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基于POD和代理模型的静气动弹性分析方法
李凯, 杨静媛, 高传强, 叶坤, 张伟伟
静气动弹性问题考虑弹性结构与定常气动力间的相互耦合作用, 对飞行器的性能和安全具有显著的影响. 在现代飞行器设计阶段, 计算流体力学/计算结构力学(computational fluid dynamics/computational structural dynamics, CFD/CSD)直接耦合方法是精确考察静气动弹性影响的重要手段. 然而, 基于CFD技术的气动力仿真手段在耦合过程中计算量大且耗时长, 难以满足设计阶段的需求. 因此, 为了兼顾计算精度与效率, 文章采用本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)和Kriging代理模型相结合的模型降阶方法, 替代CFD求解过程并耦合有限元分析(finite element analysis, FEA)方法, 建立了高效、准确的静气动弹性分析框架. 相较于传统的以模态法为主的静气动弹性分析方法, 该方法能够解决更为复杂的静气动弹性问题以及提供静气动弹性变形过程中的气动分布载荷. 针对典型三维跨声速HIRENASD机翼模型开展的马赫数、迎角变化的算例验证表明: 由建立的静气动弹性分析方法与CFD/CSD直接耦合方法计算得到机翼翼梢处的静变形量间的相对误差在5%以内; 同时该方法预测静平衡位置处的气动分布载荷的误差在5%以内, 静气动弹性分析的计算效率至少提升了6倍.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-523
爆轰驱动惰性气体磁流体发电试验研究
卢子寅, 张晓源, 李进平, 马虎
磁流体发电装置作为一种特殊的高功率脉冲电源, 具有效率高、容量大、启动快的优点, 制约其发展的关键在于如何获得高电导率的发电工质. 爆轰驱动具有远超常规方式的驱动能力, 在提供高温、高电导率气体方面独具优势. 将爆轰驱动激波管技术应用于磁流体发电, 有利于突破磁流体发电技术瓶颈, 故据此开展了基于爆轰驱动激波管技术的惰性气体磁流体发电试验研究. 爆轰驱动根据激波管点火位置不同分为反向和正向两种运行模式, 反向爆轰驱动可提供时间较长、状态稳定的试验气流, 而正向爆轰优势在于产生高焓试验气流. 试验系统由爆轰驱动激波管、拉瓦尔喷管、发电通道、电磁铁和真空罐等组成, 试验中分别以反向爆轰和正向爆轰驱动激波管产生发电工质, 利用激波将惰性气体压缩至高温从而发生电离, 形成的等离子体经喷管加速后, 最终在法拉第直线型发电机内切割磁感线输出电能. 磁场强度0.9 T的条件下, 反向爆轰在负载3.5 Ω时获得了较稳定的1.9 kW输出功率, 持续时间1.5 ms; 外接0.035 Ω负载时, 正向爆轰在0.3 ms内短时输出功率高达212 kW, 功率密度为0.2 GW/m3. 试验成功验证了基于爆轰驱动激波管技术的惰性气体磁流体发电方案的可行性, 为高功率脉冲电源的应用与发展提供了新的方法.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-576
基于非均匀梁模型的二维柔性机翼固有振动分析
黄可, 张家应, 王青云
变体飞行器通过光滑连续的结构变形改变气动特性, 从而提高飞行器的飞行性能, 具有很大的应用前景. 由于这类新概念飞行器主要通过改变自身结构形状以获得最佳工作性能的需求, 因此具有变形大、质量轻等特点, 较容易发生结构振动响应. 本文研究了一种以柔性变后缘作为变体形式的二维柔性机翼等效建模方法, 基于非均匀梁模型假设, 建立了该柔性翼的动力学模型. 通过利用Frobenius方法得到解析解及固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前4阶固有频率的误差均在1%以内, 每阶固有频率对应的振型一致. 通过3D打印工程塑料(ABS)和硅胶蒙皮材料制备了柔性机翼结构件, 并通过动态测量法和拉伸试验分别测定了打印材料和硅胶蒙皮材料的杨氏模量, 搭建振动响应实验平台对制备的柔性机翼试验件进行振动试验. 对比发现模型振动试验获得的基频与理论模型结果一致, 并与有限元方法误差在3%以内. 本文通过理论分析和实验验证, 建立了二维柔性机翼等效建模方法, 研究结果将为柔性变后缘结构动力学特性分析及其控制应用方面提供理论支持.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-551
