力学学报

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张天辉, 刘志芳, 雷建银, 王志华, 李世强

本文通过实验、理论和数值模拟研究泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的动态变形模式及吸能机制. 采用不同质量的球形乳化炸药进行爆炸试验. 结构轴向变形分为三个区: 大塑性变形区、绕塑性铰的刚性旋转区和无变形区. 在考虑环向膜力和轴向弯矩的情况下, 提出内爆作用下夹芯圆管动态响应的显式计算方法. 通过建立基于三维Voronoi算法的泡沫芯有限元模型, 探索结构能量耗散机制. 通过实验观测到的泡沫铝夹芯空心圆管在内爆载荷作用下的变形机制, 结合内外管的弯曲变形及芯层压缩, 给出了结构在响应过程中能量吸收的理论解. 以结构比吸能和外管中心挠度为控制参量求得夹芯圆管的最优解集. 进一步研究炸药质量、内外管直径、壁厚及芯层轴向梯度排列方式对结构动态变形模式和吸能机制的影响. 结果表明: 内管壁厚对外管中心线的挠度影响较大, 而芯层厚度和外管壁厚的影响较小; 如果夹芯圆管的轴向梯度结构从管轴向对称面到两端边缘呈对称递减分布时, 具有较好的抗爆性; 数值计算和实验测试结果均与理论预测吻合.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-165

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生物质基长链含氧燃料的制备与应用

陈佳慧, 吴石亮, 肖睿

基于全球化石能源紧张问题, 着眼于从生物质、光能等可再生能源缓解化石能源的压力并同时减少二氧化碳的排放. 生物质作为含碳的可再生能源, 在燃料制备方面具有独特的地位. 生物质热解/水解后产物复杂, 涉及到醇、酸、醛等多种有机物, 而这些有机物大多品质较低, 不能作为燃料直接使用. 与碳氢燃料相比, 含氧燃料更适合在内缸中燃烧, 促进燃烧的深度, 减少氧气供应量和由于不完全燃烧产生的废渣. 由生物质制备长链含氧燃料不仅原料低廉, 还能充分利用生物质解聚后多种品质较低的含氧有机物. 本文简单分类介绍了常见生物质衍生物醛酮、醇醚和羧酸类代表物质的制备路径及应用领域, 详细总结了这些含氧衍生物通过醛羟缩合、烷基化、齐聚化、酮基化、Diels-Alder反应、还原醚化等不同化学手段进行碳链加长的方法路径. 在保证一定含氧量的前提下, 增大反应物的碳链长度, 提高热值, 尽可能与现有化石燃料主要成分匹配. 根据不同提质路径的特点, 本文将以上六大路径分为三类并给出每一类路径的适用条件. 通过对最新生物质领域的长链含氧化合物合成路径的综合评价为生物质长链含氧燃料的发展提供参考借鉴.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-323

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直流电晕放电中的离子风增强带电气溶胶沉积

李嘉诚, 刘大伟

为解决我国水资源短缺问题和开发大气水资源的急迫需求, 突破之前单电极电晕放电离子源的离子密度较低、气溶胶荷电困难的难题, 开发了一套基于离子风增强带电气溶胶沉积的负直流电晕放电系统. 该系统利用多个针电极与接地的网状电极, 实现了大面积、阵列式的负直流电晕等离子体, 可以对流经其中的气溶胶进行高效的荷电和处理. 虽然单电极放电产生的开放空间中的离子密度是双电极放电的20倍, 但双电极放电区域的电场约为单电极放电的15倍, 放电电流也更大. 强电场推动离子流进行定向运动, 同时推动中性分子, 使该装置可以产生速度高达2 m/s的离子风, 而与之相比, 单电极电晕放电的离子风速低于检测限. 双电极电晕放电产生的离子风带动了云室中空气的流动, 可以有效促进气溶胶的荷电、碰并以及在接地网状电极上的沉积, 可以快速减少空气中的气溶胶密度, 所需的时间仅为单电极放电的1/4. 在水雾气溶胶的沉积实验中, 其水雾的总沉积量是单电极放电的8.3倍. 因此, 双电极放电系统是诱导降水或消除致病生物气溶胶的潜在有效方法.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-339

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利用斜齿离合升频机制实现瓦级输出的超低频电磁式振动能量收集器

