力学学报 -

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冯唐思捷, 梁伟

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4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以应对屈曲问题的迭代特性. 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能够更为高效地求解线性与非线性屈曲问题. 文章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, 物理信息神经网络方法能够在不需要标签数据的前提下对薄壁结构的屈曲问题进行有效分析, 并且给予的额外标签数据能够提高此方法的求解效率. 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.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-277

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时变载荷作用下饱和黏土地基的流变固结特性研究

王立安, 余云燕, 孙建忠, 陈辉

基于Biot多孔介质理论, 利用分数阶Kelvin模型描述土骨架流变效应, 引入斜坡、三角形和梯形载荷的时空域解析函数, 构建时变载荷作用下饱和黏土地基的三维轴对称固结模型. 采用Hankel–Laplace联合变换和张量运算推导控制方程的变换域解析解, 利用数值反演得出时空域解. 通过算例分析, 对模型和计算方法的有效性进行验证, 并研究了3种时变载荷作用下饱和黏土地基的流变固结行为和参数影响规律. 结果表明, 饱和黏土的次固结沉降更为显著. 土骨架流变性对孔隙水渗透具有抑制作用, 使土体在主固结阶段沉降速率减缓, 次固结阶段沉降速率加快, 而且长期沉降量增大. 加载速率越大, 孔隙压力峰值越大. 卸载阶段土体发生变形恢复, 土骨架弹性扩张产生负孔压, 卸载速率越大, 产生的负孔压越大. 土骨架流变性越强, 变形恢复量越小, 产生的负孔压也越小. 载荷类型和加载路径主要影响固结过程中位移和孔压随时间的变化形态, 而土骨架流变性影响土体的长期沉降量.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-394

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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, 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、电弧作用范围广以及适用于高压等优点, 文章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甲烷/空气火焰的影响规律. 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, 并且研究了等离子体对稀燃吹熄极限的拓展作用. 最后利用气体排放仪测量了燃烧室出口处旋流火焰污染物NO_x排放. 结果表明旋转滑动弧放电能够产生大量的活性自由基, 可以增强燃烧中的化学链式反应, 另外整体热效应比较弱, 主要体现为局部加热作用, 放电特性与空气流量和施加电压密切相关. 旋转滑动弧能够提高火焰稳定性并且有效拓展吹熄极限, 这主要是因为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. 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NO_x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.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-371

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基于后缘小翼的翼型反流动态失速主动控制试验研究

李国强, 宋奎辉, 易仕和, 张卫国, 杨永东, 袁明川, 吴霖鑫

针对直升机旋翼反流区因反流动态失速导致的非定常载荷、阻力激增以及负升力等问题, 开展了基于后缘小翼的翼型反流动态失速主动控制试验研究. 采用动态压力测量结合翼型表面压力积分的方法, 重点分析了后缘小翼不同的振荡相位差、幅值和减缩频率对反流动态失速控制的影响规律, 对比了后缘小翼动态偏转和固定偏转的差异, 试验雷诺数Re = 3.5 × 10⁵. 结果表明, 当后缘小翼与翼型以相同的频率正弦振荡运动, 且二者的相位差为0°时, 能改善反流动态失速过程中钝几何前缘的流动分离, 并在反流状态下实现了翼型负升力系数下降21.2%, 阻力系数下降37.5%, 俯仰力矩系数迟滞环面积下降44.6%的控制效果; 动态偏转的后缘小翼对翼型反流动态失速的控制效果随后缘小翼振荡幅值的增加而增加, 但进一步增加振荡幅值对于控制效果的提升有限; 当减缩频率增加时, 动态偏转的后缘小翼对反流状态下翼型阻力的控制效果会更加明显; 后缘小翼的动态偏转与固定偏转都能有效改善翼型在反流中的动态气动性能, 但是动态偏转对于不同翼型迎角的适应能力优于固定偏转, 并取得了更好的非定常载荷控制以及更好的阻力和负升力改善效果.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-244

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波导吸振器的低频减振设计和应用

赵晓宇, 吴卫国, 林永水

基于螺旋声学黑洞的波导吸振器(waveguide absorber, WGA)是为解决声学黑洞尖端厚度过薄、截止频率较高等问题而提出的新构型, 目前其设计方法、耗能机理和减振应用效果有待进一步研究. 研究基于几何声学理论和欧拉−伯努利梁理论, 提出了WGA的设计方法, 构建了WGA材料参数和几何参数选取的理论模型, 通过数值仿真揭示了WGA设计参数对弯曲波波数虚部的影响规律, 阐明了几何参数对于截止频率的调控机制, 进一步从时域和频域的角度分析了WGA的弯曲波耗散机理. 开展加筋板减振实验研究对比验证了设计方法的可靠性和WGA的减振效果. 结果表明, 研究提出的设计方法可使WGA在更大尖端厚度的条件下获得更低的反射系数和截止频率, 在降低加工难度的条件下提高其减振效果和适用范围. 安装WGA后的加筋板在10 ~ 1000 Hz内加速度级降低可达26 dB, 减振效果显著优于等质量阻尼层. 新设计的WGA具有易安装、减振频带宽、低频减振效果好和对结构固有振动特性影响小等优点. 研究为WGA的设计及其在结构减振工程中的应用提供了指导.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-146

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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和精确控制. 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, 其利用RBF神经网络对不确定系统进行拟合, 且结合虚拟控制力原理对设计的期望轨迹进行修正, 使得太阳能帆板的柔性振动能被抑制, 实现了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0.5 N, 卫星与清洁装置的位姿控制精度优于0.1^o和10⁻³ m.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-152

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基于高阶应变梯度塑性理论的受限薄层剪切问题研究

华奋飞, 罗彤, 雷剑, 刘大彪

针对受限金属薄层在剪切塑性变形时出现明显尺度效应这一问题, 现有理论分析多采用纯剪切假设和传统钝化边界条件, 其理论预测与实验结果不符. 文章采用黏弹塑性本构模型, 对Gudmundson高阶应变梯度塑性理论进行了有限元实现, 深入研究了金属薄层受限剪切的塑性变形机理. 考虑因界面倾斜引起的附加压应力, 采用自定义平面单元对材料的压缩−剪切组合变形进行了有限元模拟. 根据表面解锁的物理机制, 引入“软−硬”中间态的边界条件. 结果表明, 在压缩−剪切组合变形条件下, 受限薄层的剪切流动应力明显低于纯剪切条件下的流动应力, 而压应力的存在降低了剪切屈服强度. 利用周期性钝化边界条件, 能够定量描述界面处几何必需位错饱和引起的边界条件变化, 理论预测与实验结果吻合. 相关研究揭示了加载方式和高阶边界条件在受限薄层剪切尺度效应问题中的重要作用.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-318

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木基材料自上而下多尺度结构设计研究进展

宋睿, 郑浩南, 宋建伟, 申胜平

在全球气候变暖危机和“双碳”战略的大背景下, 开发使用木基材料替代传统结构或功能材料, 可以大大降低能源消耗, 减少碳排放并增加碳封存量, 对改善生态环境、实现绿色可持续发展具有重大意义. 近年来, 为了开发利用木质资源并提升传统木基材料的宏观性能, 不少学者通过自上而下的“两步改性”策略实现了木材中从微观尺度到宏观尺度的多尺度结构设计调控, 从而赋予了木基材料诸如高强度等不同的宏观性能, 为开发设计可持续、绿色低碳的高性能木基材料开辟了新的天地. 基于此, 文章围绕木基材料中自上而下的多尺度结构设计策略进行了详细综述: 首先简要概述了木材天然具备的跨尺度多层级结构, 接着综述了微观尺度下木基材料中由纤维素主导的力学行为机制, 其次从细胞壁工程的角度回顾了不同微结构调控策略以及得到的具有不同性能的木基材料, 随后简要综述了近期木基材料的功能化应用新进展. 最后总结了现有木基材料多尺度结构设计方面存在的不足并提出了相应的研究展望.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-319

