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分区参数对超声速湍流燃烧动态分区火焰面模拟的影响

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力学学报 2024年第3期56卷 704-714页

作者：南江浪张政姚卫刘凤君北京动力机械研究所北京100074 中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

文章基于动态分区火焰面模型(DZFM)和改进延迟分离涡(IDDES)湍流模型对DLR中心支板稳焰的超声速燃烧室进行数值模拟.对无反应状态燃烧室的模拟准备复现了燃烧室内复杂的波系结构以及中心射流失稳发展过程,燃烧状态下的模拟结果较好地捕... 详细信息

文章基于动态分区火焰面模型(DZFM)和改进延迟分离涡(IDDES)湍流模型对DLR中心支板稳焰的超声速燃烧室进行数值模拟.对无反应状态燃烧室的模拟准备复现了燃烧室内复杂的波系结构以及中心射流失稳发展过程,燃烧状态下的模拟结果较好地捕捉了火焰推举、OH基团以及平均温度等火焰结构特征,由此验证了所采用数值模拟方法的适用性.此外,由反应状态标量(OH基)在混合分数空间中的分布可知,反应标量与混合分数在全场内不满足强相关性.通过增加流向坐标、马赫数以及燃烧热释放速率作分区参数可显著抑制反应状态标量在混合分数空间内的条件脉动,其中热释放速率的作用最显著.进一步对比采用不同多参数分区的DZFM模型所得火焰结构,发现对于处于预混燃烧状态的支板尾迹区以及高雷诺数剪切层区域火焰,采用包含燃烧热释放速率、流向坐标以及混合分数作为分区指标的三参数分区DZFM模型可显著提高模型的准确性.

关键词：超声速燃烧动态分区火焰面多参数分区条件脉动改进延迟分离涡模拟

超临界碳氢燃料流动不稳定的频域分析与数值模拟

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推进技术 2024年第1期45卷 165-173页

作者：靳一超吴坤陆阳范学军北京应用物理与计算数学研究所北京100094 中国科学院力学研究所高温气体动力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049

再生冷却通道中的流动失稳是高超声速飞行器发动机热防护技术中的核心问题之一。为研究超临界碳氢燃料在冷却通道中的流动不稳定特性,基于有限体积法及流体物性近似,发展了高效的一维瞬态模拟方法;同时,基于小扰动假设,进一步提出了用... 详细信息

再生冷却通道中的流动失稳是高超声速飞行器发动机热防护技术中的核心问题之一。为研究超临界碳氢燃料在冷却通道中的流动不稳定特性,基于有限体积法及流体物性近似,发展了高效的一维瞬态模拟方法;同时,基于小扰动假设,进一步提出了用于预测稳定行为的频域分析方法。通过相关实验,验证了模型的可靠性。基于时域和频域方法的综合分析,沿内特征曲线讨论了主要失稳类型,重点分析了受密度波及Ledinegg不稳定共同影响的复合不稳定性。随后,进一步分析了工作压力和入口温度对稳定特性的耦合影响,并基于N_(tpc)-N_(spc)空间划分了稳定区域。研究发现,复合不稳定、Ledinegg不稳定以及密度波不稳定,随入口温度升高而相继消失。Ledinegg不稳定及密度波不稳定的稳定边界在N_(tpc)-N_(spc)空间具有高度相似性,而复合不稳定性的区域在较高的压力下略有缩小。

关键词：再生冷却热防护碳氢燃料超临界流体流动不稳定瞬态模拟频域分析

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激光驱动的微弹道冲击

中国科学：物理学、力学、天文学 2024年第5期54卷 129-143页

作者：荆晓晖蔡松林吴先前戴兰宏蒋敏强中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100190 中国科学院大学工程科学学院北京100049 中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190

微颗粒对材料的高速冲击与诸多重要应用领域密切相关,比如航天器的微陨石撞击、雾霾颗粒对发动机叶片的冲击、冷喷涂技术等.激光驱动颗粒冲击实验(Laser-Induced Particle Impact Test,LIPIT)于2010年被提出,是一种新型动态加载技术,能... 详细信息

