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2021年 第53卷  第9期

颗粒材料计算力学专题
颗粒材料计算力学专题序
季顺迎
颗粒材料广泛地存在于自然环境、工业生产和日常生活等诸多领域, 其受加载速率、约束条件等因素的影响具有复杂的力学行为. 颗粒材料常与流体介质、工程结构物耦合作用并共同组成复杂的颗粒系统, 并呈现出非连续性、非均质性的复杂力学特性. 目前, 离散元方法已成为解决不同工程领域颗粒材料问题的有力工具, 然而其在真实颗粒形态的构造、接触算法、颗粒与流体及工程结构的耦合模型、多介质和多尺度问题, 以及高性能大规模计算等方面仍面临着诸多亟待解决的问题.《力学学报》组织了“颗粒材料计算力学”专题的7篇综述或研究论文, 分别从研究进展、理论模型及工程应用方面反映了颗粒材料计算力学研究领域上的最新研究进展, 为颗粒材料计算力学交叉领域的研究提供参考.
2021, 53(9): 2355-2356. doi: 10.6052/0459-1879-21-428
多相流动的光滑粒子流体动力学方法研究综述
陈飞国, 葛蔚
光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)具有粒子方法的无网格和全拉格朗日特征, 适用于具有界面大变形、不连续性和多物理场的多相流的高精度模拟. SPH方法模拟多相流已有大量报道, 具体的实现方式也大不相同. 本文首先阐述了采用SPH方法模拟流体的基本控制方程, 以及求解过程中需要考虑的流体压力求解、表面张力、固体边界等问题. 整理和总结了基于SPH方法进行多相流模拟的主要实现方式: (1)双流体模型的拉格朗日求解器: 两相离散为两组独立SPH粒子, 并用显式相间作用耦合两相; (2)多相SPH方法: SPH方法对多相流模拟的自然延伸, 相间作用由SPH参数隐式描述; (3) SPH与其他离散方法的耦合: 差异较大的两相各自采用不同离散方法, 发挥不同拉格朗日方法的优点; (4) SPH和基于网格方法的耦合: 网格方法处理简单的单相流动主体, 获得精度和效率间的平衡. 另外, 还在模拟参数物理化等方面论述了与SPH方法模拟多相流相关的一些改进和修正方法, 并在最后讨论和建议了提高多相流SPH模拟效率和精度的措施.
2021, 53(9): 2357-2373. doi: 10.6052/0459-1879-21-270
椭球颗粒体系剪切过程中自由体积的分布与演化
邹宇雄, 马刚, 李易奥, 王頔, 邱焕峰, 周伟
颗粒材料是一种复杂的多体相互作用体系, 由大量离散的颗粒和其周围的自由体积组成. 虽然颗粒的自由体积与颗粒材料的力学性能和变形特征的相关性已得到证实, 但是由于表征上的困难, 目前对非球形颗粒体系的局部自由体积的认识还不够充分. 本文采用连续离散耦合分析方法进行了不同主轴长度的椭球颗粒试样的三轴剪切数值模拟, 基于Set Voronoi算法对剪切过程中的颗粒试样进行了Voronoi元胞分割, 分析了颗粒试验在剪切过程中自由体积的统计分布特性和演化规律, 研究了颗粒形态对自由体积的影响. 剪切过程中Voronoi元胞的各向异性逐渐增强, 且各项异性增强程度随颗粒非球度的增加而增大, 表明非球颗粒在剪切过程中经历更加强烈的重排列. 具有不同非球度的椭球颗粒体系的局部孔隙比均服从k−Γ分布, 且这个分布仅与颗粒体系的全局孔隙比相关, 不受颗粒形态和剪切状态的影响. 局部孔隙比的波动呈现非对称拉普拉斯分布, 非对称参数刻画了局部自由体积收缩和膨胀的博弈, 其与全局孔隙比呈线性关系.