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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复杂的激波干扰及严酷的气动热载荷, 严重威胁高超声速飞行器的性能与安全. 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, 首先研究了局部凸起方案的降热能力以及降热原理, 然后初步优化了局部凸起的位置、高度以及宽度等关键设计参数, 最后分析了优化后的局部凸起方案的攻角、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主马赫反射结构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%.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-409

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关于轻敲式原子力显微镜动力学系统中能量耗散的研究

刘国林, 曾瑜, 刘锦灏, 魏征

原子力显微镜是一种典型的微纳谐振器, 其核心部件是一个对微弱力极敏感的微悬臂梁探针, 当它在不同的环境工作时, 存在着各种不同形式、不同性质的能量耗散, 这些能量耗散与系统的相位图像有着密切的联系. 在众多的耗散机制中, 只有针尖与样品的黏附接触耗散才能真正反映样品的性质, 其他耗散会降低黏附接触耗散在系统总耗散中的占比, 使得图像中的有效信息被削弱. 因而, 明确其他耗散对系统品质因数的量级贡献是十分重要的, 这有助于提高图像的品质. 为了研究这些耗散, 本文根据耗散机理产生的原因对不同的能量耗散进行了细致的分类, 系统总结了各种能量耗散的类型. 之后, 通过理论、实验和仿真的方法探究了在不同环境下、不同位置处微悬臂梁探针的能量耗散, 明确了不同耗散对系统品质因数的量级贡献. 然后, 对于不同流体环境下的能量耗散, 对比了它们的作用机理及量级大小. 最后, 对于在大气环境下工作的原子力显微镜探针, 研究了它在振动过程中从高于样品表面到下降并接触样品这一连续过程中不同阶段存在的能量耗散, 分析表明, 在这些能量耗散中对系统品质因数影响最大的是由空气引起的耗散, 包括空气黏性阻尼, 压膜阻尼及液桥耗散.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-300

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无拉力弹性地基上矩形板屈曲/后屈曲问题的辛求解方法

熊斯浚, 郑新然, 梁立, 周超, 赵岩, 李锐

无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲问题是板壳力学中一类重要课题, 在工程中有着大量应用. 因涉及接触非线性, 目前主要采用数值方法对该类问题进行求解, 发展具有重要基准价值的解析方法是当前面临的一项挑战. 针对上述问题, 本文将板划分为若干包含强制边界条件的板, 形成子问题, 在辛空间下利用分离变量与辛本征展开对子问题进行解析求解, 通过子问题边界处的连续条件确定板与地基的接触状态; 通过迭代求解上述过程, 获得子问题划分的收敛结果, 并得到最终屈曲载荷及模态. 结果表明, 无拉力弹性地基与Winkler地基上板的屈曲行为存在显著差异, 且无拉力弹性地基的刚度对板的屈曲载荷与屈曲模态均有重要影响. 在此基础上, 结合Koiter摄动法与辛方法, 对无拉力弹性地基上矩形板的后屈曲问题进行求解, 获得板的后屈曲平衡路径. 所得到的屈曲与后屈曲分析结果均与有限元计算结果吻合良好, 确认了本文结果的正确性. 由于本文方法数学推导严格, 求解效率高, 因此不仅为研究无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲行为提供了一种有价值的理论工具, 更有望拓展至更多复杂板壳力学问题的求解.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-384

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铝粉/氢气/空气混合爆轰现象试验研究

张晓源, 卢子寅, 李进平, 张仕忠, 陆星宇, 陈宏

混合爆轰现象既包含气相反应又包含两相反应, 具有复杂性和多样性. 爆轰推进技术在新领域的突破性应用与发展, 依赖对爆轰现象的深刻认识. 文章采用卧式爆轰管开展铝粉/氢气/空气混合爆轰试验, 将μm、nm级的球形铝粉与当量比的氢气和空气通过扬尘充分混合, 在长13 m和直径224 mm的管内直接起爆混合物. 试验中观测到不同种类的混合爆轰波, 包括双波面和单波面结构. 通过对爆轰燃气中铝粉点火燃烧特性的分析, 阐明了两相反应对铝粉/氢气/空气混合爆轰波结构的直接影响. 粒径100 nm和1 μm时, 混合爆轰呈现单波面结构, 对比气相爆轰爆速和压力峰值都有增加, 铝粉点火释热开始于声速面之前. 粒径20 μm和40 μm铝粉点火较慢, 混合爆轰呈现出双波面结构, 气相反应释热支持第一道波, 而铝粉燃烧支持第二道波. 粒径10 μm时, 测得爆轰波压力曲线是单波峰, 峰值压力有大幅提高, 但是爆速并没有增加. 其本质是两波面距离很近的双波面结构, 由于传感器空间辨识能力的不足而无法在压力曲线中区分. 混合爆轰试验结果充分解释了铝粉/氢气/空气混合爆轰现象, 反映了铝粉在复杂条件下的燃烧特性, 并且明确了铝粉的点火燃烧特性对混合爆轰现象的影响机理.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-290

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可压缩均匀湍流中重粒子运动行为的先验研究

宾远为, 武琦, 夏振华, 史一蓬

本研究以高精度可压缩均匀各向同性湍流直接数值模拟数据为基础, 通过点粒子模型和单向耦合方式模拟了100万个重粒子在湍流中的运动. 着重进行了两方面的研究, 首先, 通过使用不同滤波宽度的谱截断滤波器来获得大尺度流场, 并研究了不同滤波尺度对粒子运动的影响; 其次, 设置了5种不同的粒子初速度, 以研究粒子聚集性和运动学性质的演化. 在研究粒子聚集性方面, 使用了香农熵来描述粒子的瞬时聚集性, 而稳态时的统计结果则通过概率密度分布函数来描述. 研究结果表明, 滤波尺度对不同Stokes数的粒子聚集效应产生不同的影响. 具体而言, 小尺度流动结构对低Stokes数的粒子聚集性有促进作用, 而对高 Stokes数的粒子聚集性则有抑制作用. 此外, 随着Stokes数的增加和截断波数的减小, 粒子的速度和加速度的概率密度分布变得更为集中. 另外, 还发现颗粒的初始速度差异会在演化的初期产生明显影响, 最终会趋于相同的统计定常状态. 这一发现强调了湍流中粒子运动的复杂性和统计特性的重要性.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-327

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等离子体电化学法制备金、银纳米颗粒与碳量子点的研究进展及关键问题

马雨彭雪, 王若愚, 秦晓茹, 张卿, 陈强, 钟晓霞

通过高电压击穿气体可产生大量的自由电子和离子, 形成对外大致呈电中性的气体放电等离子体, 同时荷能粒子引发的各种过程会在等离子体中产生种类丰富的反应性物质. 大气压低温等离子体具有非平衡特性, 因此在低气体温度下可保持高反应活性. 当大气压低温等离子体与溶液接触时, 可形成等离子体电化学系统. 在等离子体−液体界面存在电荷和物质转移, 可引发一系列物理化学及电化学过程, 从而使得等离子体电化学系统可广泛应用于多种领域, 纳米材料合成即是其众多应用之一. 当前, 已有大量的研究利用等离子体电化学法合成纳米材料, 也存在相关的综述文章, 但缺乏聚焦于金、银纳米颗粒与碳量子点相关的综述, 因此我们在此综述了近年来采用等离子体电化学方法制备金、银纳米颗粒与碳量子点的研究成果. 首先介绍了等离子体电化学方法, 接着考察了制备金、银纳米颗粒与碳量子点的实验结果及其应用的进展, 最后讨论了当前研究中遇到的问题与挑战, 并尝试提出了解决方案.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-346

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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

