力学学报

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杜磊, 宁方飞

借助γ-Re_θ转捩模型，实现了高亚临界雷诺数（Re=1.4×10⁵）下圆柱层流分离流动的尺度自适应模拟.统计平均结果表明数值计算和实验测量较为接近，尤其在圆柱后半段的分离区中，压力系数和实验符合得很好，误差主要源于分离点预测的不准确. 瞬态流动则显示，层流分离的剪切层中出现了展向不稳定，且在向下游的输运过程中不断增强，最后转捩为完全湍流. 在湍流分离模拟中，由于缺乏剪切层失稳的非定常性，SST-SAS 模型的尺度分辨能力变弱，因此在分离区以及下游尾迹中求解出的湍流尺度要明显较层流分离时大.

2014, 46(4): 487-496. doi: 10.6052/0459-1879-13-384

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飞翼布局无人机流动分离控制及机理分析

许晓平, 周洲

以小展弦比飞翼式无人机为对象，开展了基于零质量射流的主动流动控制数值模拟研究. 比较分析了应用零质量射流前后飞翼式无人机纵向气动特性的改善效果，并通过流场特征的分析探讨了流动控制技术产生气动增益的原因. 研究结果表明在模型中等迎角、大迎角范围，零质量射流技术可以显著增加升力系数，最大幅值达25%，并且拓宽了纵向力矩的线性范围. 机理分析表明，零质量射流扰动通过提高模型绕流场的边界层掺混，增强附面层内外的动量输运，使得附面层有足够的能量克服逆压梯度和黏性损耗，从而达到减缓流动分离甚至使分离流再附的目的.

2014, 46(4): 497-504. doi: 10.6052/0459-1879-13-344

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旋转液体在边界阻力作用下的衰减特性分析

万五一, 俞韵祺, 白皓

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理，采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性，采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟，建立了壁面糙率、旋转半径，静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试，验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法，获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程，分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明，边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素，边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快，圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.

2014, 46(4): 505-511. doi: 10.6052/0459-1879-14-009

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论一类四阶Boussinesq方程的变浅性能

刘忠波, 房克照, 孙昭晨

Boussinesq 类水波模型在港口、海岸以及海洋工程领域应用广泛，但以前对这类模型的变浅性能的研究不够充分. 针对Madsen 和Schäffer 提出的一组四阶Boussinesq 方程，从理论和数值两个方面对这一问题进行了探讨. 理论分析了其变浅性能，指出该文献中参数α₂ 和β₂ 的取值是不合理的，并重新确定其取值. 在交错网格下建立了基于混合4 阶Adams-Bashforth-Moulton 格式的预报-校正数值模型. 数值模拟了两个典型算例：一是缓变平坡地形上波浪的传播变形，二是波浪在淹没梯形潜堤上的波浪演化过程. 计算结果分别与解析结果、物理模型实验结果进行了比较，发现变浅系数的取值对数值结果影响很大，新参数比原文参数模拟结果的吻合程度更高，这佐证了理论分析.

2014, 46(4): 512-518. doi: 10.6052/0459-1879-13-414

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电场作用下纳米颗粒与竖直壁面的碰撞效率

张凯, 盛冰莹, 秘晓静, 严微微

着重考虑了电场作用下，壁面排斥力对颗粒-壁面碰撞效率的影响. 采用Matlab 中的龙格库塔方法，对颗粒-壁面碰撞的压缩阶段及回弹阶段的动力学方程组进行求解，并对Maxwell 速度分布进行积分获得不同速度方向下的碰撞效率. 研究表明，颗粒的碰撞效率随着碰撞角度的增加而增大，并最终达到一个临界值，即完全凝并时的碰撞效率；且颗粒的碰撞效率将因壁面排斥力的影响而减小，即壁面排斥力在一定程度上阻碍了颗粒的凝并.

2014, 46(4): 519-524. doi: 10.6052/0459-1879-13-423

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多孔介质中流固作用力的动量交换计算

孟旭辉, 王亮, 郭照立

流经多孔介质的流动广泛存在于化工生产、多孔颗粒悬浮流等领域，如何准确计算流体与多孔介质之间的作用力是研究此类流动的一个关键因素. 作为一种有效的流体计算方法，格子波尔兹曼方法（lattice Boltzmannmethod，LBM）常采用动量交换法计算流体与固体之间相互作用力. 分析了流体流经多孔介质时两者的动量交换过程，提出了一种高效的动量交换法来计算流固作用力，并在孔隙尺度下对其进行了验证，结果表明该方法是可行的. 进而将该方法推广到计算表征体元（表征体元）尺度下的流-固相互作用，并对不同雷诺数（Re）下的多孔方柱绕流问题进行了模拟和验证.