微颗粒对材料的高速冲击与诸多重要应用领域密切相关,比如航天器的微陨石撞击、雾霾颗粒对发动机叶片的冲击、冷喷涂技术等.激光驱动颗粒冲击实验(Laser-Induced Particle Impact Test,LIPIT)于2010年被提出,是一种新型动态加载技术,能够对不同维度的多种材料进行微弹道冲击.相较于其他的微弹道技术,LIPIT独特的优势在于能够对单个微颗粒进行有效操控,进而实现各类材料(尤其是低维材料)的单颗粒微弹道高速冲击.本文回顾了LIPIT的发展历程,介绍了其系统构成及工作原理,对基于LIPIT技术的不同维度靶材的微弹道冲击研究进行了评述,主要内容包括:基于弹道动力学分析的能量耗散评估、微弹道冲击下的能量耗散机制、微弹道冲击导致的动力学现象及其相关的物理规律(包括反弹幂律、附着机制).最后对发展现状和值得进一步研究的问题进行了简要总结.

关键词： LIPIT 微弹道冲击反弹侵彻能量耗散机制

干湿环境下膨胀土裂隙演化规律及渠坡变形研究

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岩土力学 2024年第S1期45卷 433-442页

作者：郭建华王汉辉李世昌戴张俊长江设计集团有限公司中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室

研究干湿循环效应下膨胀土裂隙发育规律对揭示膨胀土渠道边坡失稳机制有重要意义。针对目前研究中存在的不足，开展了仅考虑干湿循环效应的膨胀土裂隙演化试验，系统测量了随时间变化的水分蒸发过程及裂隙动态发育特征。基于膨胀土裂隙... 详细信息

研究干湿循环效应下膨胀土裂隙发育规律对揭示膨胀土渠道边坡失稳机制有重要意义。针对目前研究中存在的不足，开展了仅考虑干湿循环效应的膨胀土裂隙演化试验，系统测量了随时间变化的水分蒸发过程及裂隙动态发育特征。基于膨胀土裂隙演化规律，通过编程将块体离散元方法应用至膨胀土渠坡变形分析中，并得到如下结论：（1）膨胀土水分蒸发过程可分为稳定蒸发阶段、减速率蒸发阶段和残余蒸发阶段；（2）随着干湿循环次数增加，膨胀土面积裂隙率逐渐增加后趋于稳定，裂隙总长度逐步增加，裂隙平均宽度不断减小并逐渐稳定，裂隙夹角由T型逐步过渡至Y型；（3）土体颗粒排布总是向稳定方向发育，颗粒间应力分布向着更优势的状态发展，胀缩裂隙分布逐步稳定；（4）将块体离散元应用至膨胀土边坡分析中，实现了考虑裂隙和吸湿膨胀的膨胀土边坡位移场-应力场耦合；（5）干湿循环效应促进了膨胀土裂隙发育，裂隙率增加导致渠坡变形增加和塑性区扩大，在膨胀土渠坡坡脚处变形显著。

关键词：膨胀土干湿循环胀缩裂隙渠坡变形

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盾构隧道结构响应特征及接缝刚度分析

岩土力学 2024年第S1期45卷 485-495页

作者：王小刚杨建平陈卫忠李慧中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室中国科学院大学

掌握运营期水下盾构隧道的结构响应规律是研究隧道整体稳定性的重要组成部分。基于武汉长江隧道健康监测系统，获得了隧道结构一年（2022年4月-2023年4月）的应变和接缝监测数据，研究对比了江中断面和岸上断面的应变与接缝开度的响应... 详细信息