再生冷却作为一种主动热防护形式, 被广泛应用于高超声速飞行器发动机的热防护系统. 为了进一步提高再生冷却结构的换热性能, 发展了考虑变热物理性质和输运性质的流热耦合拓扑优化设计方法. 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, 结合了建表−插值法对冷却剂物性和相关偏导项进行计算. 随后对流热耦合结构进行了拓扑优化设计, 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5种拓扑优化构型(Case 1 ~ Case 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 ~ Case 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%.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-276

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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\left( {{{10}^{ - 4}}} \right) $时, 颗粒间的碰撞效应被忽略. 一些研究发现, 在颗粒两相壁湍流中, 即使在低体积分数情况下, 由于湍泳和倾向性聚集会导致颗粒局部浓度较高, 颗粒间的碰撞频繁发生. 然而, 已有结果大多针对均匀各向同性湍流或采用大涡模拟的研究手段, 尚缺少关于颗粒两相槽道湍流的直接数值模拟研究, 颗粒间碰撞对颗粒聚集程度和形态影响的定量规律仍不清楚. 文章基于欧拉−拉格朗日点颗粒框架, 在摩擦雷诺数为$R{e_\tau } = 180$的条件下, 采用直接数值模拟探讨了有/无颗粒间碰撞时水平槽道湍流中双分散颗粒聚集模式的差异. 算例的颗粒平均质量分数为${{\bar \phi _m}} \ \sim O\left( 1 \right)$, 因此模型中还考虑了颗粒对流场的反馈作用. 研究发现, 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. 特别是在黏性底层内, 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.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-283

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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20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. 文章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, 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黏性与加密区域的选取有很大的关系.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-229

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高温热化学非平衡气动热试验与仿真技术研究进展

罗仕超, 张志刚, 柳军, 龚红明, 胡守超, 吴里银, 常雨, 庄宇, 李贤, 黄成扬

临近空间新型飞行器向全空域、更高马赫数发展, 面临的气动热环境会越发恶劣, 高温流场气动热预测技术是该类飞行器发展的关键技术之一. 高超声速气流通过激波压缩或黏性阻滞减速, 分子动能转化为内能, 产生了高温. 高温引起体分子振动、电子激发, 伴随离解、电离反应等一系列复杂气动物理现象, 其流场气动热预测面临诸多挑战. 文章对高温热化学非平衡气动热预测技术的发展情况进行了分析探讨. 首先, 阐述了国内外高温气动热地面试验技术的发展历程, 重点介绍分析了气动热风洞试验设备的模拟能力及目前试验测试技术的研究水平; 然后, 调研和讨论了高温气动热数值模拟研究现状, 分别从热化学模型、辐射输运和壁面催化/烧蚀等多个角度探讨了热化学非平衡流场气动热数值模拟规律; 最后, 对气动热预测技术的发展趋势进行了讨论, 提出了高温气动热试验与仿真技术后续应重点解决的问题.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-196

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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250 km/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种时域法对应的动载荷识别模型, 对状态空间法的初值误差进行了分析, 并引入多项式拟合法修正其趋势项误差, 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(nonlinear autoregressive models with exogenous inputs)模型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与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.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-377

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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, 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、板间距和颗粒粒径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: 空气−悬浮液驱替流动过程中颗粒滞留存在无滞留、成簇滞留及均匀分散滞留3种模式, 其与流量、板间距和颗粒粒径等因素有关; 随着流量的增加、板间距的增大或粒径的减小, 颗粒从无滞留模式向成簇滞留模式和均匀分散滞留模式转变, 颗粒滞留系数表现为先从零快速增大而后趋于稳定的变化趋势. 边壁上残留的液体薄膜是颗粒滞留发生的必要条件, 其中界面驻点处液膜厚度等于颗粒半径为颗粒成簇滞留的临界几何条件, 而界面驻点处液膜厚度等于2倍颗粒半径为颗粒均匀分散滞留的临界几何条件. 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, 揭示了受水动力条件和间距粒径比控制的颗粒滞留机制.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-218

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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其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, 其动力学行为的描述与控制是非常具有挑战的问题. 为了处理挠性航天器建模与姿态控制中的非线性问题, 针对挠性航天器的姿态控制问题提出了一种基于Koopman算子理论的数据驱动建模方法, 并基于数据驱动辨识得到的模型设计了最优控制器, 实现对挠性航天器的姿态控制和振动抑制. 首先, 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. 然后, 在小角速度假设下进行全局线性化, 通过去除广义线性模型中的高阶项来得到挠性航天器姿态动力学的有限维Koopman稀疏模型, 并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. 最后, 以数据辨识得到的线性化模型为基础, 提出了基于Koopman算子的最优线性二次型调节器(LQR)用于挠性航天器的姿态控制与振动抑制. 通过仿真验证了所提出控制器的效果, 并将所提出的控制器与经典非线性最优控制方法进行对比, 证明了所提出算法的优势.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-259

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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, 文章以鳗鲡科鱼类作为研究对象, 基于黏弹性梁理论和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1 Hz增加到2 Hz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理论依据.

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

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曲面边界黏性绕流的湍流模型改进方法研究

唐聃, 戴绍仕, 谷慧群, Bassam A. Younis

多尺度旋涡现象广泛地存在于工程领域的湍流中. 研究湍流的重要方法是大涡模拟, 但大涡模拟中的过度耗散问题是曲面边界、多尺度旋涡模拟所面临的主要困难. 为了克服过度耗散的缺陷, 使大曲率曲面边界的多尺度涡流脉动特性预报更准确, 文章采用正则化变分多尺度模型(RVM)改进了壁面自适应涡黏模型(WALE)中的亚格子模型, 并采用C + + 语言在OpenFOAM开源平台实现了计算代码编译. 文章以经典圆柱黏性绕流作为曲面边界黏性绕流的代表, 讨论了改进的大涡模型(MWALE)中滤波算子对亚临界雷诺数($ Re = 4 \times {10^4} $)圆柱绕流大规模、多尺度旋涡发放预测能力的影响. 数值计算结果表明: 改进的大涡模型对滤波算子阶数(n)敏感. 四阶滤波算子(n = 2)能准确地预报圆柱壁面的平均涡量及尾流瞬时涡量分布、再循环旋涡长度和速度剖面, 而二阶滤波算子(n = 1)无法准确地预测分离区和尾流区内脉动速度剖面, 因此在强压力梯度区四阶滤波算子预测的压力分布、脉动升阻力与实验结果吻合的更好, 能更准确地捕捉到多尺度旋涡结构.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-378

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基于组合超表面的跨水空声波调控研究

张少聪, 朱家辉, 李辰洋, 瓮佳轩, 王艳锋, 汪越胜

现有声学超表面的研究多是针对空气或水等单一介质, 有关跨介质声波调控的研究相对较少. 文章主要基于组合超表面研究跨水空界面声波的调控特性. 首先, 利用遗传算法设计了可以调控波前的高透射空气声超表面. 接着, 通过复合离散型跨水空高透射超表面设计组合超表面实现了对跨水空界面声波的波前调控, 并讨论了组合超表面间距对波控性能的影响. 最后加工制作组合超表面试样, 并对跨水空声波聚焦功能进行了实验验证. 结果表明通过复合两种独立设计的超表面可以实现跨水空界面声波的异常折射和聚焦功能. 组合超表面的间距会影响其对声波的调控效果. 当间距较小时, 组合超表面虽然可以实现对跨水空界面声波的调控, 但是调控效果较差; 随着间距的增加, 组合超表面对跨水空声波的调控效果会迅速增强并趋于稳定. 在实验中观察到了跨水空界面的声聚焦现象以及组合超表面间距对跨水空界面声波聚焦效果的影响, 实验结果与仿真结果基本一致. 研究工作为跨水空声学器件的设计提供了一定的数值和实验基础.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-293