2021, 53(9): 2374-2383. doi: 10.6052/0459-1879-21-255
一种滞弹簧耗能的新型离散元滚动阻力模型研究
高政国, 董朋昆, 张雅俊, 孙卉竹, 迪亚
颗粒间滚动阻力对颗粒体系的稳定性起着重要作用. 在传统的离散元法中, 滚动阻力模型通常由转动弹簧、转动黏壶和摩擦元件表达, 颗粒滚动动能由黏滞力(矩)和摩擦力做功耗散. 由于黏滞力(矩)与滚动速度相关, 临近静止状态的颗粒滚动速度变小, 动能耗散减弱, 传统的离散元模拟得到颗粒由滚动到静止耗费的时间比试验观测的结果要长. 为解决这一问题, 基于摩擦学理论分析了滚动阻力产生的材料滞弹性机理, 将其引入离散元滚动阻力模型, 提出了一种速度无关型动能耗散的滞弹簧, 给出了滞弹簧的弹性恢复力计算公式, 建立了一种新型的离散元滞弹性滚动阻力模型(HDEM). 为验证新型滚动阻力模型的正确性, 通过一个光学物理试验对单个圆形颗粒试件的自由滚动过程进行了测量, 将测量数据与新型的滞弹型离散元模型和传统离散元模型计算结果进行了对比. 结果显示, 基于滞弹性滚动阻力模型HDEM计算结果与试验数据吻合程度更高, 而且模拟得到的颗粒摆动频率更符合试验现象.
2021, 53(9): 2384-2394. doi: 10.6052/0459-1879-21-236
冲击载荷下颗粒材料临边界区域的波动行为及变形特征分析
王蕉, 楚锡华
研究颗粒材料中的波传播问题在超材料制造方面有重要意义, 如波传导超材料边界的设计需考虑应力波的反射和吸收等问题. 本文从一维颗粒链中的波传播行为出发, 根据距边界不同位置处颗粒能够得到的最大动能的不同, 给出了临边界区域的定义. 然后分析了多组二维颗粒样本在冲击载荷作用下应力波的传播行为, 主要考虑了不同边界形状及不同颗粒排列方式对应力波在临边界区域内传播行为的影响. 研究表明, 临边界区颗粒排列方式主要影响边界附近颗粒的相对位置和局部孔隙率; 经边界反射后的应力波直接以边界形状在临边界区内传播, 该结论在边界情况越复杂(高局部孔隙率, 颗粒无序随机排列)时越准确; 在临边界区域外(即材料中心区域), 波前形状主要由波速决定. 弧形边界对波反射的汇聚作用和临边界区域内颗粒的排列方式所引起的弥散作用是两个竞争因素, 共同决定临边界区域内波的反射过程. 最后分析了临边界区域内颗粒力链网络在反射前后的变化. 该研究将为超材料设计提供借鉴.
2021, 53(9): 2395-2403. doi: 10.6052/0459-1879-21-242
基于深度学习和细观力学的颗粒材料本构关系研究
瞿同明, 冯云田, 王孟琦, 赵婷婷, 狄少丞
颗粒材料的本构关系对岩土工程等众多领域至关重要. 不同于传统的唯象本构理论, 本文基于机器学习模型探索了一种细观力学理论指导下的数据驱动型颗粒材料本构关系预测方法. 根据Vogit均质化假设, 建立了小应变条件下颗粒材料应力−应变解析关系, 此关系唯一地确定了一组与颗粒材料本构行为相关的细观组构变量. 这些变量与反应颗粒材料宏观性质的主应力和主应变信息通过一系列离散元三轴压缩数值试验获得. 考虑到细观组构变量为内变量, 不能直接作为本构模型的输入. 本文基于有向图方法将颗粒材料微观结构信息隐式地包含在应力−应变的预测当中, 并采用门控循环单元(GRU)循环神经网络作为基础深度学习模型描述有向图中结点之间的映射关系. 通过将有向图从目标节点沿源节点展开, 整个应力−应变预测模型可由两个神经网络分别训练并组装而成. 将训练后的深度学习模型在全新的数据集上进行测试, 结果表明该训练策略能有效捕捉到颗粒材料在常规三轴任意加卸载, 等中主应力系数b的真三轴加载, 和等平均有效应力p的真三轴加卸载等复杂多轴加载工况下的应力−应变响应关系, 模型具有良好的内插和外推预测能力. 考虑到深度学习模型捕捉颗粒材料力学响应的能力及其开放式学习的特点, 充分结合数据驱动方法和理论本构模型可能是颗粒材料本构研究的一个重要方向.
