力学学报 -

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吕可, 邹佳俊, 陈颖, 颜帅, 李帅, 张阿漫

气泡广泛存在于自然界和工程应用中, 由于其往往不是孤立存在的, 在多气泡耦合作用下会出现更为复杂有趣的气泡动力学现象和射流行为. 近刚性边界水下脉动气泡在坍塌过程中会产生朝向结构的高速射流, 严重威胁结构的局部强度安全. 通过多气泡耦合作用能够调控气泡的坍塌模式、射流方向和砰击速度, 其中异相双气泡耦合作用下形成的射流增强效应有着广阔的应用前景. 本文联合气泡动力学理论和边界积分法, 建立了近刚性壁面异相双气泡非线性耦合数值模型, 能够准确模拟气泡的初生、膨胀、坍塌和射流等动力学行为, 并预报双气泡的耦合方式和坍塌模式, 数值计算结果很好地再现了实验中的气泡动力学行为, 验证了模型的有效性. 然后, 系统研究了较大参数空间内的双气泡耦合动力学行为, 着重分析了射流增强效应, 并借助压力场、速度场等信息揭示了其中的力学机理. 研究发现, 气泡延迟生成时间τ极大地影响了双气泡耦合射流增强程度, 近壁面气泡的射流砰击速度随τ的增大先增大再减小, 在τ = 2附近达到极大值, 并得到了有效的射流增强参数区间. 旨在为多发水下爆炸武器的攻击策略及其它多气泡相关领域提供理论支撑.

2023, 55(8): 1605-1617. doi: 10.6052/0459-1879-23-105

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法向磁场作用下槽道流内的精确相干态

董帅, 史晓梦, 王乐冰, 李森, 李顺治, 吴正人

层流−湍流转捩过程一直以来都是流体力学的研究热点, 精确相干态对于预测转捩路径和理解湍流自维持动力循环过程具有重要的意义. 为了研究法向磁场对槽道流转捩过程的影响, 文章利用直接数值模拟方法结合二分法, 在槽道泊肃叶流中寻找不同雷诺数和哈特曼数组合下的精确相干态−周期轨道解, 并对施加磁场前后精确相干态的结构与形态进行了对比分析. 结果发现, 在本文考虑的参数组合下, 精确相干结构在施加磁场前后并无明显变化, 均由位于通道中心的流向条带及其两侧的流向漩涡构成. 随雷诺数的增大, 精确相干态的轨道周期变长, 而扰动能振幅则减小. 当磁场强度增大时, 流场内各方向上的扰动能呈周期性振荡变化, 且流场内的相干结构向两侧的壁面迁移, 扰动速度振幅增大. 无磁场作用时, 精确相干态的扰动能正比于Re^−2.36, 且不同Re数下的均方根扰动速度分布具有相似性. 施加法向磁场后, 上述标度律不变, 均方根速度分布不再具有相似性, 精确相干态的扰动能随磁场强度增加而增大, 表明磁场对扰动具有一定的抑制作用, 从而使流场保持相对的稳定.

2023, 55(8): 1618-1626. doi: 10.6052/0459-1879-23-055

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竖直管道内闪蒸界面传播现象的数值研究

乐述文, 杜王芳, 李凯, 赵建福

闪蒸界面传播是一种特殊的闪蒸现象, 广泛存在于航天器真空环境下的排液过程中. 闪蒸界面传播规律的深入研究是完善闪蒸机制, 预测真空排液过程, 提升航天活动可控性、安全性的重要前提. 闪蒸界面传播现象研究目前主要依赖于实验观测, 缺乏适合的数值方法. 为了避免跨尺度模拟带来的庞大计算量, 文章对计算域进行分区, 在各分区内建立面密度模型, 实现了单一工况下的闪蒸界面传播二维数值模拟. 在此基础上, 还提出闪蒸界面面密度的气相Weber数修正模型. 该模型对不同温度压力条件下的界面微观形态特征进行代数表征, 从而令数值模拟能够计算预测不同温度和压力工况条件下的闪蒸界面传播表观速度. 最后, 模拟了相同出口压力、不同名义过热度条件下的闪蒸界面传播现象, 以及相同名义过热度、不同出口压力条件下的传播现象. 计算结果表明, 当出口压力恒定时, 闪蒸界面处的真实过热度以及界面传播表观速度都随名义过热度的增加而增加. 且在过热度较小时, 真实过热度以及名义过热度都与闪蒸界面传播表观速度之间近似呈线性关系. 当名义过热度恒定时, 闪蒸界面传播表观速度会随出口压力的增加而增加.

