电场作用下纳米颗粒与竖直壁面的碰撞效率

着重考虑了电场作用下,壁面排斥力对颗粒-壁面碰撞效率的影响. 采用Matlab 中的龙格库塔方法,对颗粒-壁面碰撞的压缩阶段及回弹阶段的动力学方程组进行求解,并对Maxwell 速度分布进行积分获得不同速度方向下的碰撞效率. 研究表明,颗粒的碰撞效率随着碰撞角度的增加而增大,并最终达到一个临界值,即完全凝并时的碰撞效率;且颗粒的碰撞效率将因壁面排斥力的影响而减小,即壁面排斥力在一定程度上阻碍了颗粒的凝并.      

THE COLLISION MODEL OF THE BICYCLE ROLLING UP A STEP

自行车前车轮与台阶发生斜碰撞以后可能落上台阶,也可能弹回地面,后者容易引发侧翻或倾倒的事故。本文将建立一个基于恢复系数的通用薄车轮台阶碰撞模型,并通过一个实际案例代入具体参数数值,得出此案例下车轮速度大小与速度方向的安全可行域,并讨论台阶高度对可行域的影响。     

INTEGRAL COLLISION KERNEL FOR THE GROWTH OF AEROSOL PARTICLES

Integral collision kernel is elucidated using experimental results for titania, silica and alumina nanoparticles synthesized by FCVD process, and titania submicron particles synthesized in a tube furnace reactor. The integral collision kernel was obtained from a particle number balance equation by the integration of collision rates from the kinetic theory of dilute gases for the free-molecule regime, from the Smoluchowski theory for the continuum regime, and by a semi-empirical interpolation for the transition regime between the two limiting regimes. Comparisons have been made on particle size and the integral collision kernel, showing that the predicted integral collision kernel agreed well with the experimental results in Knudsen number range from about 1.5 to 20.     

电磁力控制翼型绕流分离的增升减阻效率研究

电磁力可有效对流体流动进行控制,增升减阻,抑制流动分离,制约其推广应用的瓶颈为控制效率问题.为提高其控制效率,基于翼型绕流的电磁力控制,对电磁力增升减阻的控制效率问题进行数值研究. 根据能量守恒定律,推导电磁力控制能耗的比,基于升力和阻力计算节省能量. 定义电磁力的控制效率为能量节省与电磁力控制所需能耗的比值,研究不同工况下电磁力增升减阻的控制效率. 发现在控制开始阶段,电磁力能量主要消耗在增加边界层流体的动能上,电磁力控制效率非常低,但电磁力控制效率会随着电磁力工作时间的增长而增加;电磁力控制效率随着来流速度的增加呈指数下降;通过增加电磁力激活板的输入能量可增强电磁力的控制效果,但无法明显增加其控制效率.      

INVESTIGATION ON THE ATTENUATION OF A ROTATING LIQUID MOTION IN A CYLINDER WITH BOUNDARY RESISTANCE

为了分析圆柱形容器内同步旋转液面在边界阻力作用下的衰减机理，采用层流摩阻与湍流摩阻的理论模型和实验测试的方法对同步旋转液面在边壁阻力作用下的衰减规律进行了研究. 通过分析壁面阻力的特性，采用当量湿周对圆柱形容器中旋转液体运动的能量损失进行模拟，建立了壁面糙率、旋转半径，静水深度和液体旋转速度之间的本构方程. 通过对圆柱容器中的同步旋转液面在边界阻力作用下的层流和湍流形态的衰减过程进行实验测试，验证了理论模型的正确性. 基于验证后的理论方法，获得了圆柱容器中旋转液体的角速度、高度等随时间的变化过程，分析了摩阻形态、糙率和直径对旋转液面衰减过程的影响. 结果表明，边壁糙率和容器半径是决定旋转液面的衰减过程主要因素，边壁糙率越大液体旋转速度衰减越快，圆柱形容器半径越大液体旋转的衰减越慢.     