2021, 53(9): 2404-2415. doi: 10.6052/0459-1879-21-221
增材制造中滚筒铺粉工艺参数对尼龙粉体铺展性的影响研究
张江涛, 谭援强, 纪财源, 肖湘武, 姜胜强
铺粉工艺是基于粉床的增材制造(additive manufacturing, AM)技术中的关键工序之一. 滚筒铺粉工艺参数包括铺粉层厚H, 滚筒直径D, 滚筒的旋转速度ω和平移速度V, 对增材制造工艺中的粉体铺展性具有重要影响. 本文以尼龙粉体为研究对象, 采用离散元法(discrete element method, DEM)模拟其滚筒铺展过程, 建立沉积分数、覆盖率和沉积速率3个铺展性指标. 采用中心复合设计(central composite design, CCD)生成30组仿真案例, 通过响应曲面法(response surface methodology, RSM)拟合了3个铺展性指标的回归模型. 采用方差分析证明了回归模型的准确性和预测的有效性, 并详细分析了工艺参数对粉体铺展性指标的影响规律. 结果表明, 铺粉层厚H是最大的影响因素, 平移速度V是次要的影响因素, 滚筒直径D和滚筒的旋转速度ω对粉体铺展性指标影响较小, HVDV为影响粉体铺展性指标的主要交互因素. 以3个铺展性指标为优化目标, 采用期望值法对滚筒铺粉工艺参数进行多目标优化, 获得了预测的最优铺粉工艺参数和粉体铺展性指标组合, 并通过实验验证了粉体铺展性指标的预测结果与实验结果吻合良好. 本文的研究结果可指导增材制造中滚筒铺粉工艺参数的优化.
2021, 53(9): 2416-2426. doi: 10.6052/0459-1879-21-240
基于多介质、多尺度离散元方法的冰载荷数值冰水池
季顺迎, 田于逵
极地船舶与海洋工程结构冰载荷的确定是其结构抗冰设计、冰区安全运行和结构完整性管理的重要研究内容. 当前快速发展的高性能计算技术和多介质、多尺度数值方法为准确、高效地计算结构冰载荷提供了有效的途径, 其中以离散元方法为代表的数值方法取得了出色的研究成果. 为此, 本文针对目前极地船舶与海洋工程结构对冰载荷及力学响应的工程需求, 同时考虑国内外对海冰、工程结构与流体相互耦合的多介质、多尺度数值方法研究现状, 对极地船舶与海洋工程数值冰水池的概念、框架、开发技术以及基于离散元方法的软件实现与工程应用进行了论述. 数值冰水池在船舶与海洋工程结构冰载荷确定方面具有可靠性、经济性、快速性、扩展性和情景化等显著优势. 本文工作借鉴数值水池的研究思路, 以典型船舶和海洋平台结构冰载荷及结构力学响应的离散元计算为例, 探讨了数值冰水池研究的可行性和工程应用前景, 阐述其与理论分析、现场测量和模型试验研究相结合的必要性. 以上研究有益于中国在极地船舶与海洋工程领域形成具有独立知识产权的数值计算分析平台, 对中国极地海洋强国的战略实施具有很好的启发和指导意义.