2023, 55(8): 1627-1636. doi: 10.6052/0459-1879-23-115

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输水管道水锤与流固耦合5阶有限体积法模型

曹云, 周领, 方浩宇, 车同川

针对输水管道水锤与流固耦合瞬变流现象, 采用有限体积5阶精度WENO/MWENO求解格式进行建模和模拟研究. 在水锤和流固耦合基本控制方程中引入动态摩阻, 并在流固耦合模型中考虑管道径向形变的影响, 采用5阶WENO/MWENO格式求解. 提出三虚拟边界单元法进行边界条件计算, 既保证边界单元体精度达到5阶精度, 同时又简化计算过程; 采用具有3阶时空精度的龙格−库塔法进行时间积分, 保证时步迭代过程中的计算精度. 将本文所建模型计算结果与已有模型解析解进行对比, 分析5阶有限体积法模型的计算精度和效率. 结果表明: 文章模型具有较高的适用性, 其能更好地模拟输水管道水锤与流固耦合的瞬时压力波动, 有效避免模拟结果出现虚假数值振荡; 与2阶模型相比, 5阶模型具有更高的计算精度和效率.

2023, 55(8): 1637-1648. doi: 10.6052/0459-1879-23-181

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多相多组分Peng-Robinson流体的正则化格子Boltzmann方法研究及模拟

杨旭光, 汪垒

为了提高石油、天然气等能源的采收率, 并最大限度地保护环境. 需要对油藏储层内的多相多组分石油混合物的热力学性质和界面行为进行深入研究. Peng-Robinson状态方程被广泛应用于描述和预测烷烃类混合物的热力学性质. 文章根据扩散界面理论和Peng-Robinson自由能模型, 得到描述多相多组分流体热力学性质和界面行为的流体动力学方程组. 该耦合方程组中的交叉扩散项和Peng-Robinson自由能模型的强非线性, 给数值求解带来了极大的挑战. 文章基于格子Boltzmann方法, 针对每个组分的质量守恒方程, 构建了带有多分布函数的正则化格子Boltzmann方法. 针对势形式的动量守恒方程, 构建了能有效降低两相界面虚假速度的正则化格子Boltzmann方法. 通过Chapman-Enskog多尺度分析, 能够准确恢复至耦合的流体动力学方程组. 最后, 通过一系列的数值实验, 如气−液两相共存线, 丙烷和戊烷、甲烷和乙烷共存时的相平衡状态等, 验证所发展的多相多组分正则化格子Boltzmann方法满足还原一致性和热力学一致性, 同时具有较好的数值稳定性. 此外, 该正则化格子Boltzmann方法能够有效消除两相界面处的虚假速度, 并能准确刻画多相多组分流体的热力学性质和界面行为.