毛新辉, 张继元, 齐欢, 邱长泉, 申维和, 田建国, 汪飞, 陶凯

目前, 大多数的能量收集器从低频运动中只能收集到较少的能量, 且能量收集效率较低. 低频激励下发电输出能量低是当前限制电磁俘能器多场景应用的关键问题, 而电磁感应发电作为目前应用广泛且较为成熟的发电技术, 具有高功率输出, 被广泛应用于能量收集领域, 有望解决这一技术瓶颈. 本文提出了一种基于斜齿离合传动系统的电磁式振动俘能器以系统性解决输出频率低和能量转化时间短的问题. 俘能器的机械传动系统由直线−旋转转化模块、牙嵌离合模块和能量存储/释放模块三部分构成, 可将外界低频、不规则的瞬时激励(约0.2-5 Hz)转化为高频、连续的单向旋转运动以实现能量转换效率最大化. 对所提出的俘能器建立了机电耦合动力学模型并进行实验验证. 研究结果表明, 俘能器在外界脉冲激励下可以实现开路状态长达30 s的输出; 接入负载后惯性旋转运动的最高转速可达750 rpm, 并实现了运动频率从0.17 Hz到50 Hz的近300倍提升; 单层发电模块的峰值功率可达1.25 W, 两层发电模块并联输出2.5 W的峰值功率, 可实现134 mW平均输出功率. 此外, 其紧凑高效的传动结构设计使得俘能器可以进一步集成到可穿戴设备中, 在人体能量收集领域和构建自供能物联网传感节点等方向具有重要意义.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-362

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粘弹性聚合物驱渗流机理研究进展

钟会影, 史博文, 毕永斌, 沈文霞, 许严芮, 尹洪军, 夏惠芬, 赵欣

聚合物驱已成为国内外化学驱中提高原油采收率主要方法之一, 其在大庆油田的60年开发稳产中起到重要作用, 在水驱基础上提高原油采收率达到约13个百分点. 聚合物驱主要驱油机理为改善流度比, 提高注入液的波及体积, 从而提高驱油效率. 近几年, 聚合物溶液粘弹性能够进一步扩大其在多孔介质中的微观波及面积从而提高微观驱油效率的作用机理也逐渐被人们所认识. 本文从聚合物溶液粘弹特性、聚合物驱微观可视化实验、岩心驱替实验及驱油机理理论研究四个方面进行了综合分析, 对比论述了国内外关于粘弹性聚合物溶液渗流机理的研究现状、实验手段及方法, 给出了聚合物溶液的粘弹性产生的法向应力能够进一步对水驱后残余油产生“拉”“拽”作用, 从而使其比纯粘性流体进一步提高在多孔介质内的微观波及效率及驱油效率, 明确了弹性湍流是产生表观增稠的本质, 对提高驱油效率产生一定的正向影响. 最后针对粘弹性聚合物驱渗流机理研究面临的问题及发展方向进行总结, 弹性湍流产生的条件、粘弹性对不同尺寸孔隙内不同类型原油采收率的贡献及弹性与油藏润湿性的协同影响等机理成为未来研究的挑战与方向. 论文的归纳能够为粘弹性聚合物溶液机理深入研究及矿场设计优选聚合物提供重要的参考.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-272

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局部凸起在V形钝前缘模型中的降热特性研究

李帅, 姜振华, 张珊, 尹同, 阎超

三维内转式进气道的唇口结构通常存在严酷的气动热载荷。在6.0马赫的高超声速流动中，以V形钝前缘模型为研究对象，设计了局部凸起的被动流动控制降热方案。采用数值模拟手段，研究了局部凸起方案的降热能力及降热原理，优化了局部凸起方案的关键设计参数，分析了优化后的方案的攻角、侧滑角及马赫数的适用性。研究结果表明：上游凸起边缘形成的斜激波与马赫反射形成的透射激波发生干扰，能够减弱其冲击壁面的强度，实现降热的目的；驻点凸起通过改变超声速射流的对撞角度，能够降低其对撞的强度，实现降热的目的。原始方案的降热能力约为37.75%，在对局部凸起的位置、高度及宽度等关键设计参数进行初步优化后，优化方案的降热能力将提升至44.60%。设计工况下的优化方案具有良好的攻角适用性，而高度可变的优化方案可以较好地适用于有侧滑角及高马赫数的流动。在研究范围内，高度可变的优化局部凸起方案的降热能力均高于20%。

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基于光斑投影3D-DIC的动态液面波高场测量方法研究

王凯, 李得睿, 向升, 程斌

动态液面波高场测量与面型三维重建是流体力学、晃荡动力学等研究领域中的重要问题, 但目前仍缺乏一种简易且高效的高精度全场测量手段. 本文基于光斑投影和三维数字图像相关(3D Digital Image Correlation, 3D-DIC)原理, 提出了一种动态液面波高场的测量方法. 通过液体染色和光斑投影, 在液体表面形成光斑纹理, 设置双目相机拍摄动态液面的散斑图像. 运用交比不变性标定板及张正友标定法获得双目相机内外参矩阵, 并基于反向组合高斯牛顿(Inverse-compositional Guass-Newton, IC-GN)的3D-DIC算法实现动态液面波高场的高精度三维重构. 进一步建立光斑投影的几何光学模型, 模拟规则波液面的双目图像, 开展数值模拟测量以验证本方法的理论精度, 同时开展真实液面波高场的测量验证. 结果表明本方法可实现动态液面波高场的高精度全场测量, 模拟液面测量的均方差为0.004 mm, 真实静态液面抬升测量的均方差为0.022 mm, 真实动态液面测量的均方差小于0.037 mm. 本文方法具有高精度、非接触、全场测量等优势, 可在实验室流体测量和相关工程场景中推广应用.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-261