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基于数据驱动的大气压射频放电等离子体数值模拟研究

王绪成, 李文凯, 艾飞, 刘志兵, 张远涛

随着人工智能技术的进步, 结合低温等离子体的物理特点, 数据驱动技术由于其独特的优势在低温等离子体的研究中正逐渐兴起. 本研究以深度神经网络(DNN)模型在大气压射频放电中的计算研究为例, 讨论了数据驱动方法在低温等离子体模拟研究中的应用. 对于低温等离子体的研究而言, 数据驱动研究所需要的数据可以来自于实验诊断和数值计算, 根据等离子体物理特性的不同也可以选择不同的数据驱动模型. 粒子模型与流体模型是低温等离子体研究中常用的两类计算模型, 基于这两者的模拟数据组成的训练集, DNN可以实现对大气压射频放电的动理学特性等各种特性的实时预测. 首先通过将流体模型与粒子模型计算结果与DNN模型的预测结果相比较, 验证了DNN模型在给定精度下的有效性. 然后基于流体模拟数据, 利用DNN探究了α和γ模式下输入电流密度和放电间隙对大气压射频放电特性的影响, 最后借助于粒子模拟数据构建的训练集, 讨论了大气压射频微放电的频率效应, 特别是电子能量分布函数(EEDF)的演化. 预测结果表明, 经过大约1 h的训练后, DNN只需要耗时0.01 s左右就能以极高的计算精度(与数值模拟之间的相对误差小于0.5%)获得电子密度、电场强度和EEDF等大气压射频放电的特定物理信息, 而基于流体模拟或者粒子模拟中获得一组稳定的模拟结果分别需要大约半个小时和几十个小时. 可以说, 在相同的计算精度下, 经过训练后DNN的预测效率较传统数值模拟效率提高了约10⁵ ~ 10⁷倍, 可以近乎实时地给出计算结果. 另一方面, 基于有限的训练集, DNN可以快速产生大量的特定预测数据, 这将极大丰富和强化原有的数值模拟效果, 更好地体现射频等离子体的演化规律. 本研究以DNN模型在大气压射频放电数值模拟中的应用为例, 表明数据驱动技术的引入将有力地推动低温等离子体研究的发展.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-347

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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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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、分析其成因和研究其与其他湍流结构的内在关联, 是深入认识壁湍流的重要途径. 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分区和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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螺旋波等离子体放电特性研究进展

张海宝, 尹贤轶, 孙萌, 陈强

螺旋波等离子体是目前低温等离子体产生密度最高的等离子体源之一, 在材料处理、薄膜沉积、宇航推进、磁约束聚变以及基础等离子体物理研究等领域都有很大的应用潜力. 近年来国内外研究者普遍关注这种高密度等离子体源, 一方面人们对螺旋波等离子体的放电理论缺乏深入的认识, 对等离子体激发和传播过程中能量的吸收存在多种假设, 比较认可的是螺旋波等离子体通过螺旋波与TG波耦合效应实现能量沉积; 另一方面, 螺旋波等离子体放电过程中会表现出许多独特的现象, 如低场峰、模式跃迁、无电流双层结构等, 无法给出统一的解释, 对这些放电特性的研究无疑有助于加深对螺旋波等离子体放电机制的理解. 本文从放电机制和放电特性两方面出发回顾了近15年来螺旋波等离子体基础研究进展, 总结了螺旋波等离子体放电过程中的低场峰现象、模式跃迁、无电流双层现象等研究结果. 围绕螺旋波等离子体放电特性研究, 展望了未来的研究重点, 为理解螺旋波等离子体能量耦合机制, 实现工业应用提供支撑.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-348

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液桥的动态界面特性对液−液自发渗吸的影响研究

张晟庭, 李靖, 陈掌星, 毕然, 强壮, 吴克柳, 王子怡

在自然界和工业应用中, 多孔介质中的多相流动现象普遍存在, 如地下水流动、油气开采、非饱和颗粒材料等. 在这些过程中, 液桥的存在对多相流动产生显著影响. 基于改进的液−液自发渗吸理论模型及改进流−固作用力格式的两组分Shan-Chen模型, 研究了液桥的存在对毛细管内液−液自发渗吸的影响. 结果表明: 与不含液桥的渗吸过程相比, 液桥的存在使得毛细管内产生3个界面, 显著增大了系统的动态接触角, 降低自发渗吸速度. 随着润湿性的增强, 液桥的存在使得界面动态变化特性增强的幅度更大. 当液桥的黏度小于非润湿流体的黏度时, 整个系统的动态接触角随着渗吸长度的增加而增强; 若二者黏度相等, 整个系统的动态接触角为一稳定值; 而当液桥的黏度更大时, 整个系统的动态接触角随着渗吸的进行逐渐减小. 将模拟获得的实时动态接触角纳入至渗吸理论中, 可以改善由液桥界面动态变化导致的渗吸长度的理论值与模拟结果间存在的偏差, 并得到与模拟基本一致的结果. 文章还利用模拟数据, 系统地评价了Cox-Voinov模型对含有液桥以及不含液桥体系的渗吸过程中的界面动态变化特性及渗吸长度预测能力.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-444

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强迫振动下垂直管道固液两相流数值模拟研究

万初一, 范祖相, 周岱, 韩兆龙, 朱宏博, 包艳

粗颗粒固液两相流的管道输运适用于深海采矿工程. 扬矿管道在流致振动作用下的内部固液两相流的输运机理尚未被完全探究. 因此, 采用计算流体动力学(CFD)与离散元(DEM)耦合的方法, 分析不同粒径、不同振动频率与振幅和不同浓度工况下在强迫振动管道中的粗颗粒动力学特性以及管内流场变化特性. 其中, 将管道的振动简化为一维径向振动, 将实际工况中的柔性管道假定为刚体管道. 研究表明, 在管道振动过程中, 大颗粒相比小颗粒的惯性更大, 而流体也需要更大的速度产生更大的曳力推动大颗粒, 导致更大的轴向流场速度以及更大的轴向颗粒速度. 随着粒径增大, 大颗粒对流场的扰动更大, 导致流体与壁面间的作用力更大; 并且大颗粒与壁面间的碰撞和摩擦作用力更大, 因此壁面剪应力增大. 同时, 大颗粒与流体间摩擦损耗的能量也更大. 因此管道需要更大的能量将其输运, 导致振动管道内的压降增加. 增大管道振动频率与振幅会导致颗粒在截面上的分布更加分散, 同时对流场扰动更大, 然而对轴向流场速度的影响相对较小. 增大进料浓度使颗粒间、颗粒与流场间的作用更加频繁, 导致颗粒分布发生变化, 并导致更大的轴向流场速度和湍动能.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-357

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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, 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, 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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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和霍尔推进, 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. 最适配空间运输任务的4种大功率电推进技术被首先介绍, 通过阐明其工作原理的方式来说明它们需要具备何种特性的工质. 之后回顾了各类电推进工质优化选择的历史过程, 结合这4类电推进的物理特点, 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.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-350

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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, 王友年

利用自主开发的三维流体力学模型程序, 对面向平板显示工艺和光伏工艺的大面积矩形感性耦合氩等离子体源进行了数值模拟. 该模型自洽地求解了带电粒子以及中性粒子的流体方程和感应电场的波动方程. 利用此模型, 研究了气压、功率以及线圈形状对各种等离子体参数的三维空间分布和均匀性的影响. 研究结果表明, 当放电气压较低时(4 mTorr), 电子密度的空间分布比较均匀, 且电子密度的最大值出现在腔室的中心区域. 感性沉积功率密度、激发态氩原子密度以及电子温度的最大值出现在线圈的下方. 随着放电功率的增加, 即从1000 W增加到4000 W, 电子密度显著提高, 但电子密度的空间分布变化不大. 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. 这是因为在较高的气压下, 带电粒子与背景气体的碰撞增加, 因此使得带电粒子的密度分布变得局域. 此外, 文章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$3 \times 3$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. 文章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.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-302

