力学学报

基于壁面主动变形的湍流减阻控制研究

采用谱方法, 对反向控制下壁面主动变形的槽道湍流进行了直接数值模拟研究. 结果表明, 在壁面最大变形量小于5倍黏性尺度条件下, 压差阻力可略, 摩擦阻力降低7.6%. 施加控制后, 湍流强度和雷诺应力受到明显抑制, 平均速度剖面对数区上移. 受壁面法向运动的影响, 条带结构强度减弱、尺度变大; 流向涡外移且强度减弱, 其倾斜和抬起的角度均有不同程度的减小. 壁面变形呈现流向拉长的凹槽结构, 其平均间距为90倍黏性尺度.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 653-663.

反射激波冲击重气柱的RM不稳定性数值研究

数值研究了二维气柱在入射激波以及反射激波作用下的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性发展规律, 采用有限体积法结合网格自适应技术的VAS2D程序, 精确刻画激波和界面的演化. 入射平面激波的马赫数为1.2, 气柱界面内气体为六氟化硫(SF<sub<6</sub<), 环境气体为空气, 激波管的尾端为固壁. 通过改变气柱与尾端之间的距离调节反射激波再次作用已经变形的气柱的时间, 获得不同时刻下已经变形的气柱形态、界面尺寸以及环量演化受到反射激波的影响. 结果表明, 反射激波再次作用气柱时, 气柱所处发展阶段不同, 界面演化规律以及环量随时间的变化也不相同, 反射激波与气柱相互作用过程中的涡量产生和分布与无反射情况差异较大, 揭示了不同情况下界面演化的物理机理.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 664-672.

可压缩各向同性衰减湍流直接数值模拟研究

采用五阶有限差分WENO格式直接模拟了高初始湍流Mach数的可压缩均匀各向同性湍流,主要分析了湍流的统计特性和压缩性的影响,包括能谱特征、激波串、耗散率、标度律等. 研究表明,湍动能主要来自于速度场螺旋分量的贡献;各向同性湍流的小尺度脉动对压缩性更为敏感,并且压缩性的增强加快了湍流大尺度脉动向小尺度脉动的湍动能输运;随着湍流Mach数的升高,胀量(压缩)耗散率所占比率也显著增长. 标度律分析表明,强可压缩湍流的横向速度结构函数仍然具有扩展自相似性;当阶数较高(<em<p</em< ≥ 5)时,纵向速度结构函数的扩展自相似性则不再成立. 对于压缩性较弱的湍流,与不可压缩湍流一致,横向湍流脉动的间歇性要强于纵向湍流脉动;而对于强可压缩湍流,纵向湍流脉动的间歇性要强于横向湍流脉动.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 673-686.

圆环旋转黏性液体射流空间不稳定性研究

利用线性稳定性理论, 进行了液体黏性对不同旋转强度下圆环旋转液体射流空间不稳定性影响的研究. 在推导出的三维扰动下具有固体涡核型旋转速度分布的圆环旋转黏性液体射流色散方程的基础上, 针对中低速射流, 进行了类反对称模式与类对称模式下圆环旋转黏性液体射流的空间不稳定性分析. 研究结果表明, 对于旋转强度较大的圆环旋转液体射流, 液体黏性的增加, 不利于射流的破碎; 随着液体黏性的增加, 射流的特征频率和最不稳定波数减小. 然而, 对于旋转强度较小的圆环旋转液体射流, 液体黏性的增加, 有利于射流的破碎; 随着液体黏性的增加, 类反对称模式下射流特征频率先减小后增大, 类对称模式下射流特征频率增大; 随着液体黏性的增加, 类反对称模式下射流最不稳定波数先减小后增大, 类对称模式下射流最不稳定波数增大.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 687-693.

超空化航行体气体流量率的确定方法研究

通气超空化技术是大幅提高水下航行体速度的重要途径,通气流量率的确定是实现该技术的核心问题之一. 通常的流量率预估没有考虑雷诺数的影响,因而造成统计数据过于分散. 基于边界层理论及其相关假设,提出了一种确定人工通气超空化气体流量率的预估方法,并引用相关试验数据进行验证. 结果表明,所得近似关系式在雷诺数为0.35×10<sup<5</sup<～ 5.4×10<sup<5</sup<, 空化器锥角为30°～ 180°的变化范围内都是适用的.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 694-700.

非定常空泡闭合区域最大压力的理论研究

当物体在流体中高速运动产生空泡时,空泡通常以回射流的形式闭合在物体表面上,并在闭合位置对物体表面产生流体超压. 在物体表面上的空泡闭合位置一般不是固定的,其位置根据物体运动速度的变化、空泡压力的变化及重力场中的位置等因素而在物体表面发生快速移动,在非对称情况下,这种移动超压会极大影响运动物体的稳定性. 基于势流理论研究了重力场中非定常垂直空泡闭合区域中最大压力的存在位置,推导了最大压力的理论公式,揭示了最大压力与空泡发展速度之间的关系,证明了最大压力点的两个特殊流体性质. 最后设计了测量空泡闭合区域最大压力的验证性试验,并将理论计算结果与试验测量结果进行了对比,验证了理论研究结果.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 701-708.