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湍流边界层均匀动量区统计分形特性的PIV实验研究

陈怡纯, 田海平, 马国祯, 陈纪仲

均匀动量区(UMZs)作为动量相近的局部区域成为新的湍流拟序结构成员, 研究其统计特性与变化规律、分析其成因、研究其与其它湍流结构的内在关联, 是深入认识壁湍流的重要途径. 本文通过粒子图像测速系统(PIV)测量得到了具有高时空分辨率的湍流边界层流法向流场, 对UMZs分区、界面位置等进行了统计, 并基于瞬态流场分析了UMZs分界线与发卡涡(包)为主的湍流结构的位置关联, 结果发现: UMZs流向速度概率密度函数(PDF)和界面厚度的统计分析呈现普适的分形特性, 且不受湍流/非湍流界面(TNTI)和雷诺数的影响; 瞬态流场UMZs数目在湍流间歇区较大, 而湍流结构发展充分、层次丰富时的瞬态流场UMZs数目却较少; 壁湍流涡包结构内多个发卡涡的空间分布规律决定了UMZs的统计分形特征; 在近壁UMZs分界线向湍流结构存在区域集中靠拢, 在外区UMZs分界线穿越展向涡核, 正向涡旋导致UMZs分界线在法向上的聚集, 反向涡旋引起UMZs分界线在流向上产生分离.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-375

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富氢环境下镍钛形状记忆合金弹簧变形行为的实验和理论研究

姜晗, 于超, 康国政

镍钛形状记忆合金器件在某些特定服役环境下不可避免地与氢接触, 导致其力学性能发生改变. 实验研究方面, 本文通过对两种构型(弹簧指数为8.5和11.7)的镍钛合金弹簧进行异位电解充氢, 随后对充氢和未充氢镍钛合金弹簧进行不同幅值的拉伸−卸载实验, 揭示了氢对超弹性镍钛合金弹簧变形行为的影响. 结果表明, 氢会显著影响弹簧的相变硬化行为, 并且使马氏体相变临界力下降地更为迅速. 理论研究方面, 基于实验结果, 在不可逆热力学框架下构建了镍钛形状记忆合金力−扩散耦合本构模型. 在该本构模型中, 考虑了与弹性, 马氏体相变和氢致膨胀相关的应变和氢浓度场对马氏体相变的影响. 通过建立的Helmholtz自由能推导出相变行为的热力学驱动力. 基于质量守恒定律和Fick定律, 得到氢浓度场的演化方程. 为了准确地描述充氢和未充氢镍钛合金弹簧的变形行为, 在建立的本构模型基础上, 进一步发展了描述弹簧力−扩散耦合变形行为并考虑其扭转、弯曲变形模式的半解析模型. 通过与实验结果的对比, 可以发现, 本文提出的半解析理论模型能够很好地预测富氢环境下超弹性镍钛合金弹簧的变形行为.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-282

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空间机械臂面向太阳能帆板在轨清洁任务的擦抹力/位阻抗控制

朱安, 陈力

卫星在载体位姿调整过程中燃烧的烟雾容易附着在太阳能帆板上，若未对帆板定期清洁将导致其供电能力下降，为此对空间机械臂执行太阳能帆板清洁任务进行了研究。首先通过Lagrange方程法建立了空间机械臂系统动力学方程，然后为了控制机械臂末端清洁装置的位姿，基于运动学关系将动力学模型转换到惯性空间。结合阻抗控制原理，根据清洁装置位姿与其输出力之间的动态关系建立了机械臂的阻抗模型，保证了清洁操作过程中输出力的稳定、精确控制。为了防止清洁操作的各阶段切换时因系统状态突变导致输出力突变，造成太阳能帆板的破坏，基于障碍Lyapunov函数提出一种全状态约束控制策略，且结合RBF神经网络对不确定系统进行拟合，实现对卫星与清洁装置位姿的高精度控制。最后通过Lyapunov定理证明了系统状态的收敛性，利用仿真分析验证了所提控制策略的有效性；结果表明清洁装置的输出力控制精度优于0.5N，卫星与清洁装置的位姿控制精度优于0.1o、10-3m。

