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2011年  第43卷  第4期

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研究论文
斜爆轰波面上复杂结构的数值研究
滕宏辉 王春 赵伟 姜宗林
利用欧拉方程和单步化学反应模型, 对斜爆轰波进行了数值模拟, 重点研究了斜爆轰波面上多维复杂结构的形成机理. 数值结果显示在斜爆轰波面上, 存在两种小尺度的激波和火焰耦合结构: 第1种结构由一道横波和三角形火焰组成, 是斜爆轰波中特有的结构; 第2种结构由两道横波和凸起的火焰面组成, 类似于正爆轰波面上的胞格结构. 数值结果表明这两种结构具有相同的形成机理, 而且能够相互转化, 它们的形成和发展过程受到来流马赫数和化学反应放热速度等参数的影响.
2011, 43(4): 641-645. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2011-004
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两方程湍流模型混合隐式迭代/解析算法研究
胡海洋 白鹏
采用通量修正二阶TVD格式和混合隐式时间推进/解析算法求解k-ε湍流模型的输运方程以克服其计算刚性. 通过过膨胀状态下轴对称喷管内流场、带圆转方型面二元喷管内外流场两个算例, 验证了其配合改进的多重网格算法对计算效率的提高. 计算结果与试验数据进行了对比.
2011, 43(4): 646-652. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-288
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槽道湍流展向振荡电磁力减阻的机理研究
梅栋杰 范宝春 陈耀慧 叶经方
对槽道湍流的展向振荡电磁力控制进行了实验和数值研究. 实验通过PIV系统和浮动床阻力测试系统记录近壁区的条带变化和壁面阻力变化. 计算时, 利用谱方法直接模拟电磁力控制下的近壁流场. 实验和计算结果定性一致, 皆表明展向振荡电磁力可以减少壁面阻力, 并使条带倾斜. 计算结果还进一步揭示了电磁力减阻的机理. 电磁力诱导产生的流向涡与壁湍流的相互作用, 在近壁处形成负的脉动展向涡, 该涡将导致流向涡的倾斜和振荡, 从而抑制湍流, 减少壁面阻力.
2011, 43(4): 653-659. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-334
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一种结合Roe格式的高精度半拉氏方法
齐进 田保林 王双虎
针对守恒形式的欧拉方程组, 构造了一种结合Roe格式的守恒型有限体积形式的半拉氏方法. 通过发展一种基于Roe特征速度的拉氏质点回溯方法, 由此来计算半点的流量并作为边界通量的近似, 使得这种半拉氏方法在时空离散上达到二阶精度, 并且保证了守恒性. 其中回溯点处物理量采用本质无振荡格式(ENO)方法进行插值重构得到, 不需要增加人工黏性且避免了有限体积多矩半拉氏方法中限制器选择的问题, 又能够达到时空的高阶精度.方法简便, 易于实现, 兼具拉氏方法和欧拉方法的优点. 一维和二维数值算例表明,此方法对激波和接触间断都取得了满意的模拟效果, 可用于可压缩复杂流动问题的计算.
2011, 43(4): 660-666. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-635
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PTT黏弹性流体的光滑粒子动力学方法模拟
杨波 欧阳洁 蒋涛
运用光滑粒子流体动力学(smoothed particlehydrodynamics, SPH)方法对基于PHan-Thien-Tanner(PTT)模型的黏弹性流动进行了数值模拟. 首先, 利用SPH方法模拟了基于PTT模型的平板Poiseuille流, 通过与文献结果的比较, 验证了SPH方法模拟黏弹性流动的准确性和有效性;随后, 基于PTT模型对黏弹性自由表面流-液滴碰撞问题进行了SPH模拟, 研究了PTT模型中拉伸参数对碰撞过程的影响. 为了解决张力不稳定问题, 采用简化的人工应力公式. 数值结果表明, SPH方法可有效而灵活地模拟黏弹自由表面流问题.