2021, 53(9): 2427-2453. doi: 10.6052/0459-1879-21-243
流体力学
倾斜吹吸控制下湍流边界层减阻的直接数值模拟
夏前锦, 连龙, 瞿建雄, 王永生, 薛原, 王强, 赵立豪
雷诺切应力是壁湍流高摩擦阻力的重要来源, 有理论认为可以通过壁面生成负雷诺应力(数值上为正)的方式来削弱湍流流场中雷诺应力的分布, 以此获得流动减阻. 而通过对雷诺平均运动方程的法向二次积分, 可以发现壁面生成正雷诺应力(数值上为负)对壁面摩擦阻力系数才有负贡献. 文中在湍流边界层流动的控制区域下边界设置一系列倾斜狭缝, 利用该装置通过周期性吹吸的方法产生壁面生成正(负)雷诺应力, 并采用直接数值模拟方法考察和验证上文提到的减阻理论. 文中采用的湍流边界层流动模型, 其流动雷诺数(基于外流速度及动量损失厚度)从300 发展到860. 文中通过多组数值模拟算例, 考察了射流强度和频率对壁面摩擦阻力系数的影响, 并对比了壁面生成正或负雷诺应力对流动的影响. 研究表明, 壁面生成正雷诺应力控制的减阻率能达到3.26, 而壁面生成负雷诺应力控制的减阻效果较壁面生成正雷诺应力控制的要差; 壁面生成的正雷诺应力对壁面摩擦阻力有负贡献, 而壁面生成的负雷诺应力对壁面摩擦阻力有正贡献; 通过考察控制的收支比, 发现控制方案不能获得能量净收益.
2021, 53(9): 2454-2467. doi: 10.6052/0459-1879-21-223
受径向振荡激励的黏弹性液滴稳定性分析
姚慕伟, 富庆飞, 杨立军
当液滴受到外部周期性的径向激励时, 在其表面会形成驻波模式的不稳定, 这就是在球面上的Faraday不稳定问题. 不稳定的表面波的振荡频率根据流体物性参数和所施加激励条件的不同呈现为谐波或是亚谐波模式的振荡. 本文基于线性小扰动理论, 研究了受径向振荡体积力的黏弹性液滴表面波的不稳定性. 振荡的体积力导致动量方程为含有时间周期系数的Mathieu方程, 系统因此变成参数不稳定问题, 采用Floquet理论进行求解. 本模型中将黏弹性的特征处理为与流变模型参数相关的等效黏度, 从而简化了问题的求解. 基于对中性稳定曲线及增长率的分析, 研究了黏弹性参数对液滴稳定性的影响. 结果表明零剪切黏度和应变驰豫时间的增加具有抑制液滴表面波增长的作用, 提高了使液滴表面发生谐波不稳定的激励幅值. 随着振荡幅值的增加, 增长率不稳定的区域减少, 且随着振荡频率的增加, 液滴表面波增长率减小. 通过对增长率的分析可以得出, 应力松弛时间的增加使得增长率增加, 从而促进了液滴表面波的增长.
2021, 53(9): 2468-2476. doi: 10.6052/0459-1879-20-416
二维局部受热腔体内电热对流问题模拟和分析
刘镇涛, 肖莉, 和琨, 汪垒
近些年, 基于电场的主动强化传热技术因其对特殊环境的良好适用性而获得广泛关注, 该问题由于涉及电场、电荷分布场、流场和温度场等多物理场的强烈非线性耦合, 目前相关的理论分析和实验研究工作相对较少. 本文采用格子Boltzmann方法对二维局部受热腔体内电热对流问题进行了模拟和分析, 详细探究了无量纲参数如热瑞利数$Ra$、电瑞利数$T$、电极板的长度$h$和电极板中心到下壁面的距离$\delta$对传热效率的影响, 并对电热对流问题中的分岔结构进行了分析. 数值结果表明, 随着电瑞利数$T$的增加, 传热效率逐渐增强, 且电瑞利数$T$的分岔类型为亚临界型, 而热瑞利数$Ra$表现为超临界型. 当电瑞利数$T$足够大时, 库仑力占据绝对优势, 浮升力对传热的影响减弱, 传热效率的变化不再依赖于热瑞利数$Ra$. 另外, 对比不同电极板位置的传热效率时发现电极板处于中间时传热效率最佳, 并且电极板长度越短传热效率越高. 本文的研究结果拓展了已有二维电热对流模型, 可为其他非均匀温度边界电热对流问题的理论分析提供参考.