页岩储层体积压裂的地应力变化研究

页岩储层属于致密超低渗透储层,需改造形成复杂缝网才有经济产能.体积压裂是页岩储层增产改造的主要措施,而地应力场特别是水平主应力差值是体积压裂的关键控制因素. 理论研究表明:(1)当初始两向水平主应力差较小时,容易形成缝网,反之不易产生缝网;(2)人工裂缝的形成能够改变地层初始应力场. 因此应在前人研究的基础上优化设计压裂方式,以克服和翻转初始水平主应力差值,产生体积缝网.基于此,建立了页岩气藏水平井体积压裂数值模型,模型中采用多孔介质流固耦合单元模拟页岩基质的行为,采用带有孔压的"cohesive"单元描述水力裂缝的性质,模型对"Texas Two-Step" 压裂方法进行了数值模拟,模拟结果得到了压裂过程中地层应力场的分布及其变化,模拟结果和解析公式计算结果吻合良好.模拟结果表明:(1)裂缝的产生减弱了地层应力场的各向异性;(2 对于低水平应力差页岩储层,采用"Texas Two-Step"压裂方法可以产生缝网. 对于采用"Texas Two-Step"压裂方法无法产生缝网的高应力差页岩储层,提出了三次应力"共振" 和四次应力"共振" 压裂方法并进行了数值模拟,模拟结果得到了压裂过程中页岩储层应力场的分布及其变化,得到了缝网形成的区域,模拟结果表明:(1)对于高应力差页岩储层,采用"Texas Two-Step" 压裂方法无法产生缝网;(2)对于高应力差页岩储层,三次应力"共振" 和四次应力"共振"压裂方法是有效的体积压裂缝网形成的方法.      

RESEARCH ON MODELING AND NUMERICAL METHOD OF FREE STANDING BODY ON PLANAR RIGID MULTIBODY DYNAMICS

采用非光滑多体系统动力学的方法研究浮放物体与基础平台组成的多体系统,建立其非光滑接触的动力学方程与数值算法.浮放物体由主体部分和支撑腿组成,其间通过含黏弹性阻力偶的转动铰连接.支撑腿与基础平台间的接触力简化为接触点的法向接触力和摩擦力,采用扩展的赫兹接触力模型描述接触点的法向接触力,采用库伦干摩擦模型描述其摩擦力.采用笛卡尔坐标系下的位形坐标作为系统的广义坐标.首先,将基础平台运动看作非定常约束,用第一类拉格朗日方程建立系统的动力学方程,并采用鲍姆加藤约束稳定化的方法解决违约问题.随后给出基于事件驱动法和线性互补方法的数值算法.当相对切向速度为零时,构造静滑动摩擦力的正负余量和正、负向加速度的互补关系,从而将接触点黏滞——滑移切换的判断以及静滑动摩擦力的计算转化为线性互补问题进行求解,并采用Lemke算法求解线性互补问题.最后,通过数值仿真选择合适的步长;通过仿真结果说明浮放物体运动中存在的黏滞-滑移切换现象以及基础平台运动、质心位置对浮放物体运动的影响.     

环形薄板二维驻波的研究

在理论上和实验上对环形薄板二维驻波波节图形(克拉尼图形) 进行了研究. 通过在极坐标下对垂直板面方向小振动方程进行分离变量, 求解出环形薄板小振动方程在外边界悬空时分别在两种内边界条件, 即内边界悬空和内边界简支下的解析解的简正模式, 并计算了在第一种边条件下几种共振模式的径向波速近似值, 以及两种边条件下的圆形驻波波节线的半径和薄板的弹性模量. 发现通过调节环形薄板上点振动源的频率, 可精确控制薄板上出现的克拉尼图形. 实验上观察到了仅有圆形波节线, 仅有辐射状波节线, 以及两种波节线同时存在3 种简正模式的情形, 且波节线的数量可严格控制. 理论结果跟实验符合得很好.      

RESEARCH OF AERO-DAMPING FOR BLUNT WITH SPIKE

基于模态数据和准定常理论,建立了减阻盘-杆-后体这一弹性结构的气动阻尼分析方法;通过刚性模型的动导数风洞试验获得气动阻尼以验证方法可靠性后,计算分析了减阻杆结构在指定工况的气动阻尼特性. 结果表明： 所建方法可用于减阻杆系统的气动阻尼计算;计算工况的气动阻尼值均为正值,对减阻杆系统的振动起抑制作用;存在产生负气动阻尼的影响因素,各项因素对气动阻尼影响的量值有所不同,有待进一步研究.     

基于碰撞模型的斜坡滚石颗粒速度预测

滑坡滚石灾害是西部山区常见的地质灾害类型,具有突发性和随机性强的特点,是山区地质灾害预测和防治工作的重点和难点. 本文基于颗粒接触理论,考虑影响斜坡滚石碰撞过程中的随机因素,建立了用于预测斜坡滚石颗粒碰撞后速度的理论模型. 根据冲量及冲量矩定理建立滚石颗粒碰撞基本方程,得到斜坡滚石颗粒碰撞后反弹速度的解析解. 结果表明:斜坡滚石碰撞后反弹速度的解析解包含了坡角、坡体上被碰颗粒速度以及角度、入射速度和角度以及撞击角度等随机因素;当考虑入射滚石颗粒与坡体上被碰颗粒的撞击角度变化时,模型预测结果与试验结果吻合较好;本文进一步预测了滚石颗粒碰撞后颗粒反弹线速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布情况. 结果显示,反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度的概率分布均服从高斯分布;当坡体上被碰颗粒速度和坡角发生变化时,其对反弹颗粒速度和角度以及反弹旋转角速度概率分布定性上没有影响,但是对概率分布的中心参数有显著影响.      