2023, 55(8): 1649-1661. doi: 10.6052/0459-1879-23-096

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风生浪各阶段特征演化数值模拟

柴冰, 刘成

风波增长现象广泛存在于自然中. 尽管通过实验研究已经提出了多种理论假设, 但由于风场和波场的随机性和多尺度特性, 未能通过实验获得可靠的原理解释其机理. 随着计算流体力学的发展, 对风波演化进行数值模拟以研究其生成机理更为便利. 文章基于自主开发的直角网格两相流求解器, 结合高阶数值格式和VOF (volume of fluid)界面捕捉方法, 对 $1.6\;\mathrm{m}/\mathrm{s}$的风驱动自由液面进行数值模拟, 获得的波浪增长过程由线性增长阶段和指数增长阶段组成. 为分析能量特征, 计算了能量集中的主要波数, 并结合波高、波斜率与波数的变化与实验相对比. 在一维波数空间中统计能量分布, 与Kolmogorov-Zakharov$ E\left(k\right)\sim {k}^{-15/4} $幂律进行对比. 在二维波数和时域空间中, 增长前期应用Phillips线性增长理论和共振加强后的增长模型对风波线性增长阶段进行验证; 增长后期应用Miles理论对风波指数增长进行验证. 揭示了风波增长不同阶段的机理特征, 观察到在指数增长开始前, 波浪的线性增长存在初始响应阶段、风压稳定阶段和风压受扰阶段, 分别具有不同的机理特征. 证明了波浪演化的初始线性阶段是由湍流波动产生的随机尾流叠加占主导, 而后期的指数增长阶段是由增长率和摩擦速度正相关占主导. 原始的Phillips理论仅在增长初始响应阶段准确, 使用共振加强修正后则在初始响应后也符合实际增长, 而Miles理论仅在单色波阶段时才准确. 相较于对波陡有限制的动态曲线网格求解器, 应用5阶WENO (weighted essentially non-oscillation)和动量−质量一致推进方法修正的VOF方法也可用于分析风波增长问题的求解, 并能准确捕捉到更多风波增长的细节.

2023, 55(8): 1662-1672. doi: 10.6052/0459-1879-23-191

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增材制造Ti6Al4V钛合金的激波压缩状态方程与动态变形机理研究

牛洋洋, 李统, 周文博, 盛冬林, 鄢阿敏, 曹富华, 陈艳, 汪海英, 戴兰宏

增材制造工艺具有快速成型、结构可控等优势, 有广阔的应用前景, 然而增材制造的合金材料的动态性能研究相对贫乏. 文章针对在国防空天领域应用广泛的Ti6Al4V合金, 选取增材制造与锻造Ti6Al4V钛合金为研究对象, 利用一级轻气炮系统, 对两种不同工艺的钛合金材料开展不同冲击速度的平板撞击实验, 同时借助光子多普勒测速(PDV)系统与阻抗匹配技术获得自由表面的粒子速度和激波速度, 进而得到两种钛合金的Hugoniot状态方程. 进一步, 对变形样品微结构开展透射电镜(TEM)和电子背散射衍射(EBSD)表征, 揭示其动态变形机理. 发现两种合金都具有很高的相变阈值(锻造合金 > 7.90 GPa, 增材制造合金 > 7.87 GPa)与冲击弹性极限HEL (锻造合金为2.56 GPa, 增材制造合金为2.78 GPa), 两种Ti6Al4V合金的塑性变形机理均为位错滑移主控, 锻造合金在变形后期产生滑移带, 增材制造合金的片层状α相与β相的相界面起着阻碍位错运动的强化作用, 在变形后期位错线从α相中越过相界面滑移至相邻的另一个α相中, 位错滑移越过相界面需要较大的应力输入, 因此表现出相比锻造合金更高的冲击弹性极限HEL.

2023, 55(8): 1673-1685. doi: 10.6052/0459-1879-23-175

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基于高阶理论的加筋复合材料夹芯结构屈曲有限元模型

张东健, 郑锡涛, 闫雷雷, 路拓, 徐建辉, 张聪

加筋复合材料夹芯结构由于面板与夹芯层的力学性能差异较大, 层间剪切变形明显, 层间剪切应力对结构的屈曲特性影响非常明显. 此外筋条与面板之间横向剪切变形也会显著地影响加筋夹芯结构的屈曲特性. 因此, 需要发展一种能准确计算面板与芯体之间、筋条与板之间横向剪切应力的模型来分析复合材料加筋夹芯结构的屈曲特性. 文章推导了正弦型整体−局部高阶剪切变形理论, 该理论满足面内位移、横向剪切应力连续条件和自由表面条件, 并且未知量个数独立于加筋夹芯板的层数. 基于此理论, 结合离散的Kirchhoff三角形单元(DKT单元)构造了正弦型整体−局部高阶三角形板单元(SGLT), 该单元满足面内位移在厚度方向的锯齿分布和横向剪切应力层间连续性条件, 并通过两个数值算例验证了模型的准确性. 随后评估了金属面板加筋夹芯板和复合材料面板格栅加筋夹芯板在各种几何、材料参数和边界条件下的屈曲特性. 数值分析结果表明, 建立的有限元模型能准确地预测加筋复合材料夹芯结构的屈曲行为. 并且相较于三维有限元模型, 建立的模型具有更高的计算效率.