2021, 53(9): 2477-2492. doi: 10.6052/0459-1879-21-205
高超声速MHD球头激波脱体距离理论求解
李逸翔, 汪球, 罗凯, 李进平, 赵伟
高超声速飞行器强激波后高温气体形成具有导电性的等离子体流场, 电离气体为磁场应用提供了直接工作环境, 磁流体流动控制技术利用外加磁场影响激波后的离子或电子运动规律, 这可以有效改善高超声速飞行器气动特性. 激波脱体距离作为高超声速磁流体流动控制较为直观的气动现象, 受到研究者重点关注; 磁场添加后激波脱体距离发生变化, 其变化幅度直接反映磁控效果, 然而基于高超声速磁流体流动控制的相关理论模型较少, 需要进一步发展. 本文基于低磁雷诺数假设和偶极子磁场分布的条件, 通过对连续方程沿径向积分以及对动量方程采用分离变量的方法, 推导了高超声速磁流体流动控制下的球头激波脱体距离解析表达式. 理论分析结果表明, 激波脱体距离随着磁相互作用系数的增加而变大; 随着来流速度的增加, 磁相互作用系数变为影响激波脱体距离大小的主要因素. 本文理论模型可以达到快速评估磁控效果的目的, 对高超声速磁流体流动控制实验方案设计和结果分析具有一定的指导意义.
2021, 53(9): 2493-2500. doi: 10.6052/0459-1879-21-127
自由液面对艇后螺旋桨性能的影响研究
李鹏, 王超, 韩阳, 郐云飞, 王世民
靠近自由液面航行的潜艇, 自身绕流特性较其在深水区域会有所改变, 从而影响艇后螺旋桨的性能表现, 进而增加潜艇安全航行的风险. 为了探究自由液面存在对艇后螺旋桨性能的影响, 本文利用URANS方程耦合$ k - \omega $湍流模型, 基于Star CCM+求解器对潜艇自航模(Sub-off+E1619桨)在近自由液面航行时的性能进行数值仿真计算. 首先, 通过对比可获取的实验数据, 数据包括无限潜深下全附体艇体阻力实验数据、多潜深条件下旋转体阻力实验数据和螺旋桨敞水实验数据, 验证数值模拟方法的正确性; 接着, 基于3套不同密度的网格开展网格收敛性分析, 确保数值模拟的准确性; 最后, 对2个潜深、3个航速下潜艇自航模的性能进行仿真计算, 分析自由液面对自航模螺旋桨性能的影响. 结果表明, 自由液面的存在首先会增加潜艇自航模自航点对应的螺旋桨转速; 另外, 自由液面的兴波和艇体壁面形成的类喷嘴流动与转速变化有关, 类喷嘴流动和桨的抽吸作用共同改变桨叶剖面的迎流攻角, 使得桨叶靠近或远离自由液面会显著改变螺旋桨的载荷.
2021, 53(9): 2501-2514. doi: 10.6052/0459-1879-21-063
垂荡双气室振荡水柱波能装置水动力特性研究
郭权势, 邓争志, 王晓亮, 程鹏达
振荡水柱(OWC)波能转换装置因其结构简单、便于安装维护等特点, 被公认为最具应用前景的波能转换技术. 本研究以垂荡式双气室OWC波能转换装置为研究对象, 借助开源代码平台OpenFOAM及基于interFoam求解器开发的造/消波工具箱waves2Foam, 采用流体体积法(VOF)捕捉自由面和六自由度(6DOF)动网格求解器模拟垂荡运动响应, 数值研究在不同入射规则波作用下, 前后气室相对宽度、弹簧弹性系数对装置捕能宽度比及水动力特性的影响规律. 通过与已有的固定情况下的双气室OWC装置结果对比, 并通过对比自由衰减运动响应验证动网格技术, 揭示了本研究中数值模型的合理性和有效性. 计算结果表明, 较宽的后气室结构布置有利于双气室振荡水柱装置在垂荡状态下的波能提取; 前后气室宽度比为1/2时, 垂荡式双气室OWC装置在测试波频段具有最优的捕能宽度比; 相较于固定状态, 垂荡装置的后气室在中高波频段有着更高的捕能宽度比; 装置前后气室内水柱与OWC装置垂荡运动间存在的相位差使得气室内水面相对振幅和相对压强在测试波频段存在多峰值现象, 进一步发现弹装置通过垂向弹簧进行相位控制, 可显著拓宽高效频谱带, 实现较大的捕能宽度比.