2011, 43(4): 667-673. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-223
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二元工质Marangoni对流的实验研究与数值模拟
朱志强 陈淑玲 刘秋生 同少莉
用实验和数值模拟方法研究了正值表面张力温度系数的二元醇类特殊水溶液Marangoni对流流动. 首先通过实验测量确定正戊醇水溶液表面张力在特定的浓度分布和温度区间内具有明显随温度升高而增加的变化区域, 然后利用特定浓度配比的正戊醇水溶液,采用PIV方法实验观测了矩形液池中二元工质液层在水平温差驱动下的Marangoni对流, 发现了不同于常规的反向热毛细对流流动, 测量的表面速度分布与相同工况的数值模拟结果进行了比较, 发现二者变化趋势一致. 实验观测和理论结果的比较进一步验证了表面张力温度系数为正值时二元工质液层的热毛细流动输运特性.
2011, 43(4): 674-679. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-490
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Basset力对液体中易溶性气泡运动的影响
田恒斗 金良安 迟卫 房毅 韩云东 王涌
为从理论上分析Basset力对液体中易溶性气泡运动过程的影响, 综合考虑气泡上浮速度和传质速率间的耦合关系, 构建了适于描述易溶性气泡上浮过程的动态耦合模型. 利用该模型对氨气鼓泡吸收过程的计算分析表明, Basset力对易溶性气泡运动行为影响显著. 为此, 又提出了衡量Basset力对气泡运动全过程影响大小的评价指标(无量纲$\eta $数)及其算法. 基于上述模型和指标对水中气泡上浮过程的分析表明: 气体溶解度系数$H$对Basset力影响气泡运动的强度具有决定性作用, 当气泡内气体的$H<10^{-4}$时, 可以忽略Basset力的影响, 而当$H>10^{-4}$时, Basset力的影响迅速增强, 不应忽略; 且气泡半径越小的, Basset力的影响越显著; 而气泡所处深度与Basset力的影响强度关系不大.
2011, 43(4): 680-687. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-069
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气泡与弹性边界的相互作用研究
王诗平 张阿漫 刘云龙 姚熊亮
从气泡与弹性边界相互作用基本现象入手, 基于势流理论, 建立气泡与弹性边界相互作用的数值模型, 计及浮力与表面张力, 模拟弹性介质附近单个气泡的动态特性, 通过气泡周围压力场的分布来讨论蘑菇状气泡的成因, 数值结果与已有实验结果吻合良好. 讨论两个气泡与弹性边界的相互作用, 并通过与Robinson 和Blake的实验结果对比, 验证数值模型的正确性. 数值模拟发现, 浮力、弹性系数和密度比是影响气泡动态特性的重要特征参数.
2011, 43(4): 688-698. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-415
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基底弹性对蒸发超薄液膜去润湿过程的影响
李振 胡国辉 周继杰 周哲玮
研究了基底的弹性变形对蒸发超薄膜的稳定性和去润湿动力学过程的影响. 基于长波近似, 得到了关于液体薄膜厚度的演化方程. 运用线性稳定性理论和数值模拟两种方法, 研究了基底弹性、范德华力以及液体蒸发等因素对液体薄膜的稳定性和去润湿过程的影响. 研究结果表明增大基底的弹性系数或者减小液体的表面张力, 都能加速液膜的破碎, 并且能够影响气液界面波的波长; 液体蒸发能促进气液界面扰动的增长, 有助于液膜的破裂.
2011, 43(4): 699-706. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-459
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高速侵彻混凝土弹体的形状演化模拟
何丽灵 陈小伟
高速侵彻时, 弹靶间摩擦力所做功全部转变为热并作用于弹体, 假设弹体质量损失来源于弹体表面材料熔化脱落, 可以预测弹体总质量损失. 结合分析得到的弹靶间摩擦功与压力轴向功关系, 通过相应的弹体质量损失分析, 获得侵彻过程中弹体表面各点的回退位移(垂直于弹体轴心线方向), 实现弹体形状演化的模拟. 弹体形状、侵彻深度及质量损失的计算结果均与实验结果基本吻合.
2011, 43(4): 707-715. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-476
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连续体结构拓扑优化的高精度逼近ICM方法
隋允康 宣东海 尚珍
采用指数类函数为快滤函数的高精度逼近ICM(independent continuous and mapping)方法, 建立了以结构重量为目标, 应力和位移共同约束下的连续体结构拓扑优化模型. 利用结构畸变比能的方法全局化应力约束, 单位虚载荷法显式化位移约束, 归一化约束以解决约束限数量级不一致的问题. 针对不同性态的过滤函数, 给出了指数类快滤函数参数的取值方法. 单工况和多工况的算例表明了高精度逼近的ICM方法处理多种约束下连续体结构拓扑优化的可行性与有效性.