2023, 55(8): 1686-1698. doi: 10.6052/0459-1879-23-114

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梯度磁场下变截面硬磁软梁的大变形力学行为

周雪, 王琳, 陈伟, 杨文正, 郭梓龙

文章研究变截面参数和梯度磁场作用对硬磁软梁的大变形的影响, 为研制先进的硬磁软材料器件和系统提供理论指导. 基于最小势能原理, 建立了梯度磁场作用下变截面硬磁软梁静变形的力学理论模型. 基于线性稳定性理论, 分析了变截面对硬磁软梁屈曲失稳行为的影响. 基于非线性力学理论, 研究了变截面参数对硬磁软梁的后屈曲构型和弯曲变形的影响. 在此基础上, 深入研究了磁场梯度对变截面硬磁软梁大变形力学行为的影响. 研究结果表明, 变截面参数对硬磁软梁的临界屈曲载荷有较大影响, 通过改变变截面参数值可调节梁的屈曲稳定性. 当弯曲变形较小时, 变截面参数对硬磁软梁后屈曲构型和横向变形的影响不可忽略, 而这种影响在弯曲变形趋于饱和时, 则变得很弱. 磁场梯度参数的增大可引起变截面硬磁软梁出现更大幅值的静变形. 当磁场梯度参数增大而使磁场力大于屈曲临界载荷时, 变截面硬磁软梁不会出现前屈曲变形, 而直接导致梁发生非线性的后屈曲变形. 研究结果还显示, 增大磁场梯度参数可以提高变截面硬磁软梁自由端的磁偏转精度, 从而可有效地控制变截面硬磁软梁的磁转向. 研究结果可为基于硬磁软材料的可展开柔性结构、柔性电子器件和软体机器人等结构设计提供指导.

2023, 55(8): 1699-1710. doi: 10.6052/0459-1879-23-138

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导电水凝胶黏结界面力电学疲劳损伤行为仿真研究

魏凡凯, 仪传帅, 吴化平, 鹿业波, 孙权

为了研究导电水凝胶电极贴片在疲劳载荷下因界面损伤而导致的电阻变化规律, 本文提出了一种力电学内聚力模型. 首先基于水凝胶的黏弹性力学行为, 采用Wiechert模型构建了应变率相关的内聚力牵引力-牵引位移关系方程, 并将界面电阻率定义为牵引力和损伤变量的函数, 然后通过ABAQUS的UEL子程序对黏弹性力电学内聚力模型进行了数值实现. 通过搭接剪切试验确定了模型的黏弹性参数和不同应变率下内聚力模型的损伤起始和界面断裂的能量释放率, 以及应变率下界面电阻率随牵引力的变化规律. 采用单个单元对模型的有效性进行了验证, 最后将模型应用于导电水凝胶电极贴片的在疲劳载荷下的界面电阻变化规律仿真预测, 结果表明随着电极贴片的电阻随着加载循环次数的增加呈波动上升趋势, 且随着加载速率增大, 电阻随加载次数上升的趋势逐渐减缓, 电阻的波动也越小, 有限元仿真结果与实验结果吻合良好.

