力学学报

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王粤, 汪运鹏, 薛晓鹏, 姜宗林

两级入轨(Two Stage To Orbit, TSTO)飞行器在高超声速来流条件下级间分离, 会在两级之间产生复杂的非定常气动干扰, 直接增加TSTO级间分离失败风险. 级间分离过程中的这种复杂气动干扰伴随着两级之间的激波与边界层干扰、马蹄涡、激波与尾流干扰的综合作用. 本研究将TSTO助推级和轨道级的复杂模型简化为两个三维楔, 采用重叠动网格技术, 耦合求解流动控制方程及六自由度刚体动力学方程组对级间分离过程开展模拟分析, 探究级间分离流动特性及其物理机制. 在数值分析过程中, 针对不同抬升角度下的TSTO三维流场进行了CFD(computational fluid dynamics)静态和动态数值模拟, 给出了不同抬升角度下的干扰流场流动规律和特性, 结合流场结构和壁面压力分布以及分离流动模式阐明了两级之间这种气动干扰对TSTO气动分离的影响机制, 并探讨了轨道级抬升角对TSTO安全分离的影响. 结果表明两级间的气动干扰强度随着轨道级抬升角的增大而增强, 并且在动态分离过程中随着两级间隙的增加而减弱; 在轨道级释放前两级间气动干扰和三维分离拓扑结构随着抬升角的增大变得更加复杂, 流动分离区域增大, 临界点数量增加; 在级间分离过程中, 两级气动特性变化幅度随着轨道级抬升角增大而增大, 分离时间则随之减小. 另外, 当轨道级抬升角度在6 ~ 8°时可实现该TSTO更加安全可靠的分离.

, doi: 10.6052/0459-1879-21-423

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基于径向基点插值法的旋转Mindlin板高次刚柔耦合动力学模型

杜超凡, 郑燕龙, 章定国, 周晓婷

将无网格径向基点插值法(Radial point interpolation method, RPIM)用于中心刚体-旋转柔性板的动力学分析。基于浮动坐标系方法和一阶剪切变形理论即Mindlin板理论，考虑剪切变形的影响，并计入板面内变形的非线性耦合变形项，采用径向基点插值法描述板的变形场，保留动能中有关非线性耦合变形项的所有高阶量，通过构造高阶形函数避免了径向基点插值法出现剪切闭锁的现象，建立了既能处理薄板问题又能处理中厚板问题的作大范围运动矩形板的高次刚-柔耦合动力学模型。高阶形函数可通过添加高阶多项式的方式获得，静力学算例表明径向基点插值法中添加15项多项式可基本消除剪切闭锁。将零次近似模型、一次近似模型和高次模型的仿真结果对比，说明零次近似模型的缺陷，同时说明高次模型有更广的适用范围，可分析大变形问题。将径向基点插值法的仿真结果与有限元法和假设模态法进行比较分析，说明本文方法的正确性，也表明无网格径向基点插值法作为一种柔性体离散方法在刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性。

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飞行Ma12条件超燃发动机流场及燃烧特征分析

何粲, 邢建文, 欧阳浩, 邓维鑫, 肖

为提升针对高马赫数发动机的模拟能力，对计算方法进行了可压缩性修正，并针对飞行Ma12条件下超燃冲压发动机进行了多状态三维数值模拟，分析了发动机内波系、参数以及燃烧性能特征。研究结果表

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考虑时变刚度特性的复合材料微结构拓扑优化设计方法

徐世鹏, 丁晓红, 段朋云, 张横

理想的骨折内固定植入物在组织愈合或修复的过程中，其结构性能需要满足不同愈合阶段对生物力学的需求。提出一种对生物可降解复合材料微结构的时变刚度特性进行调控设计的拓扑优化方法，以达到理想的骨折内固定植入物特殊的时变刚度特性需求。使用具有不同降解速率和刚度的两种可降解材料，以相对密度作为设计变量来描述不同材料的分布，以特定降解时间步中间结构的刚度之和最大为优化目标，对复合材料微结构的构型进行拓扑优化设计，使其具有符合骨愈合规律的时变刚度特性。使用均匀腐蚀方法，利用与时间相关的材料残留率描述结构的降解过程，建立考虑时间维度材料降解的有限元模型，基于Heaviside函数和Kreisselmeier-Steinhauser函数建立降解更新的连续方程，利用均匀化方法得到不同降解时间步中间结构的力学性能，并计算优化目标对于设计变量的灵敏度。通过与仅使用单材料的结构和无时变刚度特性调控的拓扑优化结构进行对比，验证了所提出设计方法的有效性，并研究了不同参数对单胞优化构型和时变刚度特性的影响。