2021, 53(9): 2515-2527. doi: 10.6052/0459-1879-21-072
固体力学
两种典型高熵合金冲击释能及毁伤特性研究
侯先苇, 熊玮, 陈海华, 张先锋, 汪海英, 戴兰宏
为研究FeNiMoW和FeNiCoCr两种典型高熵合金材料的冲击释能规律, 利用Φ14.5 mm弹道枪发射装置和准密闭试验容器系统开展了两种典型高熵合金破片在不同速度下冲击释能效应试验. 进一步, 利用该试验平台开展两种高熵合金破片侵彻多层目标的毁伤特性研究. 通过改变准密闭试验容器前置钢靶厚度, 研究了两种高熵合金破片对后续多层靶板的侵彻毁伤规律. 研究发现: FeNiMoW和FeNiCoCr高熵合金破片分别在1356 m/s和1217 m/s出现能量释放现象. 低于该撞击速度未发生化学反应. 撞击速度对两种高熵合金破片释能有显著的影响, 随着速度的增加, 两种高熵合金破片冲击释能反应加剧, 超压峰值上升加快. 在1600 m/s左右的撞击速度下, 随着试验容器前置钢靶厚度从1 mm增加至5 mm, FeNiMoW破片超压峰值整体上呈上升趋势, FeNiCoCr破片超压峰值呈下降趋势. 在两种高熵合金破片侵彻多层靶标过程中, 其释能反应程度的降低对破片穿孔能力的增强有一定贡献, 而容器前置钢靶厚度的进一步增大将降低破片对后续多层铝靶的穿孔毁伤能力. 另一方面, 随着前置钢靶厚度的增大, 破片对第一层铝靶的毁伤面积先增大后减小.
2021, 53(9): 2528-2540. doi: 10.6052/0459-1879-21-327
面内变刚度薄板弯曲问题的挠度−弯矩耦合神经网络方法
黄钟民, 谢臻, 张易申, 彭林欣
发展了一种求解面内变刚度功能梯度薄板弯曲问题的神经网络方法. 面内变刚度薄板弯曲问题的偏微分控制方程为一复杂的4阶偏微分方程, 传统的基于强形式的神经网络解法在求解该偏微分方程时可能会遇到难以收敛、边界条件难以处理的情况. 本文基于Kirchhoff薄板弯曲理论, 提出了一种直角坐标系下任意面内变刚度薄板弯曲问题的神经网络解法. 神经网络模型包含挠度网络与弯矩网络, 分别用于预测薄板的挠度与弯矩, 从而将求解4阶偏微分方程转换为求解一系列二阶偏微分方程组, 通过对挠度、弯矩试函数的构造可使得神经网络计算结果严格满足边界条件. 在误差的反向传播中, 根据本文提出的误差函数公式计算训练误差并结合Adam优化算法更新模型的内部参数. 求解了不同边界条件、形状的面内变刚度薄板弯曲问题, 并将所得计算结果与理论解、有限元解进行对比. 研究表明, 本文模型对于求解面内变刚度薄板弯曲问题具备适应性, 虽然模型中的弯矩网络收敛较挠度网络要慢, 但本文方法在试函数的构造上更为简单、适应性更强.