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挠性航天器姿态动力学数据驱动辨识与控制

陈竑宇, 陈提

挠性航天器的姿态机动与挠性部件的振动存在强耦合，这导致系统表现出明显的非线性特征，其动力学行为控制是非常具有挑战的问题。本文针对挠性航天器的姿态控制问题，提出了一种基于Koopman算子理论和非线性系统稀疏性辨识算法（SINDY）的SO(3)上挠性航天器姿态动力学数据驱动辨识与全局线性化方法。根据SO(3)上挠性航天器姿态的动力学特点，设计了一组包含姿态动力学状态的观测函数，用于提升空间上挠性航天器姿态动力学的广义线性模型稀疏性辨识。在小角速度假设下，通过去除广义线性模型中的高阶项来得到全局线性化的有限维Koopman稀疏模型。通过仿真验证了广义线性SINDY模型与Koopman线性化模型的预测能力，并基于线性最优控制算法，提出了一种挠性航天器的姿态控制控制与振动抑制算法，将所提出的控制器与经典非线性最优控制方法进行对比，验证了其优势。

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考虑几何尺寸影响的RPV钢韧脆转变实验研究

巫元俊, 徐习凯, 包陈, 蔡力勋

反应堆压力容器（Reactor Pressure Vessel，RPV）是核电站的一道重要的安全屏障，而RPV钢在韧脆转变区内的断裂韧性变化是核电站安全评估中的重要考虑因素。采用不同尺寸的SEB（Single Edge-notched Bending）试样及CT（Compact Tension）试样完成了SA-508钢在常温至-100℃的温度范围内的断裂韧性试验，基于主曲线法研究了SA-508钢在韧脆转变区内的断裂韧性变化规律，通过断口微观形貌分析研究了其破坏特征。研究表明，试样构形和几何尺寸对RPV钢的韧脆转变行为有显著影响。主曲线法用于标准厚度试样的韧脆转变温度预测具有良好的精度，但其预测的小尺寸试样的韧脆转变温度与实际韧脆转变温度区间相差较大。随着温度的降低，大、小尺寸试样的启裂点位置均不断靠近裂纹尖端且与试样断裂韧性呈非线性关系。

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航空非正交偏置面齿轮分汇流系统非线性动力学

莫帅, 黄祖瑞, 刘翊恒, 张伟

在面齿轮传动系统研究领域，其研究对象多为单级面齿轮副，而针对面齿轮分汇流传动系统动态特性的研究内容相对较少。聚焦航空非正交偏置面齿轮分汇流系统的非线性动力学特性，建立轴承滚动体变形、齿侧间隙以及综合传递误差的数学模型，推导出包含轴承在内的非正交偏置面齿轮传动多自由度耦合弯扭组合动力学模型。利用数值方法求解航空非正交偏置面齿轮分汇流系统的振动微分方程，结合时域图、频域图、相图、Poincaré映射以及分岔图研究复杂系统非线性动力学行为。分别研究了激励频率和啮合阻尼比变化对分流级与汇流级齿轮副之间啮合线位移的影响。研究结果表明：系统在不同激励频率和啮合阻尼比条件下表现出单周期、多周期以及混沌等丰富的非线性行为，分流级与汇流级齿轮副啮合线位移有不同的动态特性，合理的激励频率和啮合阻尼比能使得系统跳出混沌并保持稳定。

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TMP折纸防护的双稳态软体机器人

刘杰, 李志勇, 何俊峰, 文桂林, 王洪鑫, 田阳

软体机器人在复杂非结构化环境探索搜救等方面展现出了良好的应用潜力, 但仍存在运动速度较慢、软体结构易受损等问题亟需解决. 基于此, 提出了一种Tachi-Miura Polyhedron (TMP)折纸防护的双稳态软体机器人. 软体脊柱、拉簧和TMP折纸外壳组成双稳态系统, 由气压驱动突破双稳态系统的两个能量壁垒, 实现双稳态之间的切换, 并通过快速储存和释放能量驱动软体机器人快速运动. TMP折纸作为软体机器人的外壳, 可为其提供防护, 预防外界坚硬锋利介质刺破软体脊柱; 此外, 其在运动过程中的应变能对软体机器人的双稳态能量势阱具有较大贡献. 结合材料拉伸实验和商用软件中的本构参数拟合法, 确定了软体脊柱材料本构模型参数. 探究了软体脊柱弯曲角度与驱动气压之间的量化关系, 并提出了基于分段常曲率法的软体机器人运动学建模方法. 开展了系列实验测试, 发现所提软体机器人通过图钉模拟的极端环境时仍能正常运动, 在平地上平均速度达到1.81 BL/s, 其质量−运动速度关系图位于软体机器人和刚性机器人的交叉区域, 属于刚−软耦合机器人. 此外, 证实了所提软体机器人在石子路、泥泞地、浅水沟、浅草地和深水池复杂非结构化环境快速运动能力.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-250