城市快速路交通流速密关系模型优化研究

从实测得到的210920中国城市快速路“车速-车头间距”数据中, 选取包含26773条数据的3个样本作为不同类型交通流的代表, 对多个交通流“速-密关系”模型进行参数优化和拟合优度比较研究, 给出优化模型参数的定性和定量规律. 修正形式的 Kerner-Konhauser平衡函数和Payne平衡函数通过参数优化, 分别在畅通和拥挤条件下具有优度相对最高的拟合结果, Greenshields模型(等价地, <em<m</em<=3时的一维管流模型)则对介于两种条件之间的实测数据具有优度相对最高的拟合结果.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 709-717.

非港湾式公交车站站点设置的研究

研究了在同一路段上非港湾式公交车站站点的分散式和集中式设置对道路交通的影响. 在元胞自动机交通流NaSch模型上, 提出了考虑公交车站站点分散式和集中式设置的双车道元胞自动机交通流模型, 通过计算机模拟和理论分析, 结果表明: 在开放边界条件下, 分散式公交车站点与集中式公交车站点相比, 影响道路交通通行能力作用显著的减小; 公交车站点之间的间隔、站台的长度、公交车停靠时间以及车流中公交车的比例对交通流量有显著的影响.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 718-726.

考虑屋盖柔度的开孔两空间结构风致内压研究

基于合理假定, 推导了迎风面单开孔两空间结构在其屋盖以动力和准静态两种方式响应时的内压控制方程组. 通过数值算例, 分析了各种屋盖柔度下由动力模型与准静态模型计算得到的两子空间内压增益函数、内压系数功率谱以及内压系数均方根值. 结果表明: 当屋盖较柔时, 须采用动力模型来计算内压响应, 反之, 可采用简化的准静态模型. 随着屋盖自振频率的增大, “内压-屋盖”系统的三阶共振频率都增大, 前二阶共振频率处的峰值内压响应也随之增大, 但第三阶共振频率处的峰值内压响应却越来越小, 由两模型计算得到的内压系数均方根值均随之增大, 但它们的差值却越来越小.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 727-734.

基于高阶矩的稳健优化设计研究

采用随机响应量的前四阶统计矩来度量目标函数和概率约束条件的稳健性, 通过引入“权重因子”来确定新构造的目标函数中原函数和敏感系数的比重, 利用加权组合法将稳健优化设计这一多目标优化问题转化为单目标问题, 从而建立新的基于高阶矩的稳健优化设计数学模型. 矩估计方法可高效地评估目标函数和概率约束条件的统计矩, 且不需要搜索技术, 因此不构成嵌套循环(即稳健优化过程是单循环的), 从而可以大大降低优化的计算工作量. 对多个桁架结构进行了确定性优化设计、可靠性优化设计、传统的和该文所提的稳健优化设计, 验证了所建立的基于高阶矩的稳健优化设计数学模型的合理性和正确性, 比较并解释了计算所得的优化结果.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 735-744.

透射边界高频失稳机理及其消除方法——SH波动

用有限元法求解近场波动问题,须选取人工边界条件以实现对无限域稳定、高效的数值模拟. 该文探讨了SH波导有限元数值模拟中透射边界引发的高频失稳问题. 从离散模型出发,分析了内节点与人工边界节点运动方程频散曲线之间的匹配关系,揭示了高频失稳的一种机理,即二者相互耦合所得计算方案支持自发从人工边界向计算区域内行进的高频波动. 提出通过调整内节点运动方程以改变这一匹配关系,从而消除失稳的措施. 理论分析与数值结果表明该措施能有效地消除高频振荡失稳.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 745-752.

黏弹性准饱和土中球空腔动力特性

在频率域内研究了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中球空腔的稳态动力响应. 通过引入与孔隙率有关的应力系数合理地确定了介质和孔隙水共同承担的内水压力值. 将土骨架和衬砌分别视为具有分数导数本构模型的黏弹性体和多孔柔性材料, 基于Biot两相介质模型, 通过引入位移势函数解耦得到了内水压力作用下分数导数型黏弹性准饱和土中半封闭球形空腔的位移、应力和孔隙水压力解析表达式. 考察了物性和几何各参数对球形空腔动力响应的影响, 结果表明: 分数导数本构模型更合理地描述了土体的动力学行为; 饱和度对应力和孔隙水压力影响较大, 而对位移影响较小.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 753-761.

分数阶Duffing振子的超谐共振

研究了含分数阶微分项的Duffing振子的超谐共振,通过平均法得到了系统的一阶近似解. 提出了超谐共振时等效线性阻尼和等效线性刚度的概念,分析了分数阶微分项的系数和阶次对等效线性阻尼和等效线性刚度的影响. 建立了超谐共振解的幅频曲线的解析表达式和稳定性判断准则,对分数阶Duffing振子与传统整数阶Duffing振子的超谐共振解进行了比较. 最后通过数值仿真研究了分数阶微分项的参数对超谐共振幅频曲线的影响.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 762-768.

