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隔板对阵风来流下圆柱绕流特性的影响

中国科学：技术科学 2024年第7期54卷 1425-1434页

作者：杨朋昕段凡王晋军北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室北京100191

本文通过对阵风来流下圆柱-隔板模型气动力、变形与流场的同步测量,分析了隔板对阵风来流下圆柱-隔板模型绕流特性的影响.隔板长度L与圆柱直径D之比为L/D=1,基于来流速度U_(∞)和圆柱直径D的雷诺数Re_(D)=2×10^(4).结果表明,隔板同样... 详细信息

本文通过对阵风来流下圆柱-隔板模型气动力、变形与流场的同步测量,分析了隔板对阵风来流下圆柱-隔板模型绕流特性的影响.隔板长度L与圆柱直径D之比为L/D=1,基于来流速度U_(∞)和圆柱直径D的雷诺数Re_(D)=2×10^(4).结果表明,隔板同样能降低阵风来流情况下圆柱绕流的阻力,减阻量为13%.同时,阵风来流下模型气动力脉动大幅增加,而柔性隔板变形与流场涡脱落的耦合使气动力脉动进一步增大.此外,阵风来流主导旋涡形成前流场中的速度脉动.由于隔板的存在导致剪切层伸长,旋涡形成长度增加,阵风来流的影响范围扩大.

关键词：圆柱绕流柔性隔板阵风气动特性流固耦合

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小翼羽掠角对机翼增升效果的影响

空气动力学学报 2024年第2期42卷 76-84,I0002页

作者：唐钰涵王将升王晋军北京航空航天大学流体力学教育部重点实验室北京100191

鸟类会通过抬起其翅膀前缘3至4根长度较短的羽毛(小翼羽)来抑制失速和增加升力,并根据不同飞行状态改变小翼羽与翅膀之间的掠角。为应对大迎角下的机翼失速问题,本文结合风洞测力和粒子图像测速实验研究了小翼羽掠角对机翼增升效果的影... 详细信息

鸟类会通过抬起其翅膀前缘3至4根长度较短的羽毛(小翼羽)来抑制失速和增加升力,并根据不同飞行状态改变小翼羽与翅膀之间的掠角。为应对大迎角下的机翼失速问题,本文结合风洞测力和粒子图像测速实验研究了小翼羽掠角对机翼增升效果的影响。风洞测力实验结果表明,相比于无前掠的小翼羽,适当前掠的小翼羽对机翼的增升效果更好且不会增加机翼阻力。平面粒子图像测速和体视粒子图像测速实验表明,适当的前掠角能够增强小翼羽产生的前缘涡的强度,并扩大前缘涡增升的有效机翼迎角范围,最终导致适当前掠的小翼羽对机翼的增升效果更好。

关键词：小翼羽掠角风洞粒子图像测速前缘涡增升流动控制仿生流体力学实验

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火山气溶胶影响气候的研究现状与未来

科学通报 2024年第2期69卷 230-252页

作者：周天军左萌满文敏中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国科学院大学北京100049

火山喷发主要通过改变大气成分进而影响气候异常,火山喷发后在平流层形成的硫酸盐气溶胶是影响气候变化的重要自然外强迫因子.本文在概述火山喷发影响气候的基本原理和研究方法基础上,围绕着过去2500年主要火山事件的记录重建,火山喷发... 详细信息

火山喷发主要通过改变大气成分进而影响气候异常,火山喷发后在平流层形成的硫酸盐气溶胶是影响气候变化的重要自然外强迫因子.本文在概述火山喷发影响气候的基本原理和研究方法基础上,围绕着过去2500年主要火山事件的记录重建,火山喷发对全球气候、厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-southern oscillation,ENSO)、东亚和中国气候的影响,火山喷发对年代际气候预测和未来气候预估的影响、火山空气污染及其人体健康影响等问题,总结了近年来的主要进展,探讨了亟待加强的研究方向.主要结论如下:(1)较为可靠的火山气溶胶强迫资料重建已延伸至过去2500年,全球范围内能够造成有效辐射强迫减少1 W m−2以上的大型火山喷发的平均周期为43±7.5年;记录重建的难点在于如何利用冰芯中的硫酸盐记录来重建火山强度、持续时间和空间分布等.(2)火山气溶胶的全球气候影响,包括令全球平均温度降低和冬季北半球中高纬地区升温,使全球平均降水减少,季风环流减弱,季风降水减少;火山喷发后平流层水汽的增加能够部分抵消火山气溶胶的冷却作用;火山喷发还能够影响海表高度、海温和海洋环流的年代际变化,通过影响生态系统碳循环造成大气中CO_(2)浓度降低.(3)热带火山喷发后太平洋会出现El Niño型海温响应,热带和北半球高纬度火山喷发对El Niño型海温异常形成的驱动作用强于南半球火山,海温初始位相能够影响火山喷发对ENSO的影响.(4)火山气溶胶能够导致东亚地区气温下降,出现极端低温,并使东亚夏季风环流减弱,中国东部降水总体减少,但呈现出空间分布上的不均匀性.(5)考虑火山气溶胶的影响能够提升年代际气候预测技巧,强迫气候系统内部变率模态的位相变化,潜在的火山喷发能够导致预估的未来百年全球平均温度低于预期、全球季风区降水减少.(6)火山喷发能够引起火山空气污染,进而对人体健康产生影响.(7)未来需要加强的研究工作,包括历史时期火山记录的重建和器测资料时期火山气溶胶等资料的卫星反演、火山影响全球和区域气候的物理学机理研究、“平流层化学-气溶胶-气候”耦合模式的研发、火山气候影响研究的多学科交叉国际合作,需要重视现代小型火山喷发的气候影响问题,以及火山喷发对年代际气候变率模态和年代际气候预测的作用问题.