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原子尺度断裂模拟进展

丁彬, 高源, 陈玉丽, 李晓雁

材料/结构的断裂是一个多尺度过程, 绝大多数断裂过程都涉及到原子键的断裂, 因此原子尺度的演化对材料的宏观断裂行为有重要影响. 随着实验技术的飞速进步, 高清电子显微镜已经可以观察到原子尺度的裂纹, 而计算能力的日渐强大使得原子尺度模拟成为揭示实验现象背后的断裂机制、研究众多典型纳米结构材料断裂行为的有力工具. 在本综述文章中, 首先介绍了原子尺度断裂模拟的加载方法, 包括均匀加载、速度梯度加载、K场加载和静水应力加载, 并综合对比了上述加载方法的适用范围, 然后给出了基于原子尺度信息定量计算断裂韧性的方法, 包括能量释放率法、线下面积积分法、临界应力强度因子法、原子尺度内聚力模型法和原子尺度J积分法. 随后介绍了近年来有代表性的不同类型的纳米结构材料(包括单晶、多晶、孪晶等晶体结构, 非晶结构, 异质界面结构)断裂行为模拟研究, 例如钝化处理的单晶硅太阳能电池裂纹抗力大大增加、锂离子电池中锂化浓度控制的硅电极韧脆转变、错配应力驱动界面自发分层一步制备大尺度纳米硅片. 这些研究结果揭示了实验现象背后的机理, 同时和实验结果的一致性也印证了原子尺度模拟的可靠性与准确性. 最后强调了原子尺度模拟面临的一些问题和挑战, 并对将来的发展方向进行了展望.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-281

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气流作用下气道组织变形的流固耦合研究

秦源, 陈茜, 魏东, 任晓勇, 徐光魁

悬雍垂腭咽成形术(UPPP)是一种治疗阻塞性睡眠呼吸暂停(OSA)的常规外科手术, 然而由于手术作用机制仍不清楚, 手术成功率较低. 现有的研究大多忽略了患者上气道的具体形态以及呼吸作用下气道软组织的弹性变形, 不足以有效指导手术治疗. 文章基于OSA患者在术前、术后的CT扫描图像, 构建了精确的三维上气道模型, 通过双向流固耦合(FSI)计算, 模拟研究了呼吸作用下上气道软组织的弹性变形和气道内气流流动情况. 比较手术成功案例和失败案例中OSA患者上气道的流速、压力分布及气道弹性变形情况, 从气道流体流动状态和气道软组织变形的角度解释了OSA的发生原因与手术作用机制. 结果表明, 最小横截面积尺寸并不是UPPP手术成功与否的决定性因素, 成功的手术应当是减轻气道壁负压力程度、降低气道进出口之间的压降. 此外, 使用双向FSI方法, 文章进一步构建了简化的人体二维软腭模型, 探究了软腭弹性模量对吸气过程的影响, 发现当软腭的弹性模量在0.5 ~ 1.5 MPa的范围内时, 刚度更小的软腭会改善流场的流动情况, 但也更易发生变形塌陷. 文章所发展的流固模型为个性化预测手术效果提供了研究工具.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-278

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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, 着眼于从生物质和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、酸和醛等多种有机物, 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. 文章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反应和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, 将以上6大路径分为3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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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

涡旋是湍流的基本结构, 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湍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, 圆度和半径因子概率密度函数(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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阶梯式圆柱射弹小角度入水弹道特性研究

祁晓斌, 施瑶, 刘喜燕, 潘光

圆锥圆柱外形射弹小角度高速入水过程中, 入水初期空泡呈不对称性发展. 随着入水角度减小, 入水空泡发展不对称性现象加剧, 使得弹体受到阶跃性突变力矩作用, 导致其姿态角发生大幅度变化, 严重影响射弹入水弹道稳定性, 甚至出现入水跳弹现象. 为了改善高速射弹小入水角度入水过程弹道稳定性, 基于“空化器空化效应”原理提出了一种阶梯式圆柱外形射弹设计方案. 通过流体体积多相流模型和动网格技术, 建立超空泡射弹小角度入水数值计算方法, 并通过入水试验验证了数值方法的有效性. 对阶梯圆柱外形射弹与圆锥圆柱外形射弹以5°入水角的入水过程进行了数值模拟研究, 得到了不同射弹外形空泡演化特性对水动力特性及弹道稳定性的影响. 结果表明: 阶梯圆柱外形能够加快初生空泡的发展并伴随多空泡融合现象, 在0°攻角条件下, 当空泡充分发展后, 空泡尺寸未发生改变, 在小攻角(5°)工况下, 空泡对弹体的包覆面积增大, 改善了射弹的升力性能; 在小角度入水过程中射弹锥段空泡发展形态对入水稳定性具有重要影响, 阶梯圆柱外形能够有效加快入水空泡的发展, 进而形成有效抑制攻角持续增大的恢复力矩, 提升了高速射弹小角度入水初期弹道稳定性.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-212

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基于POD方法的EPR燃料棒流致振动特性分析

闵光云, 冯琳娜, 姜乃斌

EPR (European pressurized reactor)燃料棒相比M310燃料棒的棒长更长, 导致其频率降低、幅值增大, 在冷却剂的作用下, 会加剧格架与棒束之间微动磨损(grid-to-rod fretting, GTRF), 进而造成放射性物质的泄漏. 将EPR燃料棒简化为3D梁模型, 将刚凸和弹簧对燃料棒的约束等效为弹性约束, 将带格架的燃料棒简化为多跨连续简支梁模型, 然后基于ANSYS-APDL建立了EPR燃料棒的有限元模型. 阐述了湿模态分析和湍流激振响应分析的基本原理, 整理了12个格架失效工况, 系统地研究了格架失效对湿模态和湍流激振响应的影响. 针对EPR燃料棒流致振动问题, 提出了采用本征正交分解(proper orthogonal decomposition, POD)原理分析EPR燃料棒流致振动特性的方法, 通过对快照矩阵进行POD分解生成投影子空间, 将湍流激振响应投影到子空间进行模型降阶, 最后在物理空间快速地重构湍流激振响应. 结果表明: 格架失效会导致频率降低, 且湍流激振响应的幅值会在格架失效处增大; 当格架失效使得EPR燃料棒模型成为悬臂梁结构时, 湍流激振响应最大; 前2阶POD降阶模型基本能快速重构燃料棒的湍流激振响应, 且误差非常小. 文章的研究将有助于核反应堆工程的优化和设计.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-243

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超大型多模块结构组装过程动力学与姿态控制

符康琦, 张乐榕, 李庆军, 邓子辰, 吴志刚, 蒋建平

机器人在轨自主组装是未来建造超大型航天结构最具潜力的方式. 超大型结构通常包含多个模块, 需要机器人在柔性结构上反复进行抓捕、安装和爬行等操作. 此外, 组装过程中结构还受到空间环境干扰力的影响, 需要经历构型的增长和参数的变化, 导致其动力学行为非常复杂. 为了研究机器人空间组装超大型多模块结构的过程, 提出了一套轨道−姿态−结构耦合动力学、规划与控制的仿真框架. 首先, 采用自然坐标法和绝对节点坐标法建立主结构、空间机器人和组装模块的轨道−姿态−结构耦合动力学模型, 采用Kelvin-Voigt线性弹簧阻尼模型描述机器人末端夹持机构和模块对接机构的接触碰撞. 然后, 对机器人进行运动规划、轨迹规划和关节轨迹跟踪控制研究. 最后, 采用不同的组装姿态和不同的姿态控制方案对组装过程进行动力学仿真. 仿真结果表明, 由于质心位置的改变和组装模块的轨道差异, 主结构在组装过程中可能会出现显著的轨道漂移(取决于组装姿态). 如果模块沿轨道半径方向组装到主结构, 将导致组装过程长半轴和离心率出现快速增长; 反之, 如果模块沿轨道切向组装, 长半轴和离心率基本保持不变. 此外, 即使采用了万有引力梯度稳定的组装姿态, 仍需进行姿态控制和结构振动控制, 以减小结构振动幅值, 降低机器人与结构的碰撞风险, 提高组装精度和组装效率.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-289