蜿蜒边界下平面流的线性流动稳定性
冀自青, 白玉川, 徐海珏
为便于数值分析, 蜿蜒河流水动力和演变模型中一般隐性假设二次时均流-二次涡的关系与明渠流时均流-明渠湍流的关系相同, 但由于高雷诺数下的DNS算力限制和实验尺度限制, 这种隐含假设是否成立目前尚无相关湍流研究来支撑. 本文试图通过分析明渠湍流(Primary Turbulent Flow)和二次湍流(Secondary Turbulent Flow)发展初期的研究, 侧面揭示其湍流结构的异同. 本文通过对曲线正交坐标系下的平面二维NS方程使用双参数摄动的方法, 建立了一种求解蜿蜒边界弱非线性层流的摄动解法, 并推导得出了一个适用于蜿蜒边界的控制方程Extended Orr-Sommerfeld equation(简称EOS方程)以及其特征值问题的解法. 蜿蜒边界下弱非线性层流解为一系列蜿蜒谐波分量的叠加, 其中线性部分使得两壁产生流速差, 非线性部分随着雷诺数增大呈指数增长. 水流的扰动增长率特征谱的第一模态与直道流相似, 由三条曲线、四个波段合成, 但其长波段和短波段的扰动流场与直道流不同, 所有短波段的扰动流速近似于KH涡. 蜿蜒边界对内部水流扰动有一定的选择性. 偏角幅值越大扰动增长越快; 蜿蜒波数的影响则为先增后减, 有一个使扰动增长最快的蜿蜒波数. 扰动流场由1个典型的TS波和一对波包形式的二次涡叠加而成, 波包只有纵向流速分量, 包络线由蜿蜒波数控制, 波包内是与直道扰动波参数相同的TS波.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-570
高承载梯度分层点阵结构的拓扑优化设计方法
黄垲轩, 丁喆, 张严, 李小白
随着增材制造技术的迅速发展, 点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注, 但其单胞分布设计大多基于均布式假设, 导致其承载能力相对较差. 基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法. 首先, 基于水平集函数建立点阵单胞几何构型的显式描述模型, 引入形状插值技术实现点阵单胞的梯度构型生成; 其次, 构建基于Kriging的梯度点阵单胞宏观等效力学属性预测模型, 建立宏观有限单元密度与微观点阵单胞等效力学属性的内在联系; 然后, 以点阵结构刚度最大为优化目标, 结构材料用量和力学控制方程为约束条件, 构建点阵结构的梯度分层拓扑优化模型, 并采用OC算法进行数值求解. 算例结果表明, 所提方法可实现点阵结构的最优梯度分层设计, 充分提高了点阵结构的承载性能, 同时可保证不同梯度点阵单胞之间的几何连续性. 最后, 开展梯度分层点阵结构与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构的准静态压缩仿真分析, 仿真结果表明, 与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构相比, 梯度分层点阵结构的承载能力明显提高. 研究结果可为高承载点阵结构设计提供理论参考.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-363
基于结构化变形驱动的非局部宏-微观损伤模型的真II型裂纹模拟
任宇东, 陈建兵, 卢广达
II型荷载作用下裂纹变形模式也为II型的破坏问题称为真II型破坏。准确定量地把握真II型破坏的全过程是具有挑战性的问题。本文采用结构化变形驱动的非局部宏-微观损伤模型对真II型破坏问题进行了模拟。根据结构化变形理论将点偶的非局部应变分解为弹性应变与结构化应变两部分,进而利用Cauchy-Born准则与结构化应变计算点偶的结构化正伸长量。在本文中,结构化应变取为非局部应变的偏量部分。当点偶的结构化正伸长量超过临界伸长量时,微细观损伤开始在点偶层次发展。将微细观损伤在作用域中进行加权求和得到拓扑损伤,并通过能量退化函数将其嵌入到连续介质-损伤力学框架中进行数值求解。进一步地,本文采用Gauss-Lobatto积分格式计算点偶的非局部应变,将积分点数目降低到4个,显著降低了前处理和非线性分析的计算成本。通过对II型加载下裂尖应变场的分析揭示了采用偏应变作为结构化应变的原因。对两个典型真II型破坏问题的模拟结果表明,本文方法不仅可以把握II型加载下的真II型裂纹扩展模式,同时可以定量刻画加载过程中的荷载-变形曲线,且不具有网格敏感性。最后指出了需要进一步研究的问题。
