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2009年  第41卷  第6期

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研究论文
稀疏两相湍流的惯性颗粒倾向性弥散
王兵 张会强 王希麟
气相采用大涡模拟、颗粒相采用拉格朗日轨道模型的方法对后台阶突扩流、充分发展槽道流和圆湍射流3种典型的稀疏气固两相流动进行了数值模拟,研究了颗粒倾向性弥散的特征和规律. 研究表明颗粒的跟随性和倾向性相联系,颗粒惯性和大涡结构同时决定颗粒的倾向性分布特征. Stokes数量级为1(气相时间参考尺度取为宏观特征时间尺度)左右的颗粒,倾向性分布特征最强烈. 颗粒倾向分布于低涡量(或是低脉动速度)的湍流区域.
2009, 41(6): 821-827. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-409
过渡区气体微尺度流动的格子Boltzmann模拟
田智威 郑楚光 王小明
采用格子Boltzmann方法(LBM)对过渡区内的微尺度气体流动进行了模拟研究. 在已有滑移区微流动LBM模型中引入Knudsen层速度修正,选取合适的修正函数表达式并依据动理论确定了可调参数的合理取值. 在边界条件的处理格式上,采用了适合过渡区模拟的高阶滑移边界的替代格式来捕捉过渡区微流动的滑移速度,避免了直接求解高阶速度导数项的数值困难. 通过对两类不同的微流动进行模拟的结果表明:与数值解吻合得较好,尤其是对Kn>0.5微流动滑移速度的预测,与已有LBM的模拟结果相比有明显的提高.
2009, 41(6): 828-834. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-472
多管脉冲爆轰发动机外三维流场的数值计算
王杰 翁春生
为研究多管脉冲爆轰发动机黏性外流场变化特点,推导了三维黏性CE/SE方法,并对7管脉冲爆轰发动机的内、外流场进行了数值计算. 7个爆轰管的排列方式是1个居中、另外6个绕其形成环状排列. 管内流场采用一维模型进行处理; 管外流场采用三维模型进行计算, 得到多管脉冲爆轰发动机黏性外流场的变化规律. 计算结果表明,此多管脉冲爆轰发动机黏性外流场中存在旋涡及多道相互作用的激波与膨胀波, 该结果对多管脉冲爆轰发动机外流场特性研究具有一定的参考价值.
2009, 41(6): 835-841. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-032
燃烧室中悬跨圆柱的火焰绕流
应展烽 范宝春 陈志华 叶经方
利用高速阴影照相系统,对方形管道内火焰流经悬吊圆柱时所产生的变化及其诱导的流场进行了实验研究,并利用高精度PPM格式对上述现象进行了数值模拟,其中,湍流采用大涡模拟(LES)方法,燃烧采用旋涡破碎(EBU)模型,圆柱边界采用沉浸边界法(IBM).实验结果与计算结果比较吻合,在一定程度上揭示了火焰阵面变形和加速的规律. 根据研究结果,对火焰与悬吊圆柱相互作用过程中火焰的三维形状、流场中涡量和湍流强度的分布、火焰与流场的相互影响以及火焰传播轨迹等进行了讨论.
2009, 41(6): 842-849. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-433
一种新型浮升一体化排式飞翼的设计与研究
李峰 叶正寅
设计既有较大的内部容积、又有高气动效率的新型浮升一体化气动布局对此类低速飞行器的发展具有重要的科学研究价值和工程应用前景. 以NACA0030翼型为基础,构造了具有较高体积率(体积/表面积)的排式飞翼气动布局. 对不同排列形式的排式飞翼进行了详细的计算和评估分析,并提出了具有更好操纵性和稳定性的排式后掠飞翼气动布局. 数值模拟结果表明: 通过排式飞翼中后翼对前翼下方气流的阻滞作用,排式直飞翼和排式后掠飞翼的升阻比分别增大40%和 20%, 整个飞行器的气动效率显著提高; 同时, 浮升一体化排式飞翼的弦向尺寸较小,可有效降低材料的表面张力,这为高空飞行器表面柔性材料提供了较宽的选择范围.