掌握运营期水下盾构隧道的结构响应规律是研究隧道整体稳定性的重要组成部分。基于武汉长江隧道健康监测系统，获得了隧道结构一年（2022年4月-2023年4月）的应变和接缝监测数据，研究对比了江中断面和岸上断面的应变与接缝开度的响应规律及其差异，提出了一种计算管片环缝法向刚度的方法。研究结果表明：（1）岸上断面的管片应变、接缝张开度的平均年度幅值均显著大于江中段断面；（2）温度对岸上断面管片的应变和接缝开度影响大于江中断面；（3）管片环缝应力-张开度曲线与岩石结构面压缩荷载-位移曲线类似，不同测点位置的应力-张开度曲线差异显著；多个测点的平均法向刚度在其张开阶段和闭合阶段比较近似，但是江中断面的环缝法向刚度明显大于岸上断面。

关键词：盾构隧道管片应变管片接缝接缝刚度

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高密度烃在冲压发动机再生冷却中适用性研究

推进技术 2024年第1期45卷 124-133页

作者：李立翰鲍文秦江于彬付蒙哈尔滨工业大学能源与动力学院黑龙江哈尔滨150006 北京动力机械研究所北京100074

为了研究高密度烃是否适用于宽域可调亚燃冲压发动机再生冷却,分析了高密度烃再生冷却关键表征指标及其实验方法研究现状,然后模拟再生冷却系统典型冷却通道结构,在背压3.5 MPa和6.0 MPa工况下,采用单管直流电加热实验系统,开展了HD-01... 详细信息

为了研究高密度烃是否适用于宽域可调亚燃冲压发动机再生冷却,分析了高密度烃再生冷却关键表征指标及其实验方法研究现状,然后模拟再生冷却系统典型冷却通道结构,在背压3.5 MPa和6.0 MPa工况下,采用单管直流电加热实验系统,开展了HD-01高密度烃热沉及结焦特性研究。研究结果表明:在3.5 MPa背压实验中,出现了燃料温度振荡、管路热声振荡和外壁温度异常升高现象;而在6.0 MPa背压实验中,未发生管路热声振荡现象,燃料温度和外壁温度升高过程均较为平稳。3.5 MPa背压和6.0 MPa背压两种工况的HD-01高密度烃600℃热沉均大于1.8 MJ/kg,在整个实验温度范围内,热沉上升速率变化不明显,表明在600℃内燃料的裂解率不大。在600℃进行长时间加热结焦实验时,加热管进出口压差非常稳定,均没有超过30 kPa,没有出现结焦堵塞使压力急剧上升的情况,表明HD-01高密度烃在600℃以内结焦率很低。从热沉及结焦特性两个关键指标分析可知,HD-01高密度烃适用于最高马赫数5.0的宽域可调亚燃冲压发动机再生冷却。高密度烃用于再生冷却时,冷却通道的设计压力应高于其临界压力值3.6 MPa,并留有足够裕度,以保证发动机再生冷却在全域全温范围内稳定可靠工作。

关键词：冲压发动机高密度烃再生冷却热沉结焦实验研究

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静音水下航行器的水动力特性数值研究

北京大学学报（自然科学版） 2024年第2期60卷 203-209页

作者：戴袁鋆任世成张纪华余超北京大学工学院力学与工程科学系北京100871 北京机电工程研究所北京100074

为了克服传统螺旋桨推进航行器推进效率低、灵活性差和噪声大的缺点,针对一种仿生柔性体推进的水下航行器的水动力特性进行数值研究,分析柔性体波动的振幅和波数对水动力特性的影响、仿生表面对水动力性能的影响以及整体设计对水动力特... 详细信息

为了克服传统螺旋桨推进航行器推进效率低、灵活性差和噪声大的缺点,针对一种仿生柔性体推进的水下航行器的水动力特性进行数值研究,分析柔性体波动的振幅和波数对水动力特性的影响、仿生表面对水动力性能的影响以及整体设计对水动力特性的影响。数值结果表明,增大振幅将显著地增大静水推力,同时增加推进阻力;增加波数则显著地增加推进阻力,并减小静水推力。此外,使用仿生表面和现有的前尖端设计,可以减小推进阻力。研究结果有利于进一步优化航行器,提高航行器推进效率。