基于人工神经网络的非均匀固相应力模型
吴雪岩, 李煜, 李飞, 陈昇
最小多尺度理论(Energy-Minimization Multi-Scale, EMMS)已经被引入多相质点网格法(multiphase particle-in-cell, MP-PIC)中,建立了非均匀EMMS固相应力模型. 但现有的非均匀固相应力模型计算中, 中间步骤繁琐且花费时间长. 采用人工拟合的方式能获得非均匀固相应力表达式, 但需要人为确定拟合变量和拟合函数, 且针对于非均匀固相应力这种高度非线性函数所得到的拟合精度不高、用于MP-PIC模拟的结果相比原EMMS固相应力模型结果存在偏差. 针对上述问题, 本文提出通过机器学习的方法, 规避对固相体积分数的局部分布情况的表征, 并提出和建立能考虑颗粒浓度详细分布的人工神经网络(artificial neutral network, ANN)固相应力模型. 首先, 基于局部颗粒浓度和颗粒非均匀分布指数建立了双变量的ANN固相应力模型;进一步将当前网格及其周边网格颗粒浓度组成的序列来详细表征颗
煤炭地下气化腔CO2埋存的研究进展及发展趋势
李龙龙, 方慧军, 葛腾泽, 刘曰武, 丁玖阁
CO2捕集与埋存(CCS)可助力碳达峰、碳中和战略目标实现,是解决温室效应的重要手段。在众多地质埋存空间中,煤炭地下气化(UCG)后的气化腔近年来成为埋存研究的热点,但与传统埋存方式相比,相关工作仍处于理论探索阶段,缺乏现场实施案例。为推动该埋存方式的发展,笔者开展了以下工作。(1)介绍UCG和CO2气化腔埋存的国内外研究进展,并将后者的发展划分为概念提出阶段、潜力评价和可行性分析阶段以及机理分析阶段,目前尚处于理论探索阶段。(2)从注入性、密闭性、经济性、储容量和CO2埋存机理等多个角度出发,通过与其他埋存方式对比,分析了气化腔埋存的特点与优势:注入性良好;密闭性与未开发煤层类似,但更为复杂;显著节约CO2运输成本;埋存潜力巨大;埋存机理非常复杂,需要考虑气化腔形态、边壁性质以及超临界CO2与气化腔流体间复杂相互作用对注入和长期埋存过程的影响。(3)阐明CO2气化腔埋存所涉及的关键科学问题和工程问题,并指出未来发展趋势。在以上工作的基础上,笔者建议国家出台相关政策鼓励和支持UCG及后续的CO2气化腔埋存,丰富CCS体系,推动煤炭资源的清洁化和低碳化利用。
舵几何特征对桨-舵系统尾流场演化的影响
张维鹏, 任建新, 郭航, 王子斌, 胡健
发生在桨和舵之间的干扰会影响螺旋桨尾流的演化,导致尾流场中的湍流在下游增强,恶化船舶的振动和噪声性能,深入分析舵几何参数对桨-舵系统尾流场演化影响能够为推进器尾流场的调节和减振降噪提供新思路。因此,从弦长、剖面和梯形舵入手分析不同的舵几何参数对螺旋桨尾流场演化特性的影响,使用大漩涡模拟方法模拟流场中的湍流结构,对不同析舵弦长、剖面下的螺旋桨尾涡结构进行了对比,在舵弦长、剖面对螺旋桨尾流场演化研究的基础上分析了梯形舵对螺旋桨尾涡结构的影响,进一步分析了梯形舵影响下的螺旋桨尾流场中湍动能的分布。结果表明舵的弦长和剖面均会影响螺旋桨尾流场的演化,这种影响表现为更大的弦长和更厚的剖面会促进螺旋桨梢涡在舵压力面上的偏移,更薄的舵剖面会带来更强烈的螺旋桨毂涡偏移;梯形舵会促进螺旋桨尾流场沿逆舵梯度方向偏移,从而导致螺旋桨的尾涡结构在舵两侧及下游呈现不对称分布,桨-舵系统下游的湍流结构与螺旋桨尾涡-舵碰撞过程、螺旋桨尾涡-舵随边涡干扰过程、螺旋桨梢涡-螺旋桨毂涡干扰有关,偏移更大的螺旋桨尾涡结构会在尾流场中更早地引起湍动能增强。
钢筋混凝土界面的近场动力学方法
路德春, 高一鑫, 王国盛, 宋志强, 杜修力