2021, 53(9): 2541-2553. doi: 10.6052/0459-1879-21-273
动力学与控制
考虑胎路多点接触的电动汽车−路面耦合系统振动分析
李韶华, 冯桂珍, 丁虎
轮毂电机驱动电动汽车的簧下质量大, 使得轮胎动载荷增加, 且电机激励进一步加剧车轮振动. 同时, 轮胎与路面单点接触的简化模型, 其动力学计算结果与实际存在差别. 鉴于此, 考虑电机的电磁激励、胎路多点接触和非线性地基, 建立了电动汽车−路面系统机电耦合动力学模型, 通过Galerkin法推导了非线性地基梁的垂向振动, 利用积化和公式推导了非线性地基梁中非线性项积分的精确表达式, 提出了路面截断阶数选取的简易方法, 并通过路面位移响应的收敛性进行了验证. 在此基础上, 研究了胎路多点接触、非线性地基、电机激励、车速、路面不平顺幅值等对路面及车辆响应的影响. 结果表明, 非线性地基及多点接触对车辆响应的影响中, 轮胎动载荷的影响最大, 车身加速度和悬架动挠度的影响较小, 且考虑电机激励时, 二者对车辆响应的影响显著增大. 从对路面响应的影响看, 电机激励的影响最大, 非线性地基的影响次之, 多点接触的影响较小. 所建模型及研究方法可为电动汽车的垂向动力学分析提供一种新思路.
2021, 53(9): 2554-2568. doi: 10.6052/0459-1879-21-239
轮对系统的Hopf分岔研究
武世江, 张继业, 隋皓, 殷中慧, 胥奇
针对轮对系统中的非线性动力学问题, 本文基于Hopf分岔代数判据得到考虑陀螺效应的轮对系统Hopf分岔点解析表达式, 即轮对系统蛇形失稳的线性临界速度解析表达式. 基于分岔理论得到轮对系统的第一、第二Lyapunov系数表达式, 并结合打靶法分别得到不同纵向刚度下, 考虑陀螺效应与不考虑陀螺效应的轮对系统分岔图. 通过对比有无陀螺效应的轮对系统分岔图发现, 在同一纵向刚度下, 考虑陀螺效应的轮对系统线性临界速度和非线性临界速度均大于不考虑陀螺效应的轮对系统, 即陀螺效应可以提高轮对系统的运动稳定性. 基于Bautin分岔理论, 以纵向刚度和纵向速度作为参数, 分别得到考虑陀螺效应和不考虑陀螺效应的轮对系统, 从亚临界Hopf分岔到超临界Hopf分岔, 再从超临界Hopf分岔到亚临界Hopf分岔的迁移机理拓扑图. 通过对比有、无陀螺效应的轮对系统Bautin分岔拓扑图发现, 陀螺效应将改变轮对系统的退化Hopf分岔点, 但对于轮对系统Bautin分岔拓扑图的影响不大.
2021, 53(9): 2569-2581. doi: 10.6052/0459-1879-21-321
生物、工程及交叉力学
一种新的玻尔兹曼方程可计算模型构造与分析
彭傲平, 李志辉, 吴俊林, 皮兴才, 蒋新宇
临近空间飞行器因各部件尺寸差异较大, 在高空高马赫数条件下飞行会出现多流区共存的多尺度复杂非平衡流动现象, 流场中的气体分子速度分布函数与当地位置、流场分子速度、气体密度、流动速度、温度、热流矢量、应力张量等相关. 通过分析玻尔兹曼方程的一阶查普曼−恩斯科近似解, 构造了一种同时考虑热流矢量和应力张量影响、满足玻尔兹曼方程高阶碰撞矩的跨流域统一可计算模型方程, 并在数学上分析了其守恒性、H定理等基本属性, 证明了新模型方程与玻尔兹曼方程的相容性, 给出了新模型与现有模型如沙克霍夫(Shakhov)模型等的递进关系, 基于碰撞动力学确定了各流域统一气体分子碰撞松弛参数表达式. 在气体动理论统一算法中采用新建模型及现有模型模拟了一维激波结构、二维近空间飞行环境平板和多体圆柱干扰流动, 并与直接模拟蒙特卡洛方法对比分析, 结果表明在流场中粘性效应显著的区域新建模型能更好地捕捉激波位置, 尤其是在激波内部新模型模拟的宏观参数分布与直接模拟蒙特卡洛方法结果符合更好, 验证了新模型的有效性和可靠性, 同时说明在非平衡显著的流动区域碰撞松弛模型受多参数共同作用的影响.