不确定车轨耦合系统辛随机振动分析

建立了轨道不平顺作用下具有不确定参数车轨耦合系统随机振动评估方法. 车辆系统采用物理坐标下多刚体系统模型,并应用高斯随机变量模拟车体、转向架和轮对一系、二系连接系统中动力学参数具有的不确定性. 采用无穷周期结构进行弹性轨道模拟,在哈密顿状态空间下建立了典型轨道子结构的状态运动方程,通过轮轨耦合关系建立了混合物理坐标及辛模态坐标车轨耦合系统运动方程. 应用Hermite正交多项式展开得到了耦合系统动力响应相对于不确定性参数的控制方程. 由于利用轨道周期特性建模,所获得的控制方程有效地降低了方程维度. 轮轨接触处轨道不平顺载荷模拟为完全相干多分量平稳随机过程,推广和发展虚拟激励法建立了耦合系统随机振动受不确定动力学参数影响的量化评估方法. 通过Monte Carlo数值模拟,验证了该方法在不确定参数变异很大时也能够保持较好的精度,具有一定的工程实用性.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 769-778.

基于信息编码的神经能量计算

通过神经元活动期间神经能量的计算, 发现关于神经元的活动需要消耗能量的观点并不完整. 计算表明神经元在动作电位发放期间先吸收能量然后再消耗能量. 依据这个重要发现, 能够解释当脑内神经元被激活时脑血流量大幅增加而耗氧量却增加很少这一难以解释的神经生理学现象. 同时还能够解释外部刺激信息和知觉的产生会有同步效应这一认知神经科学界也难以解释的现象.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 779-786.

隔离板对流向振荡圆柱尾流旋涡脱落的抑制

用隔离板对直径为D, 沿流向振荡的圆柱后涡脱落进行抑制. 隔离板放于圆柱尾流中心线上,控制参数包括隔离板长度<em<L/D</em<以及隔离板前缘到柱体振荡中心的距离<em<G/D</em<. 实验的雷诺数范围<em<Re</em<=<em<V</em<<sub<∞</sub<<em<D/v</em<=1.01×10<sup<4</sup<～1.69×10<sup<4</sup<,柱体折减振频范围<em<f</em<<sub<e</sub<<em<D/V</em<<sub<∞</sub<=0～0.03, 柱体振幅固定为<em<A/D</em<=0.2. 风洞烟线显示和热线测量结果表明:当 <em<G/D</em<位于一个有效区域内时,可有效抑制振荡柱体尾流的旋涡脱落. 该有效区的大小随着隔离板板长的增大而增大, 随着<em<Re</em<数和圆柱振荡频率的增大而减小.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 787-791.

基于Newton/Gauss-Seidel迭代的DGM隐式方法

在Newton迭代方法的基础上,对高阶精度间断Galerkin有限元方法(DGM)的时间隐式格式进行了研究. Newton迭代法的优势在于收敛效率高效,并且定常和非定常问题能够统一处理,对于非定常问题无需引入双时间步策略. 为了避免大型矩阵的求逆,采用一步Gauss-Seidel迭代和Matrix-free技术消去残值Jacobi矩阵的上、下三角矩阵,从而只需计算和存储对角(块)矩阵. 对角(块)矩阵采用数值方法计算. 空间离散采用Taylor基,其优势在于对于任意形状的网格,基函数的形式是一致的,有利于在混合网格上推广. 利用该方法,数值模拟了Bump绕流和NACA0012翼型绕流. 计算结果表明,与显式的Runge-Kutta时间格式相比,隐式格式所需的迭代步数和CPU时间均在很大程度上得到减少,计算效率能够提高1～ 2个量级.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 792-796.

基于改进等效平面法的结构系统可靠性分析

将复相关理论引入到结构系统可靠性分析中, 推导了并联体系等效功能函数的递推公式, 提出了复相关等效平面法. 解决了等效平面法等效原则中不包含相关性信息的问题, 克服了等效平面法计算并联体系误差大的缺点. 通过算例证明该方法有较高的计算精度, 优于传统结构系统可靠性分析方法, 适合大型结构系统的可靠性分析.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 797-801.

含随机参数的多体系统动力学分析

基于Lagrange方程建立了含随机参数的多体系统的动力学模型,利用广义坐标分离法将随机微分代数方程转化为随机纯微分方程,利用Newmark法进行数值解算. 应用随机因子法求解系统随机响应的数字特征,获得统计意义下的解. 以旋转杆滑块系统为例,考虑系统中载荷、物理和几何参数的随机性,通过与Monte Carlo法结果的对比验证了文中方法的正确性和有效性. 计算结果表明,部分随机参数的分散性对多体系统动力响应的影响不可忽略,利用随机参数的动力学模型将能客观地反映出系统的动力学行为.

力学学报. 2012 ${article.volume}(4): 802-806.