近场动力学方法已被广泛用于钢筋混凝土的开裂破坏研究,传统近场动力学方法的控制方程与参数是基于同种均质材料的能量方程确定,在处理不同种材料之间的相互作用时,无法合理反映其界面的力学行为。针对这一问题,通过分析钢筋混凝土界面的粘结-滑移机理,提出了近场动力学界面区材料点的相互作用模型,发展了考虑钢筋混凝土界面粘结的键基近场动力学方法。基于键基近场动力学与连续介质力学的能量密度等效方法,提出了界面微弹性参数的确定方法;根据钢筋肋间混凝土的应力分布规律,获得界面材料点域半径与受限楔体半径的等效关系;利用界面粘结-滑移曲线峰值应力对应的滑移变形,给出了界面临界拉伸常数确定方法。通过与3组钢筋混凝土构件的拉拔试验对比,验证了发展的界面近场动力学方法,并开展了不同条件下钢筋混凝土构件的数值试验。结果表明,发展的近场动力方法能够合理反映钢筋直径、混凝土强度、锚固长度以及肋间距对钢筋混凝土界面粘结行为的影响,体现了所提方法的合理性与优越性。
基于非均匀梁模型的二维柔性机翼固有振动分析
黄可, 张家应, 王青云
变体飞行器通过光滑连续的结构变形改变气动特性,从而提高飞行器的飞行性能,具有很大的应用前景。由于这类新概念飞行器主要通过改变自身结构形状以获得最佳工作性能的需求,因此结构的分布形式将直接影响其固有动力学特性,最终改变其气动弹性性能。本文研究了一种以柔性变后缘作为变体形式的二维柔性机翼的等效建模方法,基于非均匀梁模型假设,建立了该柔性翼的动力学模型。通过利用Frobenius方法得到解析解及固有频率, 并用有限元方法进行对比验证, 发现前4阶固有频率的误差均在1%以内, 每阶固有频率对应的振型一致。通过3D打印工程塑料(ABS)和硅胶蒙皮材料制备了柔性机翼结构件,并通过动态测量法和拉伸试验分别测定了打印材料和硅胶蒙皮材料的杨氏模量, 搭建振动响应实验平台对制备的柔性机翼试验件进行振动试验。对比发现模型振动试验获得的基频与理论模型结果一致, 并与有限元方法误差在3%以内。本文通过理论分析和实验验证,建立了二维柔性机翼的等效建模方法,研究结果将为柔性变后缘结构动力学特性分析及其控制应用方面提供理论支持。
一种新型非线性能量阱的振动抑制分析
张运法, 孔宪仁
非线性能量阱是一种振动能量吸收装置,其在结构振动抑制中具有十分重要的作用。本文对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行了振动抑制相关的分析。首先对具有组合非线性阻尼非线性能量阱的系统进行了理论模型的描述,对系统模型的运动方程利用复变量平均法进行推导,得到了系统的慢变方程。其次对系统的慢变方程运用多尺度法进行强调制响应的分析,通过对系统进行慢不变流形和相轨迹的研究,描述了系统强调制响应发生的条件基础。此外,还利用一维映射对系统进行分析,揭示了外激励幅值对强调制响应存在时频率失谐系数取值区间的影响规律。最后利用能量谱、时间响应和庞加莱映射对耦合非线性阻尼非线性能量阱系统进行了振动抑制的相关研究,揭示了非线性阻尼的非线性能量阱不同阻尼和刚度对其振动抑制效果的影响规律,得出了非线性阻尼非线性能量阱和主结构响应存在一致性的现象,并验证了本研究所提出的非线性阻尼非线性能量阱模型具有较好的振动抑制能力。
逆壁射流中射流剪切层内湍流结构特性的实验研究
刘宇陆, 王宇泽, 李家骅, 陶亦舟, 邱翔
采用粒子图像测速技术(PIV)对逆壁射流全流场进行了实验测量,射流与主流的速度比为8.89,基于射流圆管内径的雷诺数为9127. 主要关注射流剪切层内不同流向位置湍流的统计特性变化,包括尺度特性和结构特性. 对射流中心线上不同流向位置的脉动速度场统计分析发现:在x/D=30~43之间,受反馈机制影响, Q1和Q4事件占据主导地位. 在驻点附近(x/D=43~50)的区域Q3事件为主导. 对射流剪切层内湍流结构的平均空间尺度进行分析,在x/D=0~37之间总尺度向射流下游发展呈增长趋势,在x/D=37~46之间总尺度几乎不变,x/D=46~51之间总尺度向射流下游发展呈减小趋势. 在x/D=35之前,参考点上游尺度与下游尺度近似. 在x/D=35~41之间,参考点下游尺度大于上游尺度. 在x/D=41~51之间,参考点下游尺度小于上游尺度. 利用频域上的本征正交分解(SPOD)方法对湍流结构进行了定量分析,发现模态能量集中在低频,流场中能量最大的模态频率为fD/Uj=0.0005,出现在再循环区. 频率为fD/Uj=0.0026的第一阶模态说明射流发生偏转时与主流相互作用产生了湍流结构,并且沿再循环区外围输运. 高频结构的构型是类似的,均位于射流剪切层内,且频率越高,越接近射流出口,尺度越小.