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竖直振动无粘液滴的法拉第不稳定性分析

刘德华, 黎一锴

由于外部周期性的振动而在液滴表面产生的Faraday不稳定效应广泛存在于超声雾化、喷涂加工等应用中，对Faraday不稳定性进行分析对研究振动液滴的表面动力学有着重要意义。本文将Faraday不稳定性问题从径向振动拓展到竖直振动，研究了竖直振动无粘液滴表面波的不稳定性。竖直方向的振动使得液滴动量方程为含有空间相关项和时间周期系数的Mathieu方程。采用Floquet理论进行求解，得到了竖直振动液滴表面波线性增长率与模态数以及流动参数之间的色散关系。通过求解一个关于表面变形模态的特征值问题，得到了竖直振动无粘液滴在Faraday不稳定性下的中性稳定边界，并比较了竖直振动与径向振动的液滴中性稳定边界的差异。通过大模态数假设下的近似计算，得到了仰角θ对中性不稳定边界的影响规律。结果表明竖直振动的液滴与径向振动相比，Faraday不稳定区域更小，激发的模态范围更窄，并且不会出现亚简谐的不稳定波。另外，对于竖直振动的液滴，仰角θ越大的位置，中性不稳定区域越小，在受到外部激励时液滴表面越容易保持稳定。

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基于移动可变形组件法(MMC)的运载火箭传力机架结构的轻量化设计

李佳霖, 赵剑, 孙直, 郭杏林, 郭旭

传力机架是运载火箭箭体与发动机连接的关键部件, 负责将发动机推力载荷有效的传递至箭体, 其结构的轻量化设计不仅可以保障火箭发动机的推重比、提高火箭的稳定性, 还可以为我国未来可重复使用式火箭的研究提供一定的参考. 本文在移动可变形组件(MMC)的框架下, 提出了一种解决传力机架结构轻量化设计的方法. 在该方法中, 机架结构的拓扑通过一组具有显式几何信息的组件来表示, 这使最终优化布局可以被少量的设计变量所描述. 通过分析传力机架结构设计的特点和要求, 以刚度最大化为目标, 体积分数(保证结构重量)为约束, 建立了基于MMC显式拓扑优化方法下的问题列式. 同时搭建了可对工程中传力机架结构轻量化设计的平台, 并进行相应结构的拓扑优化. 在两种载荷工况(即零位状态和摇摆状态)作用下, 最终优化结果在中间推力载荷区域与锥段相连位置之间, 形成的较大翼板结构增强了传力机架的抗弯能力. 通过与传统机架结构的对比, 证明了本文所提出方法在传力机架结构轻量化设计方面的有效性.

, doi: 10.6052/0459-1879-21-309

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机翼尺度效应对等离子体分离流动控制特性的影响

阳鹏宇, 张鑫, 赖庆仁, 车兵辉, 陈磊

等离子体流动控制技术是一种以等离子体气动激励为控制手段的主动流动控制技术. 为了进一步提高等离子体激励器可控机翼尺度, 以超临界机翼SC(2)-0714大迎角分离流为研究对象, 以对称布局介质阻挡放电等离子体为控制方式, 以测力、粒子图像测速仪为研究手段, 从等离子体激励器特性研究出发, 深入开展了机翼尺度效应对等离子体控制的影响研究, 提出了适用于分离流控制的能效比系数, 探索了分离流等离子体控制机理, 掌握了机翼尺度对分离流控制的影响规律. 结果表明: (1)随着机翼尺度的增大, 布置到机翼上的激励器电极长度会相应增加; 在本文的参数研究范围内, 激励器的平均消耗功率不会随电极长度的增加而线性增大; 当电极长度达到一定阈值时, 激励器的平均消耗功率趋于定值; (2)在固定雷诺数的情况下, 随着机翼尺度的增大, 等离子体的控制效果并未降低, 激励器能效比系数提高; (3)等离子体在主流区诱导的大尺度展向涡与在壁面附近产生的一系列拟序结构成为分离流控制的关键. 研究结果为实现真实飞机的等离子体分离流控制, 推动等离子体流动控制技术工程化应用提供了技术支撑.