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鳗鲡科鱼类变刚度特性对推进性能影响研究

张旭尧, 崔祚, 尹存宏, 程安楠

生物学研究表明, 波动推进鱼类的鱼体刚度对其推进性能有着重要影响, 通过改变鱼体刚度可获得优异的游动特性, 但鱼类肌肉驱动模式与鱼体刚度和游动性能的关系尚不清晰. 鉴于此, 本文以鳗鲡科鱼类作为研究对象, 基于粘弹性梁理论和Taylor流体理论, 建立由生物学钙离子肌肉驱动的鳗鲡科鱼类游动模型, 研究肌肉驱动和鱼体刚度变化对推进性能的影响. 结果表明, 肌肉驱动力随刚度增加呈先快速增加后缓慢下降的变化趋势, 而随着肌肉驱动力增加, 鱼体游动速度随刚度增加而增加并逐渐趋于稳定. 当肌肉驱动频率由1Hz增加到2Hz时, 游动速度和启动加速度可分别提升55%和129%, 可见增大鱼体刚度可显著提升推进性能. 为了验证上述结论, 设计了基于串并联结构的变刚度实验平台, 实验表明鱼体的变刚度特性能显著提升推进性能. 当舵机驱动频率由1 Hz增加到2 Hz时, 通过统一变化弹簧刚度大小推力可提升2.5倍. 上述研究结果可为改变鱼体刚度提升游动性能提供参数设计指导, 为研制变刚度仿生机器鱼提供了理论依据.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-239

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基于等值面体的三维涡旋数量与形状特征研究

陈槐, 张磊, 王乃茹, 朱立俊

涡旋是紊流的基本结构, 被誉为流体运动的肌腱, 涡旋研究对自然探索和工程应用有重要的意义. 基于直接数值模拟的槽道紊流数据与旋转强度涡旋识别方法, 以涡旋三维结构等值面体(以三角网格为单位)为研究对象, 通过设置三角形切面, 利用两三角形相交快速检测算法提取涡旋多边形, 研究不同等值面体阈值及壁面距离条件下, 涡旋数量与形状特征(圆度、半径、凸状及纵横比因子)的变化规律. 以对数区内涡旋为例: 随着阈值的增加, 涡旋密度呈对数律快速递减, 圆度与半径因子PDF变高耸, 圆度均值快速递增后保持不变而半径均值不断递减, 纵横比因子PDF未显著改变且均值基本不变, 凸状因子PDF向脉冲函数靠近, 说明阈值增大导致涡旋逐渐变少、变圆、变小并更饱满. 在同一阈值下, 随着壁面距离的增加, 涡旋密度在外区(除靠近水面区域外)也呈对数律递减, 圆度、纵横比及凸状因子先快速增加随后不变或缓慢增长, 半径因子快速递减后保持不变, 说明涡旋在远离壁面的过程中在不断破灭但形态却较为稳定.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-297

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面向发动机再生冷却的流热耦合拓扑优化

李新磊, 吴坤, 赵林英, 范学军

本文针对发动机再生冷却结构，开展了考虑变物性的流热耦合拓扑优化设计。首先建立了流热耦合拓扑优化模型，基于连续伴随法对考虑变物性的伴随方程和灵敏度进行了推导，并利用开源计算平台OpenFOAM构建了拓扑优化求解器，耦合了滤波和投影等技术以缓解可能出现的数值问题，结合建表-插值法对物性进行高效计算。随后对流热耦合结构进行拓扑优化设计，结果表明：随着能量耗散约束值的增大，通道的拓扑结构愈加复杂，冷却通道内的流动分离和再混合现象更加显著。通过提取五种拓扑优化构型（Case 1~5），对三维拓扑优化结构的流动换热特性进行了数值模拟分析，发现冷却剂的流动分离和再混合诱导产生复杂的二次涡结构，有助于激发湍动能，增强通道的局部换热性能。最终Case 3~5中的拓扑优化构型相较于传统构型均起到了强化换热效果，平均努塞尔数增益百分比分别为12.6%、16.0%和23.4%。

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基于物理信息神经网络的薄壁结构屈曲分析

冯唐思捷, 梁伟

本文基于物理信息神经网络(PINN)建立了一种求解薄壁结构屈曲非线性控制方程组的方法。薄壁结构的非线性控制方程可由挠度和应力函数表示成复杂的四阶非线性偏微分方程组，使用物理信息神经网络(PINN)解法可以克服传统数值方法对求解域网格的依赖性。文中建立的神经网络模型根据基于加权的均方误差的损失函数更新网络参数，并用弧长法迭代的思想进行外层迭代控制。将弧长法，硬边界条件，基于预训练的权重调整策略，以及自适应激活函数策略融合进网络优化的过程中使得PINN能够求解线性与非线性屈曲问题。本文对两种典型的薄壁结构进行了屈曲模态和带有缺陷的非线性后屈曲问题求解，并将神经网络获得的解和有限元结果进行了对比。结果分析表明，该神经网络方法能够对薄壁结构的屈曲问题进行有效分析。该方法虽较成熟的有限元解法收敛速度较慢，但不需要对求解域进行人为的前处理，有一定工程应用可行性。

