯仰激励下三维液体大幅晃动问题研究
岳宝增
主要研究俯仰激励下三维液体大幅晃动问题,将任意Lagrange-Euler法(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)运动学描述引入到Navier-Stokes方程中,推导了俯仰激励下液体大幅晃动数值模拟计算公式,并利用Galerkin加权余量法推导了有限元数值离散方程和分步有限元计算格式,采用ALE分步有限元方法对圆筒形贮腔中的液体大幅晃动进行了数值模拟计算. 得到了波高、晃动力及晃动力矩等晃动特性的时间变化历程,并对结果进行了分析,揭示了俯仰激励下三维液体大幅晃动问题的非线性现象.
2005, 37(2): 199-203. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-250
非饱和正冻土的三场耦合理论框架
陈飞熊, 李宁, 徐彬
在``饱和正冻土的理论构架''的基础上,假定了冻土体内的空气的流动是一种Darcy流,进一步考虑了非饱和土中气相的影响,提议了一种综合考虑两种极端情况:(1) 气体与外界完全相通. (2) 气体与外界完全不相通的相关水、热、力相耦合的多孔多相介质理论构架------半连通、半封闭非饱和正冻土理论构架.重点讨论了较简单的气体半连通半封闭的非饱和孔隙冻土体的三场耦合模型. 为检验三场耦合分析模型及所开发的针对冻土工程三场耦合模型的软件系统3G2001的合理性与正确性, 与214国道花石峡 试验路基实测的地温变化和路基路面变形进行了对比验证, 对比结果显示: 路基中分析所得的温度场与实测值变化规律一致, 量化相差大都在10\%$\sim$20\%以内; 分析所得耦合变形随时间的变化也与实测值完全一致, 路中的分析变形与实测相差也在10%-20%以内
2005, 37(2): 204-214. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2003-039
层状横观各向同性饱和土的非轴对称动力响应
黄义, 王小岗
通过方位角的Fourier变换,将圆柱坐标系下横观各向同性饱和土的Biot非轴对称波动方程转化为一组一阶常微分方程组.然后基于径向Hankel变换,建立问题的状态方程;求解状态方程后,得到传递矩阵.进而利用传递矩阵,结合饱和层状地基的边界条件、排水条件及层间接触和连续条件,求解了任意震源力作用下层状横观各向同性饱和地基频域动力响应问题.时域解可通过频率的Fourier积分得到.
2005, 37(2): 215-224. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2003-533
一种确定均匀动脉壁面切应力的非线性方法
覃开蓉, 姜宗来
从Ling和Atabek提出的``局部流''理论出发,提出一种利用测量血液黏度、管轴上的血流速度、压力和管径波形计算均匀动脉管壁切应力的非线性方法. 将这种方法与柳兆荣等提出的利用测量血液黏度、管轴上的血流速度和平均管径计算切应力的线性方法比较,结果表明,当管壁脉动幅度较小时,两种方法计算的压力梯度、流速剖面和管壁切应力差别较小;而当管壁脉动幅度增大时,两种方法计算的压力梯度、流速剖面和管壁切应力差别增大.对于小幅脉动均匀动脉,用线性方法计算管壁切应力有较高的精度;而对于大变形均匀动脉,则需要考虑非线性因素对管壁切应力的影响. 由于作为输入量的血液黏度、轴心血流速度、压力波形和管径波形可在活体上通过无损伤或微损伤的检测方法得到,所提出的计算切应力的方法为在体或离体研究切应力与动脉重建的关系提供了方法学基础.
2005, 37(2): 225-231. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2003-368
双液滴热毛细迁移的实验研究
黄聪, 胡良, 康琦
在地面实验中,研究在竖直向上温度梯度流场中,双液滴的热毛细迁移运动和它们间的相互作用. 豆油和硅油分别作为实验系统的母液和液滴. 液滴迁移轨迹被记录和分析. 实验结果表明,大小液滴的实验迁移速度均小于理论迁移速度;两个液滴之间的相互作用对小液滴的影响更为明显,使之出现倾斜``8''字的迁移轨迹;两个液滴的运动速度都出现了振荡现象,小液滴可能出现短时反向迁移. 实验结果与数值模拟结果较为相似,但尚有差异,需要进一步进行研究.
2005, 37(2): 232-237. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-186
基于格子 Bhatnagar-Gross-Krook模型的地震压力波模拟
闫广武, 董银峰
给出一种新的用于模拟地震压力波的格子Boltzmann模型. 通过使用Chapman-Enskog展开和多重尺度技术,得到了一系列的格子Boltzmann方程和时间尺度$t_0$上守恒律,给出了满足地震压力波方程所要求的高阶矩以及简单的平衡态分布函数表达式. 数值结果表明这种方法可以用来模拟地震压力波.
2005, 37(2): 238-243. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-194
壁厚对金属圆管撕裂卷曲耗能影响的研究
王蕊, 秦庆华, 程国强, 张善元
对置于锥型刚性底座上内径$D$为54.4\,mm的7种不同壁厚A3无缝圆钢管,在轴压作用下撕裂卷曲破坏进行了较为系统的实验研究. 实验过程中记录了载荷-位移曲线,并得到试件螺旋状残余变形模态. 对实验结果的分析中认为耗散能主要由撕裂能、塑性弯曲变形能和摩擦能3部分构成. 分析结果表明,圆管壁厚对撕裂能和塑性弯曲变形能在总能耗中所占比例的影响较明显,对摩擦能所占比例的影响甚微.
2005, 37(2): 244-248. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2003-470
薄膜涂层材料中的广义瑞利波
常军, 许金泉
基于弹性动力学的线性理论,建立了涂层材料中广义瑞利波传播的理论分析模型,并且由波动方程和边界条件推导了波的频散方程.分析了慢层和快层对相速度频散的影响,给出了不同层厚-波长比和不同涂层-基体密度比情况下广义瑞利波相速度的理论解.算例分析分别比较了慢层和快层结构中波的相速度、群速度,以及随深度衰减的位移与应力振幅.另外,相速度曲线和位移振幅曲线与文献中给出的结果吻合,验证了理论模型和分析过程的正确性.
2005, 37(2): 249-256. doi: 10.6052/0459-1879-2005-2-2004-345