2023, 55(8): 1711-1720. doi: 10.6052/0459-1879-23-162

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2D-C/SiC复合材料的高温非线性本构模型

杨成鹏, 林江嵘, 贾斐, 王波

高温各向异性非线性本构关系对陶瓷基复合材料热结构设计具有重要科学和工程意义. 为了分析预测2D-C/SiC复合材料在高温平面应力下的应力−应变行为, 基于损伤解耦表征方法, 考虑材料的损伤耦合效应、非线性和正交各向异性, 建立了热力耦合损伤本构模型的理论框架. 基于应变分割法, 考虑热失配应力、基体开裂、界面脱黏、纤维桥连对卸载模量和残余应变的影响, 给出了材料的轴向拉伸和面内剪切应力−应变关系分析模型, 并进行了初步试验验证. 在材料基本性能表征的基础上, 对2D-C/SiC复合材料在不同偏轴角度(15°, 30°和45°)和不同环境温度(27 °C, 973 °C, 1273 °C和1473 °C)下的拉伸应力−应变行为进行了模拟预测. 结果表明, 2D-C/SiC复合材料的应变响应具有显著的温度相关性, 随着温度的升高材料的非线性程度降低, 而随着偏轴角度的增大材料的非线性增强, 不同偏轴角度下材料的表观模量均随着温度的升高有增大趋势; 所建立的理论模型可对2D-C/SiC复合材料的应力−应变行为进行合理预测, 模拟曲线与试验值具有较好一致性.

2023, 55(8): 1721-1731. doi: 10.6052/0459-1879-23-120

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显微CT探究三维颗粒体系颗粒间力学行为

王潇, 陈凡秀, 王远, 刘雨欣, 孙洁

为描述三维颗粒体系颗粒间的微观力学行为, 以陶粒为研究对象, 利用显微CT开展三维颗粒体系原位加载实验, 获得下压位移间隔为0.2 mm的颗粒二维图像序列. 经三维重构得到颗粒体系的数字体图像, 构建三维颗粒的孔隙网络模型, 计算不同加载状态下的颗粒间接触信息. 对接触信息进行量化统计, 提出以颗粒接触面积衡量接触力的表征方法, 从接触面积、竖向夹角、竖向力和配位数等新视角分析颗粒体系力学性能的变化规律, 描述三维颗粒体系中颗粒间力学行为和力链发展演化的内在联系, 提取强接触颗粒信息并对比颗粒位置坐标变化. 研究结果表明: 加载过程中, 接触数量呈现递减趋势, 强接触占总接触数量的1/3, 平均接触面积基本不变; 颗粒体系内部竖向夹角$ \theta $ < 45^o和$ \theta $ > 45^o数量占比维持在2:3; 竖向力是接触力和竖向夹角共同作用的结果, 其数值受竖向夹角影响更加显著; 平均配位数整体呈下降趋势, 配位数为3, 4和5的颗粒数量占比约70%; 此外, 颗粒与压头接触点位置影响强接触颗粒坐标变化, 新接触点附近区域往往伴随接触行为的更新.

2023, 55(8): 1732-1741. doi: 10.6052/0459-1879-23-161

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凹透镜实现亚波长聚焦的理论和实验研究

徐军, 李鹏, 尚闫, 钱征华, 马廷锋

为了提升传统平面透镜的聚焦效果, 增加焦点处的能量, 缩小焦斑尺寸, 实现亚波长聚焦, 文章基于厚度变化设计了用于聚焦平面弯曲波的凹透镜. 首先, 基于Timoshenko梁理论求解了弯曲波在经历厚度变化后的透射系数及相位变化, 并基于此完成了凹透镜的结构设计; 其次, 应用有限元软件COMSOL Multiphysics的结构力学模块开展了该透镜频域内的工作性能分析, 包括聚焦位置及焦点处能量、焦斑尺寸等, 并与传统平面透镜的情况进行对比; 最后, 实验验证了凹透镜设计的合理性和正确性. 研究结果表明: 文章所设计的凹透镜使平面入射的弯曲波聚焦在预先设定位置, 且其性能优于传统的平面透镜, 焦点处的能量更高、焦斑尺寸更小; 凹透镜的焦斑尺寸小于工作波长的0.5倍, 属于亚波长聚焦; 此外, 该透镜还具有一定的工作频率带宽, 在结构参数不变的情况下能够在设计频率附近正常工作. 提出的透镜设计方法易于工程实现, 且聚焦性能优越, 设计思想也能为声波、光波等领域相关透镜的设计提供借鉴.