2011, 43(4): 716-725. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-503
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基于鲁棒性优化的桁架结构失效-安全设计
杜剑明 郭旭
基于鲁棒优化思想, 提出了桁架结构失效-安全优化设计问题的双层规划算法. 其中上层规划用来寻找杆件的最优尺寸, 而下层规划的目标是确定结构最不利的失效模式. 为了获得下层优化的全局最优解, 以保证所得到的最优结构真正安全可靠, 特别地还发展了相关问题求解的混合0-1规划算法. 与以往研究工作相比, 该方法不需要预先假定破坏模式, 因此更容易获得理论上最优的结果. 数值算例表明了所提出方法的有效性.
2011, 43(4): 725-730. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-460
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平面扇形域问题的新正交关系和变分原理
侯国林 阿拉坦仓
通过构造新的对偶向量, 用空间的环向坐标数学上比拟Hamilton体系的时间变量,在平面弹性扇形域问题中导出了一个斜对角Hamilton算子. 该算子具有主对角元为零,斜对角元是非零对称算子的结构特性. 得到两个独立的、对称的子正交关系.恰当选择对偶向量后, 直角坐标系下各向同性平面弹性问题的新正交关系被推广到极坐标情形. 根据控制微分方程的弱(积分)形式及相应的边界条件,建立了对应边值问题的变分原理, 并提出了相应的泛函表达式.
2011, 43(4): 731-736. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-597
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海洋平台的时域低阶建模与主动控制研究
刘松 蔡国平 董兴建
以海洋平台为对象, 开展时域低阶建模与主动控制的研究. 首先采用OKID(observer/Kalman filter identification)辨识方法, 根据系统的输入和输出时间历程数据计算出系统的Markov参数, 然后采用特征系统实现方法(eigensystemrealization algorithm, ERA)建立起一个阶数较低的系统状态空间模型, 随后基于该低阶模型采用LQG (linear quadratic Gaussian)控制方法进行控制律的设计, 最后将该控制律引入到系统的有限元模型中进行反馈闭环控制, 验证控制律的有效性. 数值仿真结果显示, 所给方法是有效和可行的.
2011, 43(4): 737-745. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-373
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外激励作用下亚音速二维壁板分岔及响应研究
李鹏 杨翊仁 鲁丽
研究了亚音速流中二维壁板在外激励作用下的分岔和响应问题. 采用Galerkin方法将非线性运动控制方程离散为常微分方程组. 采用Runge-Kutta数值方法进行了数值计算,研究了壁板系统非单周期区在参数空间的分布情况. 结果表明: 在参数空间中, 非单周期区和单周期区会交替出现; 在不同的单周期区内, 系统运动轨线也在有规律的变化; 系统由单周期运动进入混沌运动是经过一系列周期倍化分岔产生的.
2011, 43(4): 746-754. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-194
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凸肩叶片的非线性振动特性与运动分岔
王延庆 郭星辉 梁宏琨 李健 金乘武
以凸肩叶片作为研究模型, 建立了考虑凸肩摩擦力, 几何大变形与阻尼的非线性振动方程.采用Galerkin法对振动方程离散化, 应用平均法对离散后模态方程组的非线性响应进行解析分析, 得到了非线性幅频特性曲线, 与数值解比较验证了解析解, 并讨论了系统周期解的稳定性. 用非线性振动理论详细研究了平均方程组的运动分岔现象, 揭示了平均方程组周期解的变化过程及其具有的非线性动力学性质. 解析结果表明, 凸肩之间的摩擦对系统第二阶非线性振动特性影响很大. 由于凸肩之间摩擦力方向的不断改变, 系统第二阶非线性幅频特性曲线不连续, 出现两个共振频域. 随着时间的推移, 系统振动的幅值会以$T/ 4$为周期在两个频域的幅频曲线上来回跳动, 这会使叶片的振动响应大幅降低.