, doi: 10.6052/0459-1879-21-379

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沉痛悼念我刊第3任主编郑哲敏先生

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基于高温气体效应的磁流体流动控制研究进展

罗凯, 汪球, 李逸翔, 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,可有效地改善高超声速飞行器气动特性,在飞行器气动力操控和热环境管理等方面均具有广阔的应用前景; 同时,超导材料及电磁技术的发展又重新推动了这一领域的研究热潮.虽然国内外在高超声速磁流体流动控制领域已开展了一些研究工作,但其实验研究依然极具挑战, 且由于实验条件及测量技术等限制,其压力、热流等参数的测量并没有得出较为系统的结论,因此需要对影响脱体激波距离、热流、压力变化的规律及机理进行深入研究; 同时,数值模拟方法和理论分析也亟待可靠的实验数据来对其进行验证.本综述调研和讨论了基于高温真实气体效应的磁流体流动控制技术研究,主要针对磁流体流动控制的试验技术、数值模拟、理论方法以及流动控制的主要研究方向等进行了总结,并对其发展趋势进行了讨论和展望.

2021, 53(6): 1515-1531. doi: 10.6052/0459-1879-21-067

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原子力显微镜在二维材料力学性能测试中的应用综述

高扬

以石墨稀为代表, 二维材料有着诸多优异的性质, 在下一代电子器件等领域拥有广阔的应用前景. 目前绝大多数关于二维材料的研究都集中在其电子学和光学的性质和应用, 对于其力学性质的研究则相对欠缺, 而力学性质在二维材料的研究和应用中都有着至关重要的意义. 原子力显微镜是低维材料力学性质表征的主要手段, 例如基于原子力显微镜的纳米压痕技术. 本文首先简要介绍了二维材料的基本背景以及原子力显微镜的工作原理. 进一步展示了纳米压痕技术的工作原理和理论背景, 并回顾了利用纳米压痕技术研究二维材料面内力学性质的相关实验和理论工作, 同时探讨了原子力显微镜在表征二维材料力学性能中存在的测量误差及来源. 由于二维材料展现出强烈的各向异性, 纳米压痕技术在能够很好地测量二维材料面内力学性质的同时, 对于二维材料层间力学性质表征等方面存在明显的局限性. 第三部分介绍了一种全新的基于原子力显微镜的埃(Å)压痕技术, 该技术能够将形变尺度控制在0.1 nm以内, 从而精确地表征和调控二维材料的层间范德华作用力, 即层间力学性质. 作者在第三部分介绍了通过埃压痕技术表征和调控的石墨烯、氧化石墨烯等二维材料的层间力学性质. 最后简要介绍了范德华异质结材料的基本性质, 探讨了埃压痕技术在该材料力学性质研究中的潜在应用.

2021, 53(4): 929-943. doi: 10.6052/0459-1879-20-354

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水中高压脉动气泡与浮体流固耦合特性研究

胡振宇, 曹卓尔, 李帅, 张阿漫

本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$\gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $\gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流($0.2\leqslant \gamma_{s} \leqslant 0.3)$、接触射流($0.4\leqslant \gamma_{s} \leqslant 0.6)$、非接触射流($0.7\leqslant \gamma _{s} \leqslant 1)$、对射流($1.1\leqslant \gamma_{s} \leqslant 1.3)$和反射流($1.4\leqslant \gamma_{s} \leqslant 2)$等5种典型射流模式; (2)正射流速度随$\gamma_{s} $先增大后减小再增大, 并且当$0.7\leqslant \gamma_{s} \leqslant 0.9$时, 速度可达约1000 m/s; 反射流速度随$\gamma_{s} $增大而增大; (3)在本文实验条件下, $\gamma_{s} <1.5$时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移; 当$\gamma_{s} \geqslant 1.5$时自由液面对气泡的排斥作用更强, 气泡在坍塌阶段远离自由液面.