2023, 55(8): 1742-1752. doi: 10.6052/0459-1879-23-148

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基于模态实验的单滑板受电弓全柔模型修正方法

许向红, 罗羿, 张颢辰, 周睿, 吴孟臻, 黄思俊

动车组通过受电弓从接触网上获取电能, 良好的弓网接触是列车受流的重要保障. 随着列车速度的提高, 弓网动态特性问题日益突出. 受电弓在高速或更高速运行时, 接触网不平顺、气动效应等高频激励, 将激发受电弓的高频弹性模态及富有高频成分的弓网相互作用力. 只考虑受电弓3个垂向自由度的三质量块模型不再适用于高频弓网动力学分析, 为进行更高速下的受电弓动力学参数设计和弓网受流质量评估, 需建立反映结构弹性模态的受电弓全柔模型. 文章提出基于模态实验的受电弓全柔模型的修正方法. 首先, 开展一款新型单滑板高速受电弓的模态实验, 获得260 Hz以内的两阶垂向耦合振动模态参数和6阶垂向弹性模态参数. 然后, 进行受电弓模态频率对材料参数的灵敏度分析, 研究得到弓头、上臂和下臂的弹性模量和密度及弓头弹簧刚度, 对受电弓的8阶垂向模态频率的影响显著, 确定了模型修正的参数. 最后, 利用粒子群优化算法, 获得与模态实验结果吻合度较高的修正全柔模型, 其与实验结果的误差仅为5.2%. 此外, 提出基于模态置信度的振型识别方法, 实现了迭代寻优过程中正确率为100%的模态自动识别.

2023, 55(8): 1753-1760. doi: 10.6052/0459-1879-23-063

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具有任意阻抗边界的驻波热声压电系统的声学与俘能特性求解及参数研究

郭凡浩, 杜敬涛, 刘杨

文章为任意阻抗边界条件下热声压电俘能系统的声学特性和俘能特性提供一种新的求解方案. 热声压电俘能系统包含任意阻抗边界、热缓冲管、板叠、谐振管和俘能元件, 当板叠两侧温差达到临界温差时, 工质流体在板叠处发生热声耦合振荡, 进而引起压电薄膜发生形变, 为外接负载提供电能. 振荡频率、声压实部和流速虚部的模态分布称为热声压电俘能系统的声学特性, 负载俘获的当量化能量称为热声压电俘能系统的俘能特性. 文章在验证边界光滑傅里叶级数和Galerkin法稳定性和可靠性基础上, 预报驻波热声压电俘能系统的声学特性和俘能特性, 研究热声管长、外接负载和边界阻抗对声学特性和俘能特性的影响规律. 研究表明, 驻波热声压电系统振荡频率与热声管长呈反比; 外接负载与系统存在阻抗匹配关系, 但过高的负载会使系统失去俘能能力; 且管长和边界阻抗对振荡频率的影响可以分为高敏感区、低敏感区和阻抗失效区, 同时发现边界阻抗范围内存在“声学特性一致阻抗带”, 因此在设计热声压电俘能系统时可根据不同的需求和应用场景选择其工作区带. 本研究可快速预报热声压电俘能系统的声学特性和俘能特性, 并为通过改变结构参数或阻抗边界调控系统声学特性和俘能特性、拓宽压电能量采集频带提供参考.

2023, 55(8): 1761-1773. doi: 10.6052/0459-1879-23-160

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爆炸冲击波作用下均质颅骨模型有效性研究

黄安, 曹国鑫

计算模拟已广泛应用于研究爆炸冲击波对头部的致伤机理中, 并致力于研发相关的防护装备(如头盔). 在这些研究中, 复杂的类三明治颅骨结构通常被简化为单层等效均质结构, 其模型参数由三点弯曲试验获得. 文章通过有限元模拟发现, 弯曲等效均质壳−核结构与三明治复合壳−核结构的爆炸冲击响应却存在较大差异: 在相同冲击波载荷作用下, 前者壳的前部位移比后者壳低约19%, 而其后部位移却高约21%; 前者内核的前部压力比后者内核低约15%, 而其后部压力却高约30%. 上述差异主要由于构建三明治复合结构的等效均质模型中, 忽略了壳体曲率以及层状结构中界面对应力波的透射影响. 鉴于颅脑结构与球形核壳结构的类似性(颅骨为外壳, 大脑为内核), 球形核壳结构的计算结果可以推广到颅脑结构. 因此, 基于三点弯曲试验结果构建的传统均质颅骨模型, 不能有效描述颅脑的爆炸冲击响应, 需要使用更接近真实颅骨的三明治复合模型代替通用均质颅骨模型.