关键词：水下航行器仿生推进柔性体水动力特性

基于分子动力学方法的致密砂岩储层CO_(2)驱油研究进展

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天然气工业 2024年第4期44卷 146-159页

作者：余涛李琦谭永胜陈博文胡海翔岩土力学与工程国家重点实验室·中国科学院武汉岩土力学研究所中国科学院大学

随着致密砂岩储层CO_(2)-EOR项目的不断增加,亟需对CO_(2)与致密砂岩储层流体在孔隙介质中的相互作用机理进行研究,但室内实验难以观察到CO_(2)与流体在孔隙通道中的动态过程,而分子动力学模拟则可以弥补传统实验和数值方法的不足。为此... 详细信息

随着致密砂岩储层CO_(2)-EOR项目的不断增加,亟需对CO_(2)与致密砂岩储层流体在孔隙介质中的相互作用机理进行研究,但室内实验难以观察到CO_(2)与流体在孔隙通道中的动态过程,而分子动力学模拟则可以弥补传统实验和数值方法的不足。为此,围绕该方法在CO_(2)-EOR研究中的2大重点——界面行为与受限空间运移行为,对包括萃取、溶胀、降黏、降低界面张力、最小混相压力、润湿性等6个方面界面行为的相关研究成果进行了系统梳理,结合前人对CO_(2)与致密砂岩储层流体在受限空间中运移行为的研究成果,提出了分子动力学在致密砂岩储层CO_(2)-EOR研究中的关键科学问题。研究结果表明:①分子动力学能够很好地将CO_(2)萃取原油中—轻烃组分的过程进行可视化,建议根据原油实际组分构成分析CO_(2)的萃取能力,从而弄清CO_(2)萃取原油中各组分的优先顺序及效率;②有关CO_(2)分子对原油溶胀降黏作用的研究,大多数成果中的原油组分体系较为单一,建议根据实际储层的原油组分,系统探讨高温高压条件下CO_(2)的溶胀降黏作用;③对于CO_(2)与油水两相之间界面张力的研究更多是在体相中进行展开,而在纳米受限空间界面行为的研究还有待完善;④有关地层水在孔隙壁面的润湿性研究,对不同因素之间的协同效应影响润湿性的机理尚不明确。结论认为,随着量子力学研究的不断深入以及计算性能的日益强大,该方法可以在更大尺度上进行复杂体系的计算,以其为基础的油藏、页岩油气藏CO_(2)-EOR机理等研究将会取得较大的突破。

关键词：分子动力学 CO_(2)驱油致密砂岩储层溶胀降黏界面张力最小混相压力界面行为受限空间流动

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基于新型虚单元法的超弹性材料变形研究

力学学报 2024年第9期56卷 2635-2645页

作者：徐兵兵彭帆长安大学理学院西安710064 汉诺威大学连续介质力学研究所德国汉诺威30823

虚单元法是一种先进的求解固体力学问题的数值方法,在过去10年间,该算法在线弹性问题中得到了较为广泛地开发和应用.文章尝试给出一种通用的高阶虚单元法格式,可用于计算超弹性问题以及更普遍的非线性问题.与传统求解力学问题的虚单元... 详细信息

虚单元法是一种先进的求解固体力学问题的数值方法,在过去10年间,该算法在线弹性问题中得到了较为广泛地开发和应用.文章尝试给出一种通用的高阶虚单元法格式,可用于计算超弹性问题以及更普遍的非线性问题.与传统求解力学问题的虚单元法的思想不同,其主要思想是对泊松方程求解映射算子,并将该映射算子直接用于位移场的近似,从而可求解众多非线性力学问题.由于采用了标量场的映射算子来近似矢量场,因此该算法格式简单,并且可以轻易扩展到高阶格式或者三维问题求解.将从泊松方程出发,介绍虚单元法中椭圆映射算子的计算方法,在此基础上,详细推导虚单元法在求解超弹性问题时的具体格式,并给出切线刚度矩阵的计算方法.最后,给出了几个典型的超弹性数值算例,从而证明该虚单元法格式的有效性.

关键词：虚单元法超弹性映射算子几何非线性

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