2014, 46(4): 525-532. doi: 10.6052/0459-1879-13-359

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气泡多周期运动时引起的流场压力与速度

李帅, 张阿漫, 韩蕊

假设水下爆炸气泡的内部气体在膨胀收缩过程中满足绝热条件，周围流体无黏无旋不可压缩. 基于势流理论，采用边界元法研究气泡动力学行为，重点关注气泡引起的流场脉动载荷以及滞后流特性，给出了相关的理论推导和数值计算方法. 通过将数值结果与解析解、实验值进行对比，数值模型的收敛性和有效性能够得到保证. 利用编写的程序进行计算和分析，发现在气泡加速膨胀阶段，流场压力在气泡径向不一定是逐渐衰减，还有可能以先增后减的规律变化；气泡射流后，为了能够继续描述环状气泡的运动以及流场特性，将此时的流场分为无旋场和一个布置在气泡内部涡环的叠加，计算过程中采用了一些数值技巧处理气泡的拓扑结构，得以连续模拟多个周期的气泡运动. 环状气泡具有相对较高的上浮迁移速度，而且在其顶部和底部附近分别形成两个高压区，顶部的高压区峰值相对较大，底部的高压区范围相对较大. 环状气泡中心轴上的流场速度会在气泡中心有一个加速过程，在气泡顶部附近又迅速减小.

2014, 46(4): 533-543. doi: 10.6052/0459-1879-13-321

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小扰动界面形态对RM不稳定性影响的数值分析

蒋华, 董刚, 陈霄

采用Navier-Stokes 方程对入射激波及其反射激波连续诱导小振幅扰动界面的Richtmyer-Meshkov 不稳定性增长过程进行了二维数值模拟，分析了单模和随机多模两种不同初始形态的界面上钉结构和泡结构在反射激波作用前后的发展特性. 研究结果发现：单模扰动的初始界面形态对反射激波前、后界面的扰动增长都有影响，反射激波前的界面形态信息可以通过钉和泡结构之间的反转传递到反射激波过后. 扰动界面上钉结构的发展速度控制了界面混合区总体的发展速度，反射激波前界面上发展成具有完整冠部形态的钉，在反射激波后会反转成复杂的泡结构，此泡结构对反射激波后钉的发展不利. 随机多模界面显示了与单模界面类似的发展规律，但随机多模界面上的复杂泡结构分布的不对称性使得其对钉结构增长的拖曳效应相对要弱，这导致了相似扰动波长下多模随机界面的扰动发展相对单模界面扰动发展要快.

2014, 46(4): 544-552. doi: 10.6052/0459-1879-13-347

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分子弹簧的隔振机理与力学性能研究

余慕春, 陈前, 高雪, 张树桢

分子弹簧是一种由水和布满微孔的疏水沸石颗粒组成的隔振缓冲介质. 当振动、冲击发生时，随着外力对分子弹簧加载卸载，水分子进出沸石颗粒的疏水微孔，实现能量的存储、释放和消耗. 通过疏水微孔内液柱受力平衡和界面层热力学平衡分别建立了水侵入单条疏水微孔的模型，分段模拟了水分子侵入大量疏水微孔的过程，推导了分子弹簧受压过程中力-变形的关系，采用准静态试验对理论分析结果进行了验证，并计算了分子弹簧的隔振性能，结果表明：理论与试验结果具较好的一致性，分子弹簧在加载与卸载过程中呈现高-低-高的三段分段刚度，使得分子弹簧隔振系统在工作段具有极低固有频率，特别适合于低频重载情况下的隔振缓冲应用.

2014, 46(4): 553-560. doi: 10.6052/0459-1879-13-362

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海冰与自升式海洋平台相互作用GPU离散元模拟

狄少丞, 季顺迎

在海冰与自升式海洋平台结构的相互作用过程中，冰载荷是影响平台结构振动响应和疲劳寿命的重要因素. 采用具有粘接-破碎效应的离散元模型，可对海冰与自升式海洋平台结构作用中的海冰破碎特征及相应冰载荷进行数值分析. 针对自升式海洋平台的多桩腿结构特性及其冰载荷离散元分析的大规模计算需求，建立了基于GPU 的并行算法并开发了相应的计算程序. 为实现离散元分析的高效计算，采用网格排序方法创建单元邻居列表，以快速确定海冰单元间及其与平台结构间的接触模式和作用力. 此外，还发展了球体单元与圆柱形结构在不同接触形式下的计算模型. 为检验该离散元模型的有效性，对渤海锥体海洋平台结构的作用过程进行了计算，并与现场实测冰力数据进行了对比验证. 在此基础上对多桩腿自升式平台结构的冰载荷进行了离散元分析，获得了海冰的破坏特性，确定了不同桩腿上的冰力时程. 该模型可进一步应用于不同类型海洋结构的冰载荷分析，为冰区海洋平台的结构设计和现役平台结构的疲劳分析提供参考依据.