CRACK INTERACTING WITH AN INDIVIDUAL INCLUSION BY THE FRACTURE CRITERION OF CONFIGURATIONAL FORCE

基于构型力概念提出一种可判断裂纹起裂以及裂纹扩展方向的新断裂准则.该准则假设当构型合力值达到一个临界值时裂纹开始扩展,而裂纹扩展的方向则为构型合力的矢量方向.基于此断裂准则,本文开发构型力的有限元计算方法,实现对裂纹扩展的数值模拟,并着重对工程中常见的含孔洞/夹杂结构的裂纹扩展问题展开研究.研究结果表明,基于构型力的裂纹扩展准则可以很好地预测裂纹与孔/夹杂的干涉作用,其数值模拟结果与实验结果相符,从而验证了该裂纹扩展模拟方法的有效性.通过对裂纹和夹杂（圆孔、软夹杂、硬夹杂）干涉问题的数值模拟表明,裂纹前端夹杂对裂纹的扩展具有重要影响.裂纹的扩展方向与裂纹和夹杂的相对位置、以及夹杂类型密切相关.软夹杂和圆孔会吸引裂纹向其扩展,而硬夹杂会排斥裂纹扩展,裂纹在扩展过程中会绕开硬夹杂.当裂纹与夹杂夹角较小时,夹杂对裂纹扩展的影响作用明显,当夹角较大时,夹杂对裂纹扩展的影响较小;特别当裂纹与夹杂夹角为45°时,软夹杂和圆孔可能会抑制裂纹的扩展,使裂纹扩展发生止裂.研究结果有助于认清含孔洞/夹杂结构中的裂纹扩展或止裂问题,对于工程中的断裂问题具有重要指导意义.     

RESEARCH DEVELOPMENTS OF SMOOTHED PARTICLE HYDRODYNAMICS METHOD AND ITS COUPLING WITH FINITE ELEMENT METHOD

拉格朗日型的有限元法和光滑粒子法在模拟材料大变形问题时各存优缺点, 而有限元与光滑粒子耦合算法实现了在小变形区域采用有限元法计算, 在局部的大变形区域采用光滑粒子法计算, 有效地综合了有限元法计算效率高和光滑粒子法能够自然地模拟材料大变形问题的特点.重点论述了有限元法、光滑粒子法以及有限元与光滑粒子耦合算法的研究现状及应用进展, 并讨论了各方法中需要进一步解决的问题.最后通过算例对3种方法的计算精度和计算效率进行了分析, 供研究人员参考.     

NUMERICAL STUDY ON THE GROWTH PROCESS OF SECONDARY AEROSOL IN THE FOG

雾环境气溶胶之间的碰撞和凝并是气溶胶迁移、生长的动力学基础. 基于颗粒群平衡方程和多重蒙特卡洛方法,针对雾环境中二次液态气溶胶生长过程开展数值研究,着重分析了湍流和布朗作用机制对单分散和指数分布的二次气溶胶碰撞凝并的影响. 结果表明:雾环境气溶胶之间的碰撞凝并使得颗粒的总数目减少,颗粒平均体积逐渐增大. 对于初始尺度为自由分子区、单分散的气溶胶,布朗运动时间为600 s时,二次气溶胶平均尺度增大至初始的202.7倍左右,数目降至初始的0.006. 对于湍流作用下有布朗运动的二次气溶胶,在较短的时间内(如100 s)气溶胶尺度增至初始的163倍,颗粒数目降至初始的0.025倍, 说明雾环境流场的湍流运动引起二次气溶胶较强的输运和聚集,导致颗粒碰撞凝并概率增加,颗粒尺度增大.     

自行车上台阶的碰撞模型分析

自行车前车轮与台阶发生斜碰撞以后可能落上台阶,也可能弹回地面,后者容易引发侧翻或倾倒的事故。本文将建立一个基于恢复系数的通用薄车轮台阶碰撞模型,并通过一个实际案例代入具体参数数值,得出此案例下车轮速度大小与速度方向的安全可行域,并讨论台阶高度对可行域的影响。     

溜槽对高炉无料钟布料粒度偏析的影响研究

为研究溜槽对高炉无料钟布料偏析的影响,采用离散元方法模拟了无料钟卸料过程,得到了溜槽上颗粒的速度分布,布料结果的径向、周向粒度分布,并分析了溜槽内表面的键槽、截面形状和倾角对粒度偏析的影响规律,结果表明:(1) 溜槽上的键槽会引起布料结果周向偏析;(2) 溜槽方形截面较圆形截面更有利于精确的径向布料;(3) 不同溜槽倾角下,径向偏析不同, 结果为高炉布料工艺的设计及炉料分布的精确控制提供科学依据.     