2011, 43(4): 755-764. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-487
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圆弧足被动行走器非光滑动力学仿真研究
段文杰 王琪 王天舒
传统的被动行走器动力学研究方法是将被动行走器模型视为双足轮流铰接于地面(或纯滚动)的倒立摆模型, 并应用角动量守恒假设计算支撑腿转换时足地碰撞后的系统运动状态. 但该方法不能分析足地之间的滑动现象、足地之间的非完全塑性碰撞现象和两足同时着地的情况. 采用基于线性互补的非光滑动力学方法, 给出了一种基于中点格式积分一步的时间步进算法, 可以有效地分析足地间的摩擦和碰撞现象. 应用该方法对被动行走器进行数值仿真, 发现了两种新的周期性步态, 一种是带摩擦滑动现象的步态, 另一种是支撑足转换时发生多次碰撞现象的步态. 数值仿真结果还表明, 较大的摩擦系数和较小的法向恢复系数更有利于被动行走器实现稳定周期步态行走.
2011, 43(4): 765-774. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-277
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研究简报
微可压缩模型预处理技术研究
丛成华 邓小刚 毛枚良
微可压缩模型(slightly compressible model,SCM)是求解低马赫数流动的一种有效模型, SCM在求解过程中不必满足速度散度为零的条件,可直接应用时间推进方法求解得到不可压缩N-S方程的解. 深入研究了该模型的效率和精度; 为了提高收敛速度将预处理技术引入到该模型中, 推导了预处理后的控制方程和特征系统, 并构造了预处理后的通量. 通过对圆柱绕流、方腔流动、NACA0012翼型和6:1椭球的数值模拟, 一方面, 进一步展示了SCM的可行性与健壮性, 表明SCM适合于低马赫流动的数值模拟; 另一方面, 充分验证了预处理技术在微可压缩模型中的作用, 一定程度上解决了低马赫数流动的收敛问题, 并提高了求解的准确性和精度. 这为SCM应用于工程实际创造了一定的条件.
2011, 43(4): 775-779. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-530
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Kriging-HDMR非线性近似模型方法
汤龙 王琥 李光耀
提出基于克里金(Kriging)插值的高维模型表示(highdimensional model representation, HDMR)方法, 即Kriging-HDMR方法.Kriging-HDMR方法的最大优势在于: 能够明确输入参数的耦合特性, 将构造模型复杂度由指数级增长降阶为多项式级增长, 进而用有限样本确定待求问题的物理实质. 为了验证算法的建模性能, 采用高维非线性函数成功地验证了该算法的可行性, 并将该算法初步应用于简单的非线性工程问题, 同传统算法相比, 其精度和效率都得到了明显提升.
2011, 43(4): 780-784. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-494
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各向异性位势平面问题的规则化边界元法
张耀明 刘召颜 李功胜 屈文镇
基于转化域方程为边界积分方程的极限定理及一个新颖的基本解分解技术, 建立间接变量规则化边界积分方程, 它有效地避免了奇异积分的直接计算. 与已有方法比,该方法不将问题变换为各向同性的问题去处理, 因而无需反演运算, 也有别于Galerkin方法, 无需计算重积分. 可计算任意边界位势梯度, 而不仅限于法向通量. 针对椭圆边界的边值问题, 提交一种精确单元来描述边界几何. 数值算例表明, 所提算法稳定且效率高, 所得数值结果与精确解吻合较好.
2011, 43(4): 785-789. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-639
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中心刚体-变截面梁系统的动力学特性研究
陈思佳 章定国
对在平面内做大范围转动的中心刚体-变截面梁系统的动力学进行了研究.考虑柔性梁横向弯曲变形和纵向伸长变形, 且在纵向位移中计及由于横向变形而引起的纵向缩短项, 即非线性耦合变形项. 采用假设模态法描述变形, 运用第二类Lagrange方程推导得到系统刚柔耦合动力学方程. 在此基础上对做大范围旋转运动的中心刚体-楔形梁以及中心刚体-梯形梁模型的动力学进行了详细研究. 研究表明: 梁宽比、梁高比以及梯形梁变截面位置都对系统的动力学特性有很大影响.
2011, 43(4): 790-794. doi: 10.6052/0459-1879-2011-4-lxxb2010-650
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