2023, 55(8): 1774-1787. doi: 10.6052/0459-1879-23-139

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FD-21风洞冲压发动机Ma10流场与乙烯燃烧建立过程

林键, 卢洪波, 王瑞庭, 金熠, 吴衡毅, 纪锋, 陈星, 杨甫江, 韦宝禧

针对高焓激波风洞冲压发动机试验过程中流场建立与燃料点火、火焰传播、稳定之间存在强耦合以及风洞膜片烧蚀污染问题, 采用壁面测压与激发态OH^*/CH^*基化学发光光谱诊断相结合的手段, 探讨了长2 m、三维曲面压缩、带双侧凹腔的超燃冲压发动机在FD-21风洞Ma10模拟条件下有无乙烯燃料喷注时的流场建立过程, 阐述了风洞起动过程中的膜片烧蚀干扰情况, 揭示了点火、火焰稳定过程中OH^*, CH^*基时空分布与壁面压力关联特征, 精细化给出了冷热态发动机壁面沿程静压分布. 无燃料喷注的冷态通流条件下OH^*, CH^*基时空变化图像表明风洞膜片烧蚀污染主要存在于发动机流场建立初期的1 ms内. 乙烯喷注时OH^*, CH^*基时空变化发光图像表明发动机流场建立初期2 ms内会产生大量的自由基, 之后CH^*基浓度下降至相机不可探测范围、OH^*基浓度则维持在较为平稳的水平, 燃烧趋于动态稳定状态. 冷热态发动机壁面沿程静压分布存在倍数差异, 乙烯喷注时自喷注位置下游第一个测点开始出现压力跃升、直至尾喷管出口附近才膨胀至与冷态接近, 热态壁面压力约为冷态的2倍, 冷热态取样时间内的压力波动幅度近似一致、均小于10%, 与冷热态压升幅度存在数量级上的差异. 这些数据表明FD-21风洞可开展高超声速气流中的乙烯燃烧试验.

2023, 55(8): 1788-1799. doi: 10.6052/0459-1879-23-194

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页岩纳米有机质孔隙中的润湿性研究

刘杰, 陈银, 章涛, 孙树瑜

针对页岩有机质分子模型不能真实表征储层孔隙属性, 纳米有机质孔隙中润湿性难以判别等问题, 进行页岩气藏纳米孔隙中基于真实干酪根有机质模型的微观润湿性研究. 利用分子动力学方法, 建立传统有机质模型以及真实干酪根有机质模型, 从模型可视化、空间密度分布特征以及势能机理等方面分析干酪根孔隙中页岩气与水的润湿行为特征, 同时考虑体系温度、孔隙尺寸以及水桥尺寸对润湿状态的影响. 结果表明, 传统有机质模型由于过于理想的假设, 难以对水在有机质中的润湿行为进行精确描述. 干酪根模型以其复杂的分子结构、多样的元素种类, 在有机质的润湿性刻画中有着更好的表现. 纳米有机质孔隙中的水相分为高密度区域与低密度区域, 其中低密度区域中的水分子分布在气液两相的界面处, 所以此部分水分子受到较弱的氢键相互作用, 使其更容易发生逸散并且更易被干酪根基质的相互作用所捕获, 从而在有机质表面进行吸附. 此行为进而表现为一种水分子亲和干酪根基质的润湿假相, 而水相的高密度区域部分却表现为非润湿的状态.

2023, 55(8): 1800-1808. doi: 10.6052/0459-1879-23-140

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2023 年 8 期目录

2023, 55(8): 1-2.

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