2021, 53(4): 944-961. doi: 10.6052/0459-1879-20-357

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不同壁面取向下超疏水平面直轨道上的气泡滑移

叶煜航, 凃程旭, 包福兵, 汪钰锟, 杨森森

利用特定几何分布的超疏水表面实现气泡定向输运在矿物浮选和生物孵化等领域具有广阔的应用前景, 对平面直线超疏水轨道而言, 其壁面取向是相关工程结构的关键参数, 但超疏水壁面取向对倾斜壁面气泡滑移的影响尚不明确. 本文采用高速阴影成像系统研究了不同壁面取向($-90^\circ\leqslant \beta \leqslant 90^\circ$)及轨道倾角($45^\circ\leqslant \alpha \leqslant 75^\circ$)下, 气泡($D_{eq}=2.4$ mm, $Re=500$ $\sim$ 700, $We=7$ $\sim$ 13)在轨道宽度为2 mm的超疏水直线轨道上的运动特性. 气泡在轨道上的滑移近似为匀速, 形状为具有多脊的半子弹型. 根据气液界面波动程度的不同, 滑移气泡可分为波动型和稳定型, 稳定型气泡只在较小倾角且较大方位角时出现($45^\circ\leqslant \alpha < 70^\circ$, $| \beta | \geqslant 45^\circ$). 根据倾角不同, 滑移速度关于$\beta $有2种变化规律: 当$\alpha \leqslant 65^\circ$, 气泡滑移速度近似为关于$\beta =0^\circ$ 的单峰分布($\beta =0^\circ$时, 气泡滑移速度最大); 当$\alpha \geqslant 70^\circ$, 气泡滑移速度在不同的方位角下基本保持稳定. 气泡的最大滑移速度可达0.66 m/s ($\beta =0^\circ$, $\alpha =70^\circ$), 远大于相同尺度的自由上升气泡($\approx0.25$ m/s), 这主要是壁面浸润性分布和惯性力的耦合效应所致. 轨道取向(方位角$\beta )$及轨道倾角($\alpha )$通过改变气泡沿轨道方向的驱动力和气泡迎风面积影响气泡的滑移速度和气液界面稳定性.

2021, 53(4): 962-972. doi: 10.6052/0459-1879-20-405

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基于WENO-THINC/WLIC模型的水气二相流数值模拟

韦志龙, 蒋勤

水气二相流与诸多领域的实际工程问题密切相关. 对二相流运动进行高精度的数值模拟是计算流体力学研究的难点和热点. 针对开敞水域的自由表面流运动问题, 将水和空气均视为不可压缩流体, 采用五阶加权基本无震荡(weighted essentially non-oscillatory, WENO)格式求解描述流体运动的纳维斯托克斯(Navier-Stokes, NS)方程, 利用以加权线性界面算法改进的多维双曲正切函数界面捕捉法(tangent of hyperbola for interface capturing with weighed line interface calculation, THINC/WLIC)追踪水气界面, 建立WENO-THINC/WLIC水气二相流运动数值模型. 模型采用分步计算法离散求解控制方程, 通过压力投影法求解压强场, 并利用三阶总变差递减(total variation diminishing, TVD)龙格库塔(Runge-Kutta, RK)法对时间项进行离散求解. 通过对环境速度场下Zalesak's disk和shearing vortex界面运动问题, 线性液舱晃荡问题以及溃坝问题的模拟结果与理论分析或试验结果的比较, 对所建立的水气二相流数值模型的适用性及模拟精度进行了验证. 结果表明, 本模型的模拟结果与物理模型或理论分析结果吻合良好, 能较为准确地再现不可压缩水气二相流运动现象. 鉴于WENO格式和THINC法本身在算法及应用等方面仍在不断改进, 本研究提出的WENO-THINC耦合模型为后续更高精度的二相流计算模型开发提供了一种研究思路.

2021, 53(4): 973-985. doi: 10.6052/0459-1879-20-430

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