2009, 41(6): 850-858. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2009-033
随机缺陷对蜂窝结构动态行为影响的有限元分析
寇东鹏 虞吉林 郑志军
通过对胞壁随机移除的蜂窝结构动态变形过程的有限元模拟,分析了随机缺陷对蜂窝结构变形模式的影响,得到蜂窝结构在两个加载方向上的变形模式图及不同模式间转换的临界速度. 对含缺陷蜂窝结构平台应力的研究发现,当变形模式为过渡模式或动态模式时结构平台应力与冲击速度的平方成线性关系. 相同密度下,低缺陷蜂窝结构的平台应力在由过渡模式向动态模式转变的临界速度附近高于规则蜂窝结构,较高的随机缺陷则使蜂窝结构的平台应力在由准静态模式向过渡模式转变的临界速度附近显著下降.关键词:多孔材料,蜂窝,缺陷,平台应力,有限元分析
2009, 41(6): 859-868. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-232
解三维摩擦接触问题的一个二阶锥线性互补法
李建宇 潘少华 张洪武
针对三维摩擦接触问题的求解,给出了一种基于参变量变分原理的二阶锥线性互补法. 首先,基于三维Coulomb摩擦锥在数学表述上属于二阶锥的事实,利用二阶锥规划对偶理论,建立了三维Coulomb摩擦接触条件的参变量二阶锥线性互补模型,它是二维Coulomb摩擦接触条件参变量线性互补模型在三维情形下的自然推广;随后,利用参变量变分原理与有限元方法,建立了求解三维摩擦接触问题的二阶锥线性互补法. 较之于将三维Coulomb摩擦锥进行显式线性化的线性互补法,该方法无需对三维Coulomb摩擦锥进行线性化,因而在保证精度的前提下所解问题的规模要小很多. 最后通过算例展示了该方法的特点.
2009, 41(6): 869-877. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-475
热弹性结构的拓扑优化设计
孙士平 张卫红
针对热弹性连续体拓扑优化存在的中间密度问题,以骨架式结构为研究出发点,分析了热、力耦合场作用下的结构拓扑构型设计,对比了SIMP和RAMP两种材料惩罚模型对消除中间密度值的应用效果,阐述了在相同惩罚模型下,拓扑优化解对热、力两类载荷相对大小的依赖性. 在此基础上,提出以不同惩罚模型应对两类载荷的处理方法,通过骨架式结构和连续体结构数值算例,验证了该方法的可行性和有效性.
2009, 41(6): 878-887. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2007-439
基于线性互补模型的梯度塑性连续体无网格方法
张俊波 李锡夔
对梯度塑性连续体提出了一个归结为线性互补问题的数值分析方法. 塑性乘子与位移均为主要未知变量,并采用基于移动最小二乘的无网格方法分别在积分点与节点上插值. 联立弱形式下的平衡方程与积分点上逐点满足的非局部本构方程和屈服准则可以导出一个线性互补问题,并通过Lexico-Lemke算法求解. 构造了一个基于N-R方法的迭代方案,使得不需要形成一致性切线刚度矩阵而仍保持二阶收敛性. 一维和二维的数值算例证明了所提出的方法处理由应变软化引起的应变局部化问题的有效性.