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颗粒间碰撞对槽道湍流中颗粒聚集效应的影响研究

崔元凯, 张欢

颗粒两相湍流广泛存在于自然现象和工业流动中，与人们的生活和生产活动息息相关。通常情况下，当颗粒的体积分数小于$O(10^{-4})$时，颗粒间的碰撞效应被忽略。一些研究发现在颗粒两相壁湍流中，即使在低体积分数情况下，由于湍泳和倾向性聚集会导致颗粒局部浓度较高，颗粒间的碰撞频繁发生。然而，已有结果大多针对均匀各向同性湍流或采用大涡模拟的研究手段，尚缺少关于颗粒两相槽道湍流的直接数值模拟研究，颗粒间碰撞对颗粒聚集程度和形态影响的定量规律仍不清楚。在本文中，我们基于欧拉-拉格朗日点颗粒框架，在摩擦雷诺数为$Re_\tau=180$的条件下，采用直接数值模拟探讨了有/无颗粒间碰撞时水平槽道湍流中双分散颗粒聚集模式的差异。算例的颗粒平均质量分数为$\overline{\phi_m} \sim O(1)$，因此模型中还考虑了颗粒对流场的反馈作用。我们发现，颗粒间碰撞驱使近壁颗粒向槽道中心迁移，导致颗粒平均浓度的壁法向廓线变得十分平坦，抑制了壁湍流中颗粒的湍泳现象。同时，颗粒间碰撞导致颗粒在与壁面平行的水平薄层内更加均匀地分布。特别是在粘性底层内，各向异性的颗粒条带结构完全消失。这些结果表明，颗粒间碰撞显著抑制了水平槽道湍流中颗粒的湍泳和近壁区的倾向性聚集现象。

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非线性振动能量采集器数据驱动建模应用

邱宏蕴, 王志霞, 丁北, 王炜

随着工程研究对象日益复杂化、系统化，单纯依赖先验知识的力学建模手段难以满足日渐复杂的系统建模需求。相比而言，数据驱动通过大数据处理方法得到准确反映系统当前运动状态的数学模型，体现了数据科学融入基础与应用科学领域的发展趋势。特别是稀疏筛选辨识算法(SINDy)的出现，解决了直接构建非线性数学模型的难点问题，实现了由实验数据到非线性控制方程的直接过渡。然而，受制于噪声数据的影响显著以及奇异矩阵难以准确分析等因素，SINDy在实际应用中的可靠性仍有待加强。有鉴于此，本文在已有SINDy算法基础上提出增强型稀疏筛选辨识算法(ESINDy)，改进了数据滤波模块以强化其对于含噪信号的处理能力，并且改变了原有算法的循环函数体，以提高其对于奇异问题的识别能力，使之更适于分析工程信号中常见的强噪声、高奇异性等问题。作为应用，研究了一类双层薄膜结构电磁式振动能量采集器(EMH)，利用理论建模与ESINDy方法相结合的手段建立了采集器动力学方程，并通过实验和仿真对理论结果进行验证。结果表明：相比于SINDy算法，ESINDy算法能够更加准确地识别该动力学系统的信息，刻画系统蕴含的复杂振动行为。理论、实验和仿真结果较好的一致性体现了改进算法对于提高实际非线性系统识别精度的有效性，强化了数据驱动建模方法的工程应用价值，为实际工程问题中的信号处理提供了一种可行的分析方法。

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轨道车辆垂向轮轨力时域识别对比及其机器学习修正

朱涛, 吴佳欣, 王小瑞, 肖守讷, 阳光武, 杨冰

为了尽可能减小轨道车辆垂向轮轨力时域识别中存在的误差，以时域法为基础，开展了基于机器学习修正的轨道车辆垂向轮轨力识别研究。首先建立了车辆动力学仿真模型，获取了车辆在随机轨道激励下以250km/h速度行驶时的轴箱加速度响应和垂向轮轨力；其次，建立了Green函数法、状态空间法这2种时域动载荷识别方法，对方法的初值误差进行了分析，进而对比分析了2种方法的计算精度和计算效率；然后，针对时域法存在的识别误差，提出采用NARX模型（nonlinear autoregressive models with exogenous inputs）对识别误差进行训练和预测，用于消减模型中存在的如响应观测不全、观测噪声等因素造成的影响，进而对时域法识别结果进行修正，提高识别精度；最后，通过一个10自由度轨道车辆垂向动力学模型，对方法的正确性进行了验证。研究结果表明：2种方法对轨道车辆垂向轮轨力均具有较高的识别精度，对于各轮对的识别精度各有优劣；在计算效率方面，状态空间法比Green函数法更优；经NARX模型修正的2种时域法对轨道车辆垂向轮轨力均具有很好的识别效果，识别值与正演值的Pearson相关系数大于0.99，为极强相关。基于NARX模型的机器学习误差修正方法可有效提高时域识别精度，可以为后续轨道车辆轮轨力预测提供参考，具有较强的工程运用价值。