2014, 46(4): 561-571. doi: 10.6052/0459-1879-13-400

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考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程

张泷, 刘耀儒, 杨强, 薛利军

基于Rice 不可逆内变量热力学框架，在约束构型空间中讨论材料的蠕变损伤问题. 通过给定具体的余能密度函数和内变量演化方程推导出考虑损伤的内变量黏弹-黏塑性本构方程. 通过模型相似材料单轴蠕变加卸载试验对一维情况下的本构方程进行参数辨识和模型验证，本构方程能很好地描述黏弹性变形和各蠕变阶段.不同的蠕变阶段具有不同的能量耗散特点. 受应力扰动后，不考虑损伤的材料系统能自发趋于热力学平衡态或稳定态. 在考虑损伤的整个蠕变过程中，材料系统先趋于平衡态再背离平衡态发展. 能量耗散率可作为材料系统热力学状态偏离平衡态的测度；能量耗散率的时间导数可用于表征系统的演化趋势；两者的域内积分值可作为结构长期稳定性的评价指标.

2014, 46(4): 572-581. doi: 10.6052/0459-1879-13-387

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基于NMM的EFG方法及其裂纹扩展模拟

刘丰, 郑宏, 李春光

数值流形方法（numerucal manifold method，NMM）通过引入数学覆盖和物理覆盖两套系统来统一处理连续和非连续问题. 通过用移动最小二乘插值（moving least squares interpolation，MLS）中的节点影响域构造数学覆盖，得到了基于数值流形方法的无网格伽辽金法（element free Galerkin，EFG）. 该方法在保证前处理简单的同时，又能方便处理如裂纹等不连续问题. 建立了适用于小变形和大变形的裂纹扩展计算格式，并通过对曲折裂纹（kinked crack）的处理，在不加密的情况下实现了任意小步长的裂纹扩展，大大提高了在固定网格中模拟裂纹扩展的实用性. 大小变形的结果对比表明，按照不考虑构型变化的小变形计算，结果可能偏于危险.

2014, 46(4): 582-590. doi: 10.6052/0459-1879-13-430

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一种考虑相关性的概率-区间混合不确定模型及结构可靠性分析

姜潮, 郑静, 韩旭, 张庆飞

提出了一种考虑相关性的概率-区间混合不确定性模型及结构可靠性分析方法，能够处理变量之间具有相关性的混合可靠性分析问题. 分别针对概率变量，概率区间变量及区间变量定义了相关角的概念，用以定量描述变量之间的相关性；通过仿射坐标，将相关变量转换为独立变量；给出了其可靠性分析模型，并构建了一高效求解方法获得其可靠性指标和失效概率区间；最后通过分析两个数值算例，验证了方法的有效性.

2014, 46(4): 591-600. doi: 10.6052/0459-1879-14-025

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输入变量相关情况下重要性测度指标关系

宋静文, 吕震宙

为了根据不同需求找到输入变量相关情况下最优重要性测度分析方法，非常有必要对现有重要性测度方法之间的关系进行探究比较. 分别以不含交叉项和包含交叉项的二次多项式输出模型为例，解析推导了相关正态输入变量情况下基于协方差分解的重要性测度指标，包括总贡献、结构贡献和相关贡献. 进一步以所推导的解析结论为基础，理论推导了传统基于方差的重要性测度指标与基于协方差分解的重要性测度指标之间的关系.并从特殊二次多项式模型的研究结果对一般模型做出推断，然后从高维模型分解的角度验证所推断的结论，并详细阐述了不同重要性测度指标的优缺点. 最后结合具体算例深入地分析了各指标之间的关系，为输入变量相关情况下结构性能对输入特性的重要性分析与工程设计提供指导.

2014, 46(4): 601-610. doi: 10.6052/0459-1879-13-369

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结构静力有限元分层并行计算方法

苗新强, 金先龙, 丁峻宏

根据分布式存储并行计算机的体系结构特点，提出了一种结构静力有限元分层并行计算方法. 该方法在两级分区两次缩聚策略的基础上不仅实现了大量数据的分布式存储，提高了数据的内存访问速率；而且实现了计算过程的三层并行，有效提高了通信效率；此外，它还进一步降低了界面方程的规模，大幅度减少了界面方程的求解时间. 因此，它能够充分利用分布式存储并行计算机的体系结构特点提升大规模并行计算效率. 最后通过典型数值算例验证了该方法的正确性和有效性.