2009, 41(6): 888-897. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-376
势问题的重构核粒子边界无单元法
秦义校 程玉民
将重构核粒子法和势问题的边界积分方程方法结合,提出了势问题的重构核粒子边界无单元法. 推导了势问题的重构核粒子边界无单元法的公式,研究其数值积分方案,建立了重构核粒子边界无单元法的离散化边界积分方程,并推导了重构核粒子边界无单元法的内点位势的积分公式. 重构核粒子法形成的形函数具有重构核函数的光滑性,且能再现多项式在插值点的精确值,所以该方法具有更高的精度. 最后给出了数值算例,验证了所提方法的有效性和正确性. }
2009, 41(6): 898-905. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-009
软骨细胞黏弹性及恢复变形与年龄相关性研究
张全有 陈维毅 卫小春 李春江 刘琳琳
本文旨在表征年龄对软骨细胞在自然生长过程中的黏弹性和恢复变形能力的影响.结果表明:年龄对软骨细胞黏弹性及其恢复变形能力产生显著影响,老年组软骨细胞各项黏弹性参数值均明显高于幼年和中年组软骨细胞(p<0.0001), 而后两组无显著差异(p>0.05); 老年组软骨细胞蠕变达到平衡态所需时间t_E显著小于幼年和中年组(p<0.05), 而幼年和中年组无显著差异(p>0.05). 老年组软骨细胞最大蠕变位移L_M显著大于幼年和中年组(p<0.005), 而幼年和中年组无显著差异(p>0.05).老年组软骨细胞恢复变形时间t_R显著大于幼年和中年组(p<0.005), 而幼年和中年组无显著差异(p>0.05). 恢复变形前8s的分析发现,幼年组软骨细胞恢复变形率K_y显著高于中年和老年组(p<0.005), 而中年组(K_a)和老年组(K_o)软骨细胞的恢复变形率无显著差异(p>0.05); 此外, 实验发现老年组软骨细胞的残余变形L_R比幼年和中年组显著增大(p<0.005), 而后两组无显著差异(p>0.05). 研究工作对于软骨组织工程、软骨细胞与支架材料相互作用以及探讨OA发生过程中的力学生物学机制具有理论意义.
2009, 41(6): 906-912. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-401
心肌细胞大变形黏弹性模型及在实验中的应用
唐陶 王世骐 裘钧 庄茁
在衡量单个细胞力学行为的研究中,越来越多地采用结合实验的数值模拟方法. 在连续介质力学框架下,发展了一种新的心肌细胞本构模型,并与微管吮吸实验结合,探讨了心肌细胞的力学特性. 本构模型是对普遍使用的仅能用于小变形分析的标准线性固体模型的一种扩展,它将超弹性性能引入到黏弹性模型中,用以描述细胞的大变形黏弹性效应. 基于改进的本构模型,对心肌细胞微管吮吸实验过程进行了有限元模拟,并将计算结果与实验结果以及经典理论解进行了对比. 结果显示发展的本构模型适合细胞大变形问题的有限元数值模拟.
2009, 41(6): 913-919. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-344
含分数阻尼特性元件的多体系统动力学研究
田强 张云清 陈立平 覃刚
在绝对节点坐标体系下研究了具有分数导数阻尼特性元件的多体系统动力学建模、求解问题. 采用基于绝对节点坐标的无闭锁效应剪变梁单元离散柔性构件,建立了含常数质量矩阵的系统动力学方程, 并采用数值耗散可控的广义a方法求解. 通过数值算例计算,对比研究了算法参数与阻尼项的分数指数对系统动力学响应的影响规律.该方法可以进一步扩展到众多工程实际问题研究中.
2009, 41(6): 920-928. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-534
周期激励下广义蔡氏电路混沌运动中的概周期行为
张晓芳 陈章耀 季颖 毕勤胜
由于广义蔡氏电路存在2个对称的稳定平衡点,周期激励可能导致系统出现相应于不同初值的2种共存的分岔模式. 概周期解由环面破裂进入混沌,混沌吸引子从相位不同步逐渐演化为同步,并进一步随着参数的变化,产生分裂现象. 分裂后的2个相互对称的混沌吸引子仍存在相位同步效应,这2个混沌吸引子再次相互作用后形成扩大了的混沌吸引子,并交替围绕2个子混沌结构来回振荡. 同时,在混沌过程中,其轨迹在相当长的一段时间内严格按照概周期行为振荡,即混沌结构中存在局部概周期行为,这种局部概周期行为随参数的变化会逐步减弱,直至消失.
2009, 41(6): 929-935. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-603
简报
基于VOF方法的圆柱箱体中液体晃动阻尼计算
杨魏 刘树红 吴玉林
对于部分充液箱体中液体小幅晃动问题,自由液面处的黏性耗散是总阻尼的重要组成部分.影响液体晃动阻尼的因素很多,导致阻尼计算的精度有限,为了提高阻尼的计算精度,提出了一种基于流体体积组分方法的阻尼计算方法. 采用该方法求解阻尼时,可以满足所有壁面的黏性无滑移条件,计算出具体的阻力值而不是一个范围.运用该方法的阻尼计算结果与已发表的试验结果更加吻合,特别是在液高比h/R<1时.