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黏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%. 聚合物驱主要机理为改善流度比, 提高注入液的波及体积, 从而提高驱油效率. 近几年, 聚合物溶液黏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. 文章从聚合物溶液黏弹特性、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4个方面进行了综合分析, 对比论述了国内外关于黏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黏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, 从而使其比纯黏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. 最后针对黏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、黏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. 论文的归纳能够为黏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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黏性牛顿流体液滴撞击干燥或预湿网面的实验研究

宗绍强, 徐龙, 郝继光

液滴撞击网面现象广泛存在于自然界和一系列应用中, 液滴撞网后会穿透破碎产生二次液滴或不破碎全部附着在网面上, 两种情况下都会残留液体在网面而形成预湿, 影响后续撞击结果, 但前人研究集中于低黏性液滴撞击干燥网面, 黏性牛顿流体液滴撞击干燥或预湿网面的演化与机理仍有待探索. 文章采用高速阴影成像技术, 研究了黏性液滴(甘油水溶液)撞击干燥和预湿网面形成液指和破碎的演化规律, 考虑了网面结构尺寸、液滴黏性及撞击前网面上预湿液膜厚度对撞击结果的影响. 实验结果表明, 液滴撞击干燥网面后形成液指的最大长度随网孔宽度降低、液滴黏性增加而减小; 液滴黏性增加、网孔宽度减小均会抑制液滴对干燥网面的完全穿透; 预湿液膜高度的增加抑制液滴对网面的完全穿透, 并使不完全穿透时形成液指的最大长度减小. 建立了考虑液滴黏性、网孔宽度和网面预湿的液滴撞击网面后不完全穿透时形成液指的最大长度预测模型, 以及出现完全穿透时的临界参数理论预测模型, 模型预测结果均与实验结果吻合良好.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-344

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热轴力对双层微梁谐振器热弹性阻尼的影响分析

李世荣

近年来, 已有不少关于复合材料层合梁/板谐振器热弹性阻尼的研究论文发表. 然而, 在这些研究中热轴力(热薄膜力)对热弹性阻尼的贡献都被忽略了. 众所周知, 若梁/板的材料性质分布关于几何中面不对称则其物理中面将偏离几何中面. 于是, 热−弹耦合振动引起的变温场不但会形成热弯矩, 还会产生热轴力(热薄膜力), 二者将共同产生热弹性阻尼. 文章基于Euler-Bernoulli 梁理论和经典热传导理论, 建立了双层矩形截面微梁热−弹耦合振动数学模型, 精确考虑了热轴力对微结构内能耗的贡献. 然后, 采用解析方法求得了用变形几何量表示的热轴力和热弯矩, 进而求得了系统自由振动的复频率以及用逆品质因数表示的热弹性阻尼解析解. 作为数值算例, 选取由均匀的银(Ag)和氮化硅(Si₃N₄)分层组成的双层微梁, 通过大量的数值实验定量分析了分层体积分数变化对热弹性阻尼的影响规律, 考察了热轴力对热弹性阻尼的影响程度. 结果表明, 忽略热轴力将会低估层合梁谐振器的热弹性阻尼. 在金属银的体积分数为70% (氮化硅体积分数为30%)时, 忽略热轴力后对热弹性阻尼的低估最大可达16.3%.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-381

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温度对撞击器内颗粒沉积粒径影响的研究

彭慧, 池辉, 徐聪, 尹招琴, 包福兵, 凃程旭

微颗粒的性质几乎与颗粒的粒径紧密相关, 为研究气溶胶粒子特性, 需获取颗粒粒径分布信息. 惯性撞击器是一种基于惯性原理实现大气中不同粒径颗粒沉积分离的装置, 在实际使用过程中, 经历复杂多变的环境. 文章利用拉格朗日多相 (LMP) 模型对撞击器内的气−固两相流动进行数值模拟, 使用有限体积方法(FVM) 研究了在绝热和换热两种情况下, 气溶胶温度变化 (−40 °C ~ 60 °C) 对颗粒沉积率的作用, 并分析其对颗粒粒径分离的影响. 结果表明: 在壁面绝热情况下, 随着气溶胶温度的升高, 颗粒沉积位置由冲击板中心向边缘发散, 颗粒收集效率逐渐降低, 颗粒收集数量减少; 在气溶胶和壁面换热情况下, 随着气溶胶温度的升高, 大颗粒沉积位置由冲击板中心向边缘发散, 颗粒收集效率降低, 小颗粒正好相反. 此外, 不同气溶胶温度下的颗粒收集效率曲线存在一个交点, 交点两侧大小颗粒的收集效率随温度的变化情况相反. 通过研究温度对撞击器颗粒收集的影响, 可以对颗粒分径结果进行修正, 获得更精确的粒径分布.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-316

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融合相似性原理的涡轮叶型流场预测方法研究

郭振东, 成辉, 陈云, 蒋首民, 宋立明, 李军, 丰镇平

计算流体力学(CFD)方法是涡轮叶片等设计阶段性能评估的重要手段. 然而, 基于CFD的数值仿真方法通常比较耗时, 难以满足涡轮叶型设计阶段快速迭代的需求. 为实现快速性能评估并克服纯数据驱动预测模型泛化能力不足的问题, 受到物理增强的机器学习思路的启发, 将相似性原理与深度学习模型相结合, 提出了一种泛化能力强的涡轮叶型流场预测新方法. 以涡轮叶片表面等熵马赫数分布预测为例, 提出采用相似性原理对叶型几何变量和气动参数进行归一化, 进而在归一化参数空间构建训练样本集与深度学习预测模型, 由此建立统一的流场预测模型, 对几何尺寸、边界条件差异较大的叶型气动性能进行评估. 在完成模型训练后, 对归一化条件下不同工况/不同形状叶型的流场、真实环境下不同工况/不同尺寸叶型的流场以及GE-E³低压涡轮不同截面叶型的流场进行预测, 结果表明预测结果的分布曲线与CFD评估结果吻合良好, 平均相对误差在1.0%左右, 由此验证了所提出的融合相似性原理的流场预测模型的精度与泛化能力.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-382

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颗粒材料破碎行为数值分析方法研究综述

梁绍敏, 冯云田, 赵婷婷, 王志华

颗粒材料在自然界和工程领域普遍存在, 外载荷作用下颗粒可能发生破碎现象. 颗粒材料的破碎行为会引起其物理力学性质的变化, 给工程和建筑建设带来极大影响. 研究宏、细观尺度下颗粒材料的破碎行为不仅可以揭示颗粒破碎的力学机理, 还对工程领域的安全和正常进行提供保障. 因此, 分析颗粒破碎过程既具有实际工程意义, 又有理论研究价值. 文章综述了颗粒破碎行为研究的数值分析方法, 在基于离散元法理论的数值方法中, 介绍了黏结−破碎法和碎片替代法; 在基于离散元−有限元耦合算法的方法中, 介绍了比例边界有限元法、组合有限元−离散元法和内聚力模型; 此外还详细介绍了近场动力学方法. 文章主要梳理并讨论了以上数值方法的提出、实现过程、发展、关键问题、优势以及这些方法的不足之处. 此外, 针对每一种数值方法回顾了国内外的研究成果以及在工程中的主要应用, 对每种方法重点关注的问题进行了介绍. 最后对目前关于颗粒破碎的数值研究进行总结, 并对今后的发展方向进行简单的展望.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-215

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垂直发射条件下水下航行体头型对通气空泡流动及压力特性的影响分析