2021, 53(9): 2582-2594. doi: 10.6052/0459-1879-21-104
数据驱动印度洋海域全局动力学研究
李自刚, 严旺, 康佳琪, 江俊, 洪灵
海洋洋流运动非常复杂, 研究其内在规律能为海上搜救、污染物扩散预测和海运航线设计提供科学依据. 本文将基于空间离散思路的广义胞映射方法应用于数据驱动的海洋系统全局动力学分析中, 研究印度洋海域的长期和短期内在动态结构及其特性. 文中考虑到印度洋海域典型季风气候等因素的影响, 利用1979—2019年该区域浮漂历史数据, 建立不同时间尺度(天、季节或年度)下表征系统状态演化的一步转移概率矩阵, 并以此形成以胞刻画的海洋系统数据驱动动力学模型. 通过拓扑分析, 实现对印度洋海域洋流长短期动态全局吸引性结构(涡漩中心)及其影响区域(涡旋区)的表征. 对比分析显示, 浮漂样本的实际观察与预测的响应分布和演化特征高度吻合, 从而验证所提方法和结果的有效性和正确性. 研究结果表明: 大约在南纬20° ~ 40°, 东经40° ~ 96°范围内可形成明显的长期大范围的稳定涡旋区域, 导致大部分表面漂浮物动态聚集在该区域, 而南纬40°以南和赤道附近则表现为海洋表面流动的排斥性. 同时, 海洋系统中的短期动态涡旋结构主导了表面漂浮物的瞬态路径和趋势, 在2014年3月8日—14日期间形成南印度洋洋流的逆时针环流特点.
2021, 53(9): 2595-2602. doi: 10.6052/0459-1879-21-218
致密砂岩逆向渗吸作用距离实验研究
齐松超, 于海洋, 杨海烽, 汪洋, 杨正明
中国致密油储量丰富, 但多数致密储层波及效率低, 衰竭开发效果较差. 逆向渗吸是致密油藏注水开发过程中的一种重要的提高采收率途径, 目前许多学者主要针对致密油藏渗吸采收率及其影响因素开展研究, 而对于渗吸作用距离(表征致密油藏渗吸作用范围)研究较少. 本文采用CT在线扫描装置建立了致密岩心逆向渗吸作用距离量化方法, 明确了逆向渗吸的作用范围, 进一步研究了流体压力、含水饱和度、岩心渗透率和表面活性剂对逆向渗吸作用距离的影响, 阐明了逆向渗吸作用距离与渗吸采收率的关系, 为提高致密油藏采收率提供指导. 研究结果表明, 渗透率为0.3 mD的致密岩心逆向渗吸作用距离尺度仅为1.25 ~ 1.625 cm; 5 MPa条件下渗透率为0.302 mD的岩心逆向渗吸作用距离为1.375 cm. 在本实验条件下, 流体压力和初始含水饱和度对致密岩心逆向渗吸作用距离的影响较小, 而渗透率和表面活性剂对致密岩心逆向渗吸作用距离的影响显著, 渗透率为0.784 mD的岩心逆向渗吸作用距离相较于渗透率为0.302 mD的岩心提高2.63倍. 逆向渗吸作用距离是渗吸采收率表征的重要参数, 决定了逆向渗吸作用的波及范围.
2021, 53(9): 2603-2611. doi: 10.6052/0459-1879-21-298