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面向空间运输任务的液体/固体工质电推进技术展望

于达仁, 汤尧, 刘辉

随着月球基地、同步轨道大型空间平台等航天任务的提出，高载荷比空间运输成为其中的一个重要需求，高比冲长寿命的电推进技术成为空间推进的首选。目前广泛应用的空间电推进主流技术是采用稀有气体氙为工质的离子推进、霍尔推进，但随着电推进产品应用量的日益增加，氙工质的资源稀有性导致其价格日益飞涨，推进剂成本成为制约其在大总冲的空间运输中使用的不可逾越的难题；另外气体储存需要高压储箱，也导致大总冲任务的推进剂高压储存供给设备重量占比很大，拉低了推进系统的有效比冲。本文回顾了各类电推进工质优化选择的历史过程，结合几类主流电推进的物理特点，面向空间运输任务论述了采取新型液体或固体工质作为电推进工质的合理性和可行性，以期大幅度降低电推进的工质储存代价和工质成本，为远距离高载荷比空间运输提供空间动力新方案。

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旋转滑动弧等离子体对稀燃旋流火焰影响的实验研究

王金华, 琚荣源, 蔡骁, 张玮杰, Zuohua Huang (黄佐华)

等离子体助燃技术被认为是非常有前景的燃烧调控技术，具备显著增强极端条件下的点火和火焰稳定燃烧性能的潜力。滑动弧放电等离子体具有能量强、电弧作用范围广等优点，本文实验研究了三维旋转滑动弧放电等离子体对稀燃预混钝体旋流火焰的影响规律。研究了等离子体的特性，包括电学特性、运动特性、光学特性以及温升效应。利用OH-PLIF得到了旋流火焰结构以及火焰结构转变过程，最后利用气体排放仪(FTIR)测量了旋流火焰污染物NOx的排放。结果表明旋转滑动弧放电能够提高火焰稳定性并且有效拓展吹熄极限，这主要归因其热效应，旋转滑动弧放电可以作为点火源和火焰稳定器，能够点燃混合气并且形成外回流区火焰，使得火焰根部更加稳定，并且能够产生大量的活性自由基，促进了火焰化学反应。对于旋转滑动弧放电等离子体对旋流火焰污染物排放的影响，研究发现等离子体放电能够增加NOx排放，NO的形成来源于等离子体放电，燃料的加入使得NO的含量低于空气中放电时NO的含量。旋转滑动弧放电导致NO的排放最少增加65%，且NO的排放随着当量比降低而降低。

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大面积矩形感性耦合等离子体源的三维流体力学模拟

赵明亮, 张钰如, 高飞, 宋远红, You-Nian Wang

本文利用自主开发的三维流体力学模拟程序，对大面积矩形感性耦合氩等离子体源进行了数值模拟。研究结果表明，当气压较低时，电子密度的空间分布比较均匀，且最大值出现在腔室的中心区域。随着功率的增加，电子密度显著提高，但空间分布变化不大。随着放电气压的升高，电子密度的均匀性明显下降，即电子密度的最大值主要局域在线圈下方。此外，本文还研究了不同的线圈结构对于等离子体均匀性的影响。结果表明当气压较高（20 mTorr）时，使用3×3阵列线圈产生的等离子体的均匀性优于盘香型线圈，即通过改变线圈结构可以实现对等离子体均匀性的调控。本文的研究成果有助于加深对大面积矩形感性耦合等离子体放电特性的认知，这对于优化平板显示工艺以及光伏工艺至关重要。