关键词：火山气溶胶重建和气候模拟温度降水厄尔尼诺-南方涛动气候预测和预估

温室气体、气溶胶和太平洋年代际振荡对亚洲高山区降水变化的共同作用

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科学通报 2024年第10期69卷 1253-1256页

作者：江洁周天军中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室北京100029 中国科学院大学地球与行星科学学院北京100049

以青藏高原为主体的亚洲高山区孕育并滋养了亚洲多条重要的河流.亚洲高山区是气候变化的敏感区,同时也是生态环境的脆弱区.在全球增温背景下,亚洲高山区水循环发生了前所未有的变化,面临冰川退缩、积雪减少、多年冻土消融等问题.亚洲高... 详细信息

以青藏高原为主体的亚洲高山区孕育并滋养了亚洲多条重要的河流.亚洲高山区是气候变化的敏感区,同时也是生态环境的脆弱区.在全球增温背景下,亚洲高山区水循环发生了前所未有的变化,面临冰川退缩、积雪减少、多年冻土消融等问题.亚洲高山区陆地水储量的变化具有明显的空间异质性,这与过去几十年该地区降水的“双核型”变化有关[1].多源观测资料分析表明,20世纪70年代以来亚洲高山区北部降水增多,而包括喜马拉雅山脉在内的高原东南部地区降水则减少[1,2].

关键词：温室气体山区降水喜马拉雅山脉冰川退缩多年冻土水循环空间异质性生态环境

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岩石化学风化力学特性的宏微观定量关联

同济大学学报（自然科学版） 2024年第6期52卷 911-919页

作者：周志豪王华宁蒋明镜同济大学土木工程学院上海200092 同济大学航空航天与力学学院上海200092 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海200092 苏州科技大学土木工程学院江苏苏州215009

为了分析化学风化对岩石力学性能的影响机制,采用密集排列的颗粒集合体模拟岩石材料,将与化学风化时间相关的质量损失率引入颗粒刚度和胶结模型。基于均匀化方法和格构模型,推导获得了风化岩石弹性阶段应力‒应变关系和强度准则以及宏观... 详细信息

为了分析化学风化对岩石力学性能的影响机制,采用密集排列的颗粒集合体模拟岩石材料,将与化学风化时间相关的质量损失率引入颗粒刚度和胶结模型。基于均匀化方法和格构模型,推导获得了风化岩石弹性阶段应力‒应变关系和强度准则以及宏观弹性和强度参数与微观参数(颗粒接触响应特性、风化损伤参数等)的定量关联,并探究了化学风化及其时效性对岩石力学性能的影响规律。结果表明,随着质量损失率的增大以及反应时间的增加,风化岩石的刚度和强度均呈负指数减小;当环境pH值较低时,岩石的峰值黏聚力和峰值内摩擦角随着反应时间的增大均显著降低;当环境pH值较高时,开始阶段岩石的峰值黏聚力显著降低,而峰值内摩擦角变化不大,峰值内摩擦角的显著降低需要更长的风化时间。

关键词：岩石化学风化宏微观时效效应

FGOALS高分辨率气候模式系统模式研制与应用综述

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大气科学 2024年第1期48卷 200-217页

作者：俞永强安博刘海龙包庆林鹏飞何编郑伟鹏栾贻花白文蓉李恬燕中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG) 北京100029 中国科学院大学北京100049

当今气候系统模式发展的重要趋势之一,是通过提高模式的空间分辨率,改进对气候系统中多尺度相互作用过程和极端事件的模拟能力。过去5年里,中国科学院大气物理研究所发展并完善了25 km分辨率大气环流分量模式FAMIL2.2、1/10°分辨率海... 详细信息

当今气候系统模式发展的重要趋势之一,是通过提高模式的空间分辨率,改进对气候系统中多尺度相互作用过程和极端事件的模拟能力。过去5年里,中国科学院大气物理研究所发展并完善了25 km分辨率大气环流分量模式FAMIL2.2、1/10°分辨率海洋环流分量模式LICOM3.0,并以此为基础建立了高分辨率气候系统模式FGOALS-f3-H。利用上述高分辨率模式,开展了大量的数值模拟试验和预报/预测研究,其中包括国际耦合模式比较计划第六阶段(CMIP6)的高分辨率模式比较子计划(HighResMIP),建立了海洋环流预测系统(LFS)等。初步评估分析表明,相对于低分辨率模式,高分辨率模式对气候平均态和气候变率的模拟能力均有明显改进。其中高分辨率大气环流模式可以更好地模拟台风、极端降水事件,高分辨率海洋模式可以更好地模拟海洋中尺度涡旋和西边界流,而高分辨率耦合模式则可以更好重现中尺度海气相互作用过程、热带不稳定波动(TIW)等事件。