任泽宇, 王小刚, 权晓波, 程少华

为了揭示垂直发射条件下水下航行体头型对通气空泡演化过程的力学影响机理, 首先基于有限体积法, 结合改进型延迟分离涡模型、流体体积多相流模型及重叠网格技术建立了垂直发射条件下通气空泡的数值计算模型. 其次, 将计算结果与垂直发射实验进行对比, 验证了所提出的数值方法对通气云空泡的预测具有较高精度, 说明了该方法在通气空泡复杂非定常计算中的适用性. 最后, 对比研究了相同工况下流线头型和钝头头型航行体通气空泡流动特性和压力特性的差异, 从涡量动力学的角度分析了差异产生的原因, 结果表明: 相比于流线头型航行体, 钝头航行体通气空泡气液交界面处速度梯度较小, 受到重力和浮力的影响更大, 在瑞利−泰勒不稳定性机制的作用下, 通气空泡更早发生非线性失稳, 空泡失稳区域呈现更为剧烈的浮动行为以及空泡脱落等非定常流动特性; 较强的空泡非定常流动特性影响了钝头航行体通气空泡末端的流动分离, 从而抑制了空泡末端滞止高压的高幅值特性.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-230

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基于数据驱动的舵面结构优化设计

时光辉, 贾宜播, 郝文宇, 武文华, 李强, 林晔, 杜宗亮

在航空航天领域, 基于结构拓扑优化理论的轻量化设计需求逐步增加; 而一些高端装备的空气舵通常服役于严酷的热力耦合环境中, 对其进行高效地轻量化设计兼具挑战和重要意义. 对于给定的载荷, 薄壁结构的刚度特性可以通过增加肋或加强筋而得到显著增强, 这与空气舵结构的设计需求高度一致. 然而, 传统隐式拓扑优化框架下的加筋设计存在设计变量数目多、计算效率较低、不易保证筋条几何特征以及不便直接将优化设计结果导入CAD系统等问题. 本研究采用了全新的显式拓扑优化方法−移动可变形组件法(MMC), 并结合数据驱动对具有异形封闭几何特征的空气舵进行高效加筋设计. 该方法直接对筋条骨架的几何信息进行优化, 具有设计变量少、计算效率高、优化结果可与CAD软件无缝衔接等优势, 从而解决了采用隐式拓扑优化方法及后续模型重构、参数优化等冗余步骤所面临的优化周期长、对设计人员经验依赖性强等问题. 进一步, 建立了加筋布局与关键力学性质映射的人工神经网络模型; 将其作为代理模型进行优化可极为高效地得到高质量的初始设计, 从而显著提升了舵面结构优化设计的效率. 文章设计框架融合了结构拓扑优化算法与人工神经网络技术, 可以推广应用于其他高端装备的智能设计.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-187

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调谐质量阻尼器和非线性能量阱抑制内燃机闭环轴系扭转振动的比较研究

马凯, 杜敬涛, 刘杨, 陈曦明

传统线性减振器在抑制内燃机轴系的扭转振动方面有着长期的应用, 但较窄的减振带宽限制了其性能的发挥. 考虑到内燃机闭环轴系的周期性激振力随转速的变化而变化, 其在相对较宽的频率域内实现高效的减振十分必要. 为了探究非线性能量阱(nonlinear energy sink, NES) 替代调谐质量阻尼器(tuned mass damper, TMD) 抑制曲轴扭转振动的可行性, 文章将建立曲轴的多惯量非线性闭环自激耦合振荡模型, 在此基础上, 研究TMD和NES对闭环曲轴扭振减振的影响规律. 分析过程综合考虑了轴系不同轴段位置的瞬态和稳态扭转振动. 除此之外, 定义了振动密度, 性能领先效率和波动率3种函数综合考虑不同动力吸振器(dynamic vibration absorber, DVA) 的性能优劣. 讨论了NES和TMD在不同的设计参数下(变刚度、变阻尼和变位置排布) 的减振效率和鲁棒性. 结果表明, NES和TMD控制曲轴扭振时具有不同的刚度及阻尼失效区间. 随着设计参数的变化, NES和TMD的减振性能交替领先, NES的综合性能领先了24.5%, TMD的综合性能领先了3.3%. 同时, NES具有较高的阻尼依赖性(13.6%), TMD具有较高的刚度(3.6%)及位置依赖性(25.6%).

, doi: 10.6052/0459-1879-23-285

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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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爆轰驱动多介质问题的Lagrange多分区自适应数值模拟研究

周蕊, 李理, 田保林

凝聚炸药爆轰驱动惰性金属材料形成的多介质流动问题广泛存在于工程应用领域, Lagrange方法由于其物质界面的高保真特性一直在相关问题的数值模拟中发挥着不可替代的作用. 加密网格是提高爆轰驱动多介质问题模拟精度的常用途径之一. 然而, Lagrange框架下整体密网格计算常会遇到网格畸变、计算效率低等问题. 为此, 针对爆轰驱动多介质流动问题, 本文提出了一种Lagrange框架下的非结构网格多层自适应方法, 在保证所关心区域局部网格分辨率的前提下, 大幅缩减了整体计算规模, 提升了Lagrange计算的健壮性. 我们设计了非结构网格多层数据结构, 提出了多层网格分层存储、有效网格压至一层进行Lagrange计算的AMR策略, 同时还发展了自适应接触滑移耦合算法, 实现了AMR计算与多分区接触滑移计算的“紧耦合”. 相比于已有工作, 本文所提出的AMR方法既保持了非结构网格多层数据结构的灵活性优势, 又避免了Lagrange框架下多层网格分别计算带来的层间耦合困难, 同时因实现了与接触滑移的自适应耦合, 使得它能很好地适应多分区的多介质问题. 在一维、二维爆轰算例验证所提出方法正确性的前提下, 开展了拐角爆轰、多层炸药隔爆、有限尺寸弯道爆轰等复杂爆轰弹塑性多介质问题的数值模拟研究. 计算结果显示, 采用Lagrange非结构多层AMR数值模拟方法, 可以有效捕捉凝聚炸药爆轰与惰性金属材料相互作用过程中的波系结构, 可节省90%以上的网格规模. 该方法对复杂几何边界、复杂波系结构、多分区相互作用等问题具有良好的适应性, 为后续开展凝聚炸药爆轰约束问题的机理研究奠定了坚实的基础.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-256

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分段线性系统经典数学模型的修正与动力学分析

张瑞良, 申永军, 韩东

由于间隙的存在, 很多机械系统可以简化为分段线性模型, 而简化后的模型中副簧系统通常包含阻尼. 在大多数文献建立的数学模型中, 主、副系统的接触点与分离点固定在间隙处. 文章研究发现, 由于副簧系统中弹簧与阻尼的力学特性不同, 主、副系统的接触点与分离点位置实际上是随着系统参数和运动状态而变化的. 若忽视这一点, 后续的包括分岔和混沌在内的动力学分析就会出现误差甚至错误. 首先基于经典的数学模型, 用数值方法揭示了在简谐激励下主系统未返回到间隙处就与副簧系统提前分离, 证明了经典数学模型的不当之处. 进一步研究发现主系统不仅会出现提前分离, 还会出现接触滞后的现象. 因此对系统的接触与分离条件提出了修正, 得到了更合理的数学模型. 研究发现修正后的接触点、分离点位置与修正前相差较大, 修正后的幅频响应曲线与修正前存在一定差别; 在复杂运动中, 修正前后的运动性质也可能发生改变, 证明了修正后的模型更加合理, 更能反映工程实际. 然后, 采用平均法并对平均法的积分区间进行推广, 求得了修正模型的幅频响应的解析解, 并通过龙格库塔法验证了解析解的正确性. 对解析解进行稳定性分析, 得到了解析解的稳定性判别式. 最后, 探究了修正模型的副簧系统参数对主系统幅频响应的影响.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-295

