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平面激波冲击并排液滴的三维数值模拟研究
吴润龙, 李祝军, 丁航
本文采用三维守恒清晰界面数值方法数值研究了平面激波冲击下并排液滴的动力学过程,重点关注激波接触液滴后的复杂波系结构生成,以及并排液滴相互耦合作用诱导的单个液滴非对称界面演化。首先,分析了并排液滴之间通道内的波系结构发展,发现在冲击初期由于反射激波相交形成了新的反射激波以及马赫杆;这与液滴非通道侧反射激波形成的弯曲波阵面截然不同,所导致的液滴两侧流场差异是液滴中后期界面两侧非对称演化的主要原因。其次,研究了冲击中期入射激波已远离并排液滴时的界面形态演化过程和规律,揭示了通道下游出口处气流膨胀导致的界面闭合和气流阻塞导致的界面破碎等新的流动现象。最后,研究了并排液滴间距对液滴相互作用的影响,发现液滴间距大小对通道内压力峰值的出现影响显著。更小液滴间距不仅带来更大压力峰值,也使得峰值出现的时间液更早。
多层平行裂隙型多孔介质通道内流体流动传热特性
李琪, 王兆宇, 胡鹏飞
基于Brinkman-extended Darcy模型和局部热平衡模型, 对多层平行裂隙型多孔介质通道内的流动传热特性进行研究. 获得了多层平行裂隙型多孔介质通道内各区域的速度场、温度场、摩擦系数及努塞尔数解析解, 并分析了裂隙层数、达西数、空心率、有效热导率之比等对通道内流动传热特性的影响. 结果表明: 达西数较小时, 通道多孔介质层内会出现不随高度变化的达西速度, 此达西速度会随裂隙层数的增加而增大, 但却不受各裂隙层下多孔介质层位置变化的影响. 增加裂隙层数会减弱空心率对压降的影响, 会使通道内流体压降升高, 但升高程度会逐渐降低. 增大热导率之比或减小空心率会使多裂隙通道内出现阶梯式温度分布, 而在较小热导率之比或较大空心率时多裂隙情况下的温度分布曲线会趋于一致. 此外, 当热导率之比较小时, 多层裂隙通道内的传热效果在任何空心率下都要优于单裂隙情况, 当热导率之比较大时, 存在临界空心率使各裂隙层数通道内的传热效果相同, 且多裂隙通道内继续增加裂隙层数对传热强度影响不大.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-285
弯曲波彩虹捕获效应及其在能量俘获中的应用
王芳隆, 沈一舟, 徐艳龙, 周生喜, 杨智春
弹性波在色散关系经过设计的梯度结构中传播时会产生空间分频现象和波场能量增强现象, 即不同频率的弹性波会在结构的不同位置停止向前传播并发生能量聚集, 这就是弹性波彩虹捕获效应. 其相关研究成果可以促进结构健康监测、振动控制以及能量俘获等领域的发展. 本文通过所设计的梯度结构梁, 系统地研究了弯曲波彩虹捕获效应及其在压电能量俘获中的应用. 首先, 利用传递矩阵法获得了梯度结构梁元胞能带结构的解析解, 进而分析了弯曲波彩虹捕获效应的产生机理: 不同频率的弯曲波会在不同元胞附近群速度减小到零, 从而停止向前传播并发生反射; 入射波和反射波的叠加, 以及群速度减小带来的能量聚集, 会显著增强反射处的波场能量. 其次, 通过有限元仿真和实验验证了弯曲波彩虹捕获效应的空间分频现象和波场能量增强现象. 最后, 通过有限元多物理场耦合仿真和实验, 研究了粘贴PVDF压电薄膜的梯度结构梁相对于均匀梁的弯曲波能量俘获效果及其随入射波频率的变化规律. 结果表明, 在弯曲波彩虹捕获效应发生频带内, 粘贴在梯度结构梁上的PVDF压电薄膜的输出电压约为粘贴在均匀梁相应位置处的PVDF压电薄膜的输出电压的2倍.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-107
折纸超材料折展稳态特性研究
王海瑞, 申薛靖, 王宙恒, 贾璐, 李传檑, 朱龙基, 赵丹阳
可折展折纸超材料可通过自身内部微结构连续变形来调控宏观变形, 使其泊松比、刚度、模量等力学性能发生转变. 本研究针对新型折纸超材料稳态机理不清晰的问题, 采用扭转弹簧等效法和能量原理, 对折纸超材料在复杂内部构型及折展运动协同作用下的力学行为进行了理论研究, 建立了超材料构型在折展变形过程中的力学模型, 分析了构型几何参数对折展外载荷的影响规律. 通过参数分析发现, 该折纸超材料的外载荷在展开过程中呈现出单调性, 不具有稳态特性. 外载荷在折叠过程中可呈现出单调性、单稳态和双稳态等多种情况, 不同稳态之间的调控与边长比pq、内角α、折展角$ \theta $和间距尺寸比r等构型参数密切相关, 从而揭示了折纸超材料稳态特性的转变机理. 本研究对于提高折纸超材料的构型设计及其性能调控具有重要的理论指导意义.