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载荷方向不确定条件下结构动态稳健性拓扑优化设计

杜鼎新, 王栋

采用一种高效的方法开展了在外载荷作用方向不确定条件下, 连续体结构动态稳健性拓扑优化设计研究, 有效降低了结构的稳态动响应对简谐激励作用方向随机扰动的敏感性. 首先基于概率模型, 将动载荷作用方向的不确定性用正态分布函数表示. 其次通过二阶泰勒展开式, 高效地计算出在激励方向扰动情形下结构动柔顺度的均值和方差, 进而推导出了其对拓扑设计变量的一阶导数灵敏度显性表达式. 最后在材料体积约束下, 以动柔顺度概率特征指标的加权和为设计目标, 基于变密度方法, 对连续体结构进行动态稳健性拓扑优化设计, 并与传统载荷方向固定条件下的确定性优化结果进行对比, 充分展示了考虑外激励作用方向随机扰动对结构拓扑构型设计及其动柔顺度变化的影响. 对优化数值结果进一步分析表明, 采用文章提出的方法所得结构的动响应稳健性更高, 能有效抵抗外激励作用方向的随机扰动. 只需少许增加材料, 稳健性优化设计的动响应将在整个载荷扰动区域内优于确定性优化结果.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-288

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基于格子玻尔兹曼方法的局部网格加密算法——粗细网格间的数据转换

刘春友, 李作旭, 王连平

格子Boltzmann方法作为一种高效的介观计算流体力学方法在过去二十多年里得到快速发展，其相对较高的计算效率和灵活性使其可以适用于各种复杂流动的模拟。然而标准的格子Boltzmann方法只能使用均匀的直角网格，这种网格排布方式并不利于复杂流动的计算。为此，基于格子Boltzmann方法的局部网格加密算法在文献中被提出。该算法需要在局部加密的界面处将粗细网格间的分布函数转换后交换。目前分布函数的转换方式大多是在没有源项的情况下推导的，而且现存考虑源项时转换公式的推导也都是基于Chapman-Enskog展开；其推导过程相对复杂，且需要对分布函数的非平衡态部分做一阶Chapman-Enskog近似，这有可能会限制局部网格加密算法在高阶格子Boltzmann方法中的应用。本文在忽略时空离散误差的前提下，以保证连续分布函数变量以及物理松弛系数一致为基础，构建了一套规范且简洁的粗细网格间在考虑任意源项时，分布函数转换关系的推导过程，该方法不依赖于Chapman-Enskog展开以及Chapman-Enskog近似，且该方法既可以适用于单松弛碰撞模型也可以适用于多松弛碰撞模型。此外，本文还从理论上证明了，保证粗细网格间非平衡态部分的一阶 Chapman-Enskog 近似一致，便可以保证整个非平衡态部分的一致，这将有助于扩展局部网格加密算法中转换关系的应用范围。最后，通过对强迫泰勒-格林涡流动、平板泊肃叶流中对流-扩散问题和顶盖驱动方腔流动进行数值模拟，良好的数值结果证实了转换关系对复杂源项的适应性以及局部网格加密技术在处理复杂流动问题方面的优势。同时，通过对一维剪切波问题的模拟，发现由局部网格加密引起的数值粘性与加密区域的选取有很大的关系。

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双层多孔板结构相变发汗冷却的数值模拟研究

刘韬略, 吕玉妹, 栾芸, 贺菲, 王建华

针对相变发汗冷却，提出不同孔隙率组合的双层多孔板结构代替传统的单层多孔板。以液态水作为冷却剂，使用修正后的两相混合流模型研究多孔板内流-固耦合传热和流动特性。数值模拟结果表明存在可以降低结构表面温度的双层多孔板设计，并且在冷却剂流量较大时该新型结构相较于传统结构表面温度的降低将更为明显。与此同时，研究发现冷却剂的注射压力取决于上层板孔隙率，基于多孔介质内的渗流特性，采用孔隙率较大的上层板还可以大幅度降低冷却剂的注射压力，最大降幅可达65%。相反的孔隙率设计则会数倍提高注射压力，不利于相变发汗冷却的实际应用

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空气-悬浮液驱替条件下颗粒边壁滞留研究

李东奇, 杨志兵, 张乐, 胡冉, 陈益峰

研究气-液-颗粒多相流动过程中颗粒的边壁滞留行为对多孔介质堵塞控制、污染物运移与修复、材料表面改性等应用具有重要意义。为探究颗粒滞留机理，本文首先基于自主研发的多相流可视化实验装置，在Hele-Shaw模型中开展了不同流量和板间距条件下空气驱替颗粒悬浮液实验，并定义了滞留系数来对颗粒滞留进行定量评价，发现了驱替过程中颗粒的不同滞留模式。在实验的基础上，基于液膜理论和气-液界面处流场特征分析，提出了以毛细数和间距粒径比为控制参数的颗粒滞留判别准则，并与实验结果进行了对比验证。结果表明：驱替过程中颗粒滞留存在无滞留、成簇滞留及均匀分散滞留三种模式；流量越大、板间距越大，颗粒越易发生滞留；随着流量的增加，颗粒滞留模式由团簇滞留向均匀分散滞留转变。本文提出的判别准则预测了颗粒滞留的发生及滞留模式的转变，揭示了受毛细数和间距粒径比控制的颗粒滞留机制。

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