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亲水−超疏水相间表面通气减阻实验研究

郭沛洋, 张毅, 张梦卓, 胡海豹

超疏水表面有利于在壁面形成气膜层, 是一种潜在的兼具防污功能的新式仿生减阻技术, 但在高速来流的剪切作用下该气膜易流失破坏. 通过构造亲水−超疏水相间表面来增强超疏水表面气膜层的稳定性, 从而期望达到更优的减阻效果. 采用重力式水循环管道测试系统, 测试了在湍流状态下, 超疏水条带宽度与雷诺数对减阻效果的影响, 并分析了对应的气膜铺展状态及其对减阻特性的影响. 结果表明, 亲水−超疏水相间表面持续通气能解决表面气膜层的流失问题, 实现气膜层的长时间稳定维持; 表面减阻率随水流速度(雷诺数)的增大呈现降低趋势, 且表面气膜稳定性逐渐降低; 表面减阻率随超疏水条带宽度增加呈现出先增后减的趋势, 并在超疏水条带宽度为5.0 mm时达到最大, 最大减阻率为40.2%. 分析原因在于, 超疏水条带较窄时, 高剪切应力的液固界面占比较高, 带来了较高的阻力; 而条带较宽时, 表面气膜层稳定性不佳. 因而在某一流动状态下, 存在最为合适的超疏水条带宽度, 使得减阻效果最佳.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-303

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横向喷流对低速大攻角细长旋成体非对称气动特性影响研究

徐一航, 刘伟

采用风洞试验和数值模拟相结合的方法, 对雷诺数Re = 55000条件下细长旋成体有、无横向喷流时大攻角非对称特性进行了分析. 通过风洞试验发现了旋成体在法向和侧向进行喷流时其大攻角非对称气动特性与无喷流时的区别, 通过数值模拟方法对几个典型工况下旋成体有、无横向喷流时的非对称气动特性进行了分析, 揭示了喷流对旋成体非对称流动分离的影响. 通过风洞试验发现当细长旋成体进行法向控制时无喷流、喷流位于迎风区和喷流位于背风区的旋成体表现出了不同的非对称流动特性: 首先喷流位于迎风区时攻角范围在20º ~ 40º之间有喷流和无喷流旋成体所产生的侧向力方向相反, 攻角大于40º之后侧向力系数的方向发生了改变, 与无喷流时的侧向力系数方向相同, 但是其绝对值要比无喷流时的侧向力系数小. 其次喷流位于背风区时攻角在15º ~ 35º之间有喷流时的侧向力系数绝对值要明显比无喷流时大, 在随后的40º ~ 70º之间旋成体侧向力系数变化规律与无喷流的趋势相似. 当细长旋成体进行侧向控制时由于沿侧向的喷流所产生的直接力使得攻角范围在0º ~ 20º之间和大于45º时有喷流的旋成体侧向力系数绝对值要比无喷流时大, 但是攻角在25º ~ 40º之间时旋成体的侧向力系数绝对值减小, 甚至在35º时几乎为0. 通过数值模拟发现当细长旋成体进行法向控制时, 喷流位于迎风区和背风区时喷流都对有扰流片一侧的流动分离产生了影响, 使得其与无喷流时的流场结构不同. 无喷流时细长旋成体有扰流片的一侧首先发生流动分离, 但是当喷流存在时无扰流片的一侧首先发生流动分离, 从而导致了侧向力绝对值增大以及侧向力方向发生改变等现象. 当细长旋成体进行侧向控制时, 没有扰流片的一侧流动首先发生了分离, 有扰流片的一侧后发生流动分离. 旋成体有扰流片一侧由于喷流的影响在弹体喷嘴附近及后方产生了低压区, 无扰流片一侧的流动分离之后旋成体中后部分产生了高压区, 使弹体产生了沿z轴正向的侧向力, 这与喷流产生的直接力方向相反、大小相当, 从而出现了旋成体攻角在20º ~ 40º之间侧向力较小、甚至在35º时几乎为0的情况.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-251

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基于多层级LSTM的铝板缺陷检测

张枫毅, 王莉华, 叶文静

铝板因其优良的抗疲劳性和延展性广泛应用于航空航天和建筑等领域. 然而在生产过程中, 由于外部环境、操作工艺等的限制往往会产生各种各样的缺陷, 从而影响其力学性能, 例如会降低铝材料的强度、延展性和韧性等, 导致其使用寿命的缩短. 在单次发射和接收超声波的情况下, 论文提出了多层级长短期记忆(long short-term memory, LSTM)神经网络的方法, 用于辅助检测铝板的夹杂(气泡)缺陷. 利用有限元软件COMSOL Multiphysics模拟含有夹杂缺陷的铝板中超声波的传播过程, 导出含有缺陷信息的波形数据, 通过训练波形数据, 得到可以反映波形数据与夹杂缺陷大小和位置关系的网络模型. 此外, 该模型采用硬投票的方法以缓解网络训练过程中繁杂的参数调整问题, 提高了检测结果的可靠性. 结果表明: 夹杂缺陷半径检测的准确率超过了98%, 夹杂缺陷深度检测的准确率达到1, 夹杂缺陷横坐标位置检测的准确率超过95%. 为LSTM神经网络应用于超声无损检测提供了借鉴.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-193

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回流区稳定燃烧的近熄火特性理论分析

汪洪波, 连城阅, 张锦成, 曾宇, 杨揖心, 王亚男

基于火焰稳定在回流区剪切层中的假设, 建立了预混火焰近贫燃熄火极限特性的理论分析模型. 一旦火焰稳定在剪切层中, 由于剪切层同时从两侧卷吸流体, 所以进入火焰的流体将是自由流与回流区流体的混合物. 如果是贫燃火焰, 回流区流体由燃烧产物和多余的氧化剂组成而没有燃料, 因此进入剪切层火焰的混合物当量比将低于自由流的当量比. 如此一来, 即使自由来流是可燃的, 剪切层中混合物的当量比也可能超出可燃极限. 分析表明, 对于回流区稳定的贫燃火焰, 进入剪切层火焰的混合物有效当量比将低于自由来流的当量比. 根据理论分析建立了近贫燃熄火极限的回流区稳定燃烧模式图, 其中涉及4个参数: 自由来流当量比、剪切层卷吸比、吹熄极限和再点火极限. 分析揭示出4种可能的燃烧模式: 超稳定火焰、亚稳定火焰、振荡火焰和熄火. 特别地, 在参数空间发现了一个振荡区, 它可能为近吹熄火焰引入一种新的固有不稳定性机制. 在这种机制中, 剪切层中的当量比振荡实际上是由燃烧过程本身驱动的 , 因为火焰的位置/振荡影响着进入回流区的流体成分进而影响剪切层中的当量比. 因此, 当量比振荡与燃烧过程之间的反馈循环由于周期性的火焰吹熄和闪回/再稳定而得以封闭.

, doi: 10.6052/0459-1879-23-206

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固定鸭舵双旋弹全弹道动态稳定性及其影响因素

赵新新, 史金光, 王中原, 张宁

为研究固定鸭舵双旋弹全弹道飞行时的动态稳定性问题, 在小攻角条件下建立复攻角运动的状态空间模型, 并应用霍尔维茨方法导出其特征根实部皆负的一般性条件. 针对起控前/后前体滚转角的运动特点, 利用常规旋转弹的稳定性分析方法, 建立固定鸭舵双旋弹在不同飞行状态下的动态稳定性判据, 其与常规旋转弹的形式相似, 无控飞行时在升力和静力矩项中对应增加了舵面控制力和力矩项; 有控飞行时进一步增加了有关项相对增量的影响. 据此在后体参数确定的条件下推导舵面参数约束条件, 并分析操纵舵控制力系数导数、安装位置和舵偏角对动态稳定性的影响, 揭示了该类炮弹动不稳定形成的原因. 对复攻角运动在不同条件下的仿真分析结果表明, 当舵面引起的有关项相对增量同时位于无控和有控飞行的边界曲线内时, 固定鸭舵双旋弹全弹道飞行动态稳定, 验证了本文推导的动态稳定性判据和舵面参数约束条件合理, 为该类炮弹的研制提供了理论依据与设计参考.

, doi: 10.6052/0459-1879-21-636

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