2014, 46(4): 611-618. doi: 10.6052/0459-1879-13-335

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鱼类巡游中的活体肌肉力学性能预测

张薇, 余永亮, 童秉纲

在综合游动力学的框架下采用整体模化分析方法，对比研究了鳗鲡鱼类和鲹科鱼类巡游中红肌（驱动鱼类巡游的骨骼肌）的力学性能异同. 该方法将观测总结的鱼体动态变形规律作为已知条件，首先确定鱼游中体外作用（包括流体动力响应和惯性力），然后间接预测活体的体内作用（包括肌肉主动力和生物组织被动应力）. 研究结果显示，鳗鲡鱼类尾部的肌肉强度明显低于其躯干部分，而鲹科鱼类尾部和躯干部分肌肉强度相当，这与各自的体内作用主导机制相适应. 且体外作用的区别也导致了鲹科鱼类的能效更高. 同时发现，两种模式游动下都存在鱼体躯干内部从头至尾的能量传递，其肌肉输出净功沿鱼体轴向都呈“钟形” 分布. 总体上沿轴向各点的肌肉都输出正的净功.

2014, 46(4): 619-625. doi: 10.6052/0459-1879-14-053

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高超声速全动舵面的热气动弹性研究

杨享文, 武洁, 叶坤, 叶正寅

根据分层求解原理对考虑舵轴及舵轴与机身间隙影响下的高超声速飞行器全动舵面进行了热气动弹性分析. 采用计算流体力学（CFD）方法求解N-S 方程计算舵面周围的热环境，在该温度分布下根据结构壁面温度计算热流，应用傅里叶（Fourier）定律确定结构热传导过程及其内部温度分布，进而分析结构考虑热应力和温度对材料属性的影响下的模态固有特性，结合基于CFD 技术的当地流活塞理论，在状态空间中对舵面进行了热气动弹性分析. 结果表明，气动加热效应改变了结构的固有频率以及弯扭耦合频率之间的间距，进而改变了结构的颤振速度和颤振频率；随着热传导的进行，结构固有频率和颤振频率先快速减小后基本保持不变，弯扭耦合频率之间的间距和颤振速度则先快速减小后略有上升；舵轴及舵轴与机身间隙的存在对舵面的固有频率、颤振频率、颤振速度都产生了影响，使其最大下降了6%.

2014, 46(4): 626-630. doi: 10.6052/0459-1879-13-415

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旋翼翼型动态失速流场特性PIV试验研究及L-B模型修正

王清, 招启军, 赵国庆

为测量翼型动态失速的非定常涡流场特性，采用3D-PIV 技术，对典型直升机旋翼翼型SC1095 的动态失速流场特性进行测量，发现涡在不同位置处的输运速度不同：位于翼型表面的涡的无量纲速度为0.39，位于尾迹区的涡的无量纲速度为0.55. 利用前缘涡输运速度变化这一特征，改进了经典的翼型动态失速利什曼-贝多斯（Leishman-Beddoes，L-B）模型，将该模型中固定的涡时间常数修正为可以随涡位置变化的时变函数，修正后的模型计算得到翼型法向力峰值相对原L-B 模型提升5%，力矩系数负峰值相对原L-B 模型提升13%，与试验值相比更加吻合，表明修正后的翼型动态失速模型更好地体现了翼型前缘涡的物理特征.

2014, 46(4): 631-635. doi: 10.6052/0459-1879-13-389

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减阻杆气动阻尼研究

冉景洪, 刘子强, 胡静, 赵振军, 权晓波

基于模态数据和准定常理论，建立了减阻盘-杆-后体这一弹性结构的气动阻尼分析方法；通过刚性模型的动导数风洞试验获得气动阻尼以验证方法可靠性后，计算分析了减阻杆结构在指定工况的气动阻尼特性. 结果表明：所建方法可用于减阻杆系统的气动阻尼计算；计算工况的气动阻尼值均为正值，对减阻杆系统的振动起抑制作用；存在产生负气动阻尼的影响因素，各项因素对气动阻尼影响的量值有所不同，有待进一步研究.

2014, 46(4): 636-641. doi: 10.6052/0459-1879-13-419

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力学处2013年度重点项目结题审查情况简要介绍

张攀峰, 詹世革, 王立峰, 许向红

对2013 年度国家自然科学基金委员会数理科学部力学科学处结题的12 项重点项目结题审查情况进行了简要介绍. 给出了12 项2013 年度结题重点项目清单以及经专家组讨论形成的结题审查评价意见.

2014, 46(4): 642-646. doi: 10.6052/0459-1879-14-193

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