关键词：气候系统模式高分辨率多尺度相互作用国际耦合模式比较计划(CMIP)

渗流影响下黏弹塑性岩体隧道支护压力预测的解析模型

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清华大学学报(自然科学版) 2024年

作者：刘倩王华宁同济大学航空航天与力学学院同济大学土木工程防灾国家重点实验室

对于流变岩体中衬砌支护深埋圆形隧道,该文用黏弹塑性模型模拟岩石流变特性并考虑实际应力路径及非稳态渗流场的影响,推导并获得支护压力及围岩、衬砌应力及位移的精确解析解,可以更快速精准地预测与时间相关的支护结构的受力变化和围... 详细信息

对于流变岩体中衬砌支护深埋圆形隧道,该文用黏弹塑性模型模拟岩石流变特性并考虑实际应力路径及非稳态渗流场的影响,推导并获得支护压力及围岩、衬砌应力及位移的精确解析解,可以更快速精准地预测与时间相关的支护结构的受力变化和围岩稳定状态。通过开挖释放荷载下的加载计算获得开挖阶段的流变位移与应力。在支护阶段,通过分离变量法获得全域全时段的非稳态孔压分布;正确考虑支护阶段的加卸载应力路径,得到渗流影响下衬砌支护力以及围岩、衬砌力场和位移场的时效解析解。对比考虑加卸载应力路径和仅按加载路径计算的结果,发现仅按加载路径而未考虑实际应力路径时围岩变形预测值偏小,支护结构按此设计将偏于危险。该文为黏弹塑性岩体中深埋圆形隧道与时间相关的支护压力预测和围岩、衬砌流变力场分析提供了快速预测的方法。

关键词：隧道工程黏弹塑性解析解应力路径非稳态渗流场支护压力预测

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基于统一半解析边界的ISPH流固耦合模拟

计算力学学报 2024年

作者：阮剑武王莉华周跃亭同济大学航空航天与力学学院

本文采用基于统一半解析边界处理的不可压缩SPH方法对流固耦合问题进行数值模拟。为了解决传统ISPH方法在模拟剧烈流体冲击的问题中容易发生的粒子穿透的问题，本文通过自由面压力修正方法提高了SPH方法中自由面粒子与边界之间的排斥力... 详细信息

本文采用基于统一半解析边界处理的不可压缩SPH方法对流固耦合问题进行数值模拟。为了解决传统ISPH方法在模拟剧烈流体冲击的问题中容易发生的粒子穿透的问题，本文通过自由面压力修正方法提高了SPH方法中自由面粒子与边界之间的排斥力，缓解了粒子穿透问题。结合防穿透算法，自由面的稳定性可得到进一步改善。在数值算例中，三个刚体入水问题的数值模拟验证了本文中改进的ISPH方法在流固耦合问题中具有较好的精度。

关键词：不可压缩流 SPH 流固耦合边界条件自由表面流

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流体力学预解分析方法研究进展

力学学报 2024年

作者：袁昊寇家庆张伟伟西北工业大学航空学院西北工业大学流体力学智能化国际联合研究所飞行器基础布局全国重点实验室

线性稳定性分析长期以来是揭示复杂流动机理的重要手段，通过求解流动线性化算子的特征值问题获得流动的直接模态及其频率、增长率等信息。然而其仅能描述系统微幅扰动随时间的指数发展，无法捕捉系统受迫和响应特征。预解分析从线性输... 详细信息

线性稳定性分析长期以来是揭示复杂流动机理的重要手段，通过求解流动线性化算子的特征值问题获得流动的直接模态及其频率、增长率等信息。然而其仅能描述系统微幅扰动随时间的指数发展，无法捕捉系统受迫和响应特征。预解分析从线性输入输出动力学系统出发，通过提取流动系统受谐波激励的强迫/响应模态及其增益，捕捉系统关于不同频率扰动的受迫模式和能量放大效应。该方法建立了流动对外激励的空间敏感性和对应响应的空间模式分析的统一框架，对复杂流体动力学问题的分析、建模和控制有很强的应用潜力。文章针对预解分析方法展开了全面综述：首先介绍了预解分析理论框架、实现难点与改进方法，讨论了预解增益和模态的物理意义；同时，从基础假设、数学理论、算法流程以及物理含义等方面对比了线性稳定性分析和预解分析算法，并给出了两者在一定条件下的联系；进一步展示了预解分析在揭示流动机理、建立低维模型以及指导流动控制等方面的研究成果；最后通过Ginzburg–Landau方程和方柱绕流问题，展示了预解分析在动力学系统特征提取上的应用潜力。在此基础上，针对现有研究的不足和困难，讨论了预解分析方法在改进算法、非线性系统分析、流动控制等方面的未来研究方向。

关键词：预解分析线性稳定性分析敏感性感受性降阶模型