, doi: 10.6052/0459-1879-22-356
准周期响应对称破缺分岔点的一种快速计算方法
龚冰清, 郑泽昌, 陈衍茂, 刘济科
稳态响应如周期及准周期解的分岔计算,是非线性动力学研究的难点问题之一。与理论相对完善的周期解相比,准周期响应求解只是在近些年才得到较大进展的,其分岔分析仍需要更有效的方法。为此,本文将基于增量谐波平衡(IHB)法,提出了一种快速方法、计算准周期响应的对称破缺分岔点。在准周期解的广义谐波级数表达基础上,当发生对称破缺分岔时、其偶次(包括零次)谐波系数将逐渐由0变为小量。基于此性质,将零次谐波系数设定为小量,并将分岔控制参数视为迭代变量,通过IHB法构造迭代格式。作为算例,研究了不可约频率作用下的双频激励Duffing系统。结果表明,当迭代格式收敛时,随着预设小量减小和谐波项数增加,控制参数将逐渐接近分岔值,进而准确快速地确定对称破缺分岔点。
垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究
高鹏骋, 刘冠杉, 黄桥高, 潘光, 马云龙
为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,本文根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼模型,设置了四种间距排布即0.25,0.5,0.75,1倍体厚排布以及九种攻角状态即-8°-8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析。数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°-8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力。单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益。当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响。下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小。
曲壁蜂窝夹层悬臂板的振动特性研究
薛潇, 张君华, 孙莹, 权铁汉
蜂窝结构作为一种多孔材料具有轻质、高强度、高刚度的优点,兼具隔声降噪、隔热等优良性能,被广泛应用于交通运输、航空航天等领域。针对传统正六边形直壁蜂窝在受力后容易出现应力集中的问题,本文设计了一种以圆弧曲壁蜂窝作为芯层的蜂窝夹层板,基于单位载荷法推导了蜂窝芯的等效参数,建立曲壁蜂窝夹层板的动力学模型,利用Chebyshev-Ritz方法求解悬臂边界下蜂窝夹层板的固有频率,并用有限元方法进行对比验证,发现前5阶固有频率的误差均在5%以内。通过3D打印制备了曲壁蜂窝夹层板,进行了正弦扫频试验、定频谐波驻留试验和冲击试验。3D打印模型试验与理论模型和有限元模型的计算结果三者一致,试验发现曲壁蜂窝芯具有一定的抗冲击性能。研究结果将为曲壁蜂窝在振动和隔振方面的应用提供理论支持。
近壁面圆柱绕流中尾流结构演化特性的实验研究
邱翔, 吴昊东, 陶亦舟, 李家骅, 周建康, 刘宇陆
采用粒子图像测速技术对近壁面圆柱绕流流场进行了实验测量,重点研究了三种不同间隙比(G/D=0.5、G/D=1.0、G/D=1.5)时不同雷诺数(Re=1500~5540)下近壁面圆柱绕流尾流结构的演化特性。实验结果表明:G/D=0.5时,随着雷诺数的增加,间隙流的偏转减小,圆柱后方回流区逐渐对称且尺寸减小,壁面上分离泡的尺寸也逐渐减小,同时存在雷诺数Ret位于Re=3000~3200之间,使圆柱尾流和间隙流呈现不同的分布特性。在Re=1500时,圆柱的涡脱落频率随着间隙比的减小而增大,当Re≥3000时,随着间隙比减小,圆柱涡脱落频率在小范围内(0.185≤St≤0.227)先增大后减小。雷诺数显著影响近壁面圆柱绕流涡结构的演化,小间隙比受雷诺数的影响较大,G/D=0.5,在雷诺数Re=1500时,二次涡会和圆柱上尾涡发生涡合并现象,雷诺数增大到5540时,二次涡不会和上尾涡合并,而是直接与下尾涡相互作用;G/D=1.0和G/D=1.5时,随着雷诺数的增大,二次涡的含能逐渐减小。