2009, 41(6): 936-940. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-218
基于稀薄效应的微气体径向轴承稳态性能
张海军 祝长生 杨琴
针对微气体轴承给出参考努森数的定义,根据空气不同温度时的黏度,得到参考努森数的分布范围;考虑气体稀薄效应,给出基于Burgdorfer一阶滑移速度边界的微气体径向轴承润滑Reynolds方程的修正形式; 采用有限差分法求解修正的Reynolds方程,得到不同参考努森数$Kn_0$, 轴承数以及轴颈偏心率情况下轴承的压力分布、无量纲承载能力及偏位角. 数值分析表明:随气体稀薄程度的增强,气体径向轴承的压力明显降低,无量纲承载力降低,而轴承偏位角增大. 当偏心率小于0.6时,轴承偏位角变化平缓,受$Kn_0$数的影响不明显. 当轴承数较小时,气体稀薄程度对轴承的无量纲承载力、偏位角影响较小.
2009, 41(6): 941-946. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-341
多跨梁离散系统的频谱和模态的定性性质
王其申 吴磊 王大钧
采用差分法建立了两端任意支承多跨梁的差分离散模型,对只具有两端支承的单跨梁是正系统的情形,导出了对应的多跨梁差分离散系统的柔度系数;从单跨梁正系统的刚度矩阵的符号振荡性出发,通过引入辅助系统,讨论了多跨梁的柔度矩阵的振荡性,确定了对应于单跨梁正系统的多跨梁差分离散系统的频谱和模态的一系列定性性质.
2009, 41(6): 947-952. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-129
框架结构屈曲的精确有限元求解
陈太聪 马海涛
基于屈曲微分控制方程的一般解,构造了Euler梁在轴力作用下的精确形函数,建立了用于框架结构屈曲分析的精确有限单元,得到了单元刚度矩阵和几何刚度矩阵的显式表达,并提出了基于常规特征值计算的迭代算法以确定屈曲载荷及相应失稳模态的精确解. 研究表明, 对于线性稳定性分析而言,常规框架有限单元可视为精确有限单元的一种近似. 若采用精确单元,无需进行网格细分就可以获得精确的屈曲载荷和失稳模态. 数值算例证明了新单元和算法的效率和精度.
2009, 41(6): 953-960. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-100
矩阵指数精细积分方法中参数的自适应选择
谭述君 吴志刚 钟万勰
讨论了基于Pad\'{e}逼近的矩阵指数精细积分方法中加权系数N和展开项数q的自适应选择问题. 参数(N,q)的选择直接影响到矩阵指数计算的精度和效率. 采用矩阵函数逼近理论,研究了参数N和q的增加对精度的影响程度,据此,提出了参数(N,q)优化组合的递推自适应选择方法. 该方法可以根据矩阵本身的性态选择合适的参数(N,q),而参数选择的计算量与矩阵指数的计算量相比几乎可以忽略,这对于增强矩阵指数精细积分方法的适应性和提高计算效率是很有益处的. 算例验证了该方法的正确性和有效性.
2009, 41(6): 961-966. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-370
失谐弱耦合卫星天线结构振动分析及预测控制
刘相秋 王聪 邹振祝
为了研究弱耦合卫星天线结构的振动控制,建立了该结构的简化计算模型,并针对该模型研究了弱耦合卫星天线结构动力学性能的特殊性:结构失谐时的振动模态局部化现象;针对失谐前后的结构,采用预测控制方法进行了振动控制,并与二次线性最优控制(LQR)方法的振动抑制效果进行了对比. 仿真结果表明:弱耦合星载天线结构参数的微小失谐会导致结构振动产生明显的模态局部化;采用预测控制方法进行结构振动控制的效果明显优于LQR控制方法,且在失谐导致的模型失配时,预测控制方法对结构振动亦有较好的抑制;在进行此种结构的振动主动控制时必须考虑到结构失谐的影响.
2009, 41(6): 967-973. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2008-683
《力学学报》2009年分类目录
2009, 41(6): 974-980. doi: 10.6052/0459-1879-2009-6-2009-745