热障涂层力学性能的实验测试方法研究进展

涂层-基体体系作为高温热障防护结构被广泛应用于航空、航天、核反应堆等涡轮发动机叶片上, 主要作用是抵抗高温燃气, 保护基体材料. 在服役过程中, 涂层过早出现开裂、脱粘等失效行为直接影响发动机的安全性和可靠性. 长期以来, 热障涂层力学性能的实验测试方法是国内外研究者关注的重点. 首先分析了导致热障涂层失效的失配应力的来源, 重点介绍了热障涂层力学性能研究的实验测试方法、仪器和针对界面脱粘检测的红外热像技术, 接着概述了热障涂层寿命预测方法, 最后分析当前研究中存在的问题, 并对未来的发展的一些方向和有待于进一步研究的问题作了总结.     

含摩擦与碰撞平面多刚体系统动力学线性互补算法

基于接触力学理论和线性互补问题的算法, 给出了一种含接触、碰撞以及库伦干摩擦, 同时具有理想定常约束(铰链约束) 和非定常约束(驱动约束) 的平面多刚体系统动力学的建模与数值计算方法. 将系统中的每个物体视为刚体, 但考虑物体接触点的局部变形, 将物体间的法向接触力表示成嵌入量与嵌入速度的非线性函数,其切向摩擦力采用库伦干摩擦模型. 利用摩擦余量和接触点的切向加速度等概念, 给出了摩擦定律的互补关系式; 并利用事件驱动法, 将接触点的黏滞-滑移状态切换的判断及黏滞状态下摩擦力的计算问题转化成线性互补问题的求解. 利用第一类拉格朗日方程和鲍姆加藤约束稳定化方法建立了系统的动力学方程, 由此可降低约束的漂移, 并可求解该系统的运动、法向接触力和切向摩擦力, 还可以求解理想铰链约束力和驱动约束力. 最后以一个类似夯机的平面多刚体系统为例, 分析了其动力学特性, 并说明了相关算法的有效性.      

涡激诱导并列双圆柱碰撞数值模拟研究

圆柱类结构物的涡激振动是工程中较为常见的一种现象,如果圆柱结构物之间的距离较小, 就会产生涡激诱导碰撞现象,而涡激碰撞会比涡激振动对结构物疲劳破坏产生更严重的威胁.采用浸入边界法模拟流体中的动边界问题,避免了传统贴体网格方法在求解流体中存在固体间碰撞问题时出现数值求解不稳定问题,采用有限元方法对圆柱的运动和碰撞进行求解,通过数据回归方法建立了流体流动条件下的润滑模型,对不同间隙比下涡激诱导并列双圆柱振动及碰撞过程进行了数值模拟, 数值结果表明,如果两圆柱产生了碰撞将会有连续的碰撞发生, 碰撞时出现了多阶频率,振动主频率要比无碰撞时大, 两圆柱碰撞时的相对速度比自由来流速度小;当两圆柱相互接近时, 随着涡环分离角度的逐渐倾斜, 横向流体力先逐渐减小,当两圆柱间涡环开始相互影响发生挤压时, 横向流体力开始逐渐增大;当两圆柱开始反弹时, 两圆柱间形成了低压区, 改变了横向流体阻力的方向,使两圆柱又产生了接近运动,如此反复从而产生了碰撞后横向流体力和圆柱速度的振荡现象.      

土体各向异性边界面模型研发的几个问题探讨

土体边界面模型通过采用塑性模量场插值,来反映土体变形的非线性,边界面模型适合对小应变情况下的土体非线性变形进行模拟. 在Wheeler 模型的基础上,结合边界面理论,构造一个土体各向异性边界面模型,模型可以反映天然土体的各向异性特性. 本文对该模型研发过程中遇到的几个问题进行理论探讨,为理解和掌握各向异性边界面理论,并进一步进行新型边界面模型的研发,提供了理论借鉴.     

弹性湍流及其对微混合效率影响研究的若干进展

介绍和评述弹性湍流的产生及其对于微混合效率的影响等问题上的若干研究进展. 弹性湍流和惯性湍流具有类似的流场特征,但引发机理有所不同. 惯性湍流产生的原因是惯性引起的Reynolds应力,而弹性湍流则是由弹性应力所引起的. 鉴于在微流动中,惯性力可忽略不计,因此牛顿流体的混合变得十分困难. 此时可在流体中加入微量高分子聚合物以生成黏弹性流体. 由黏弹性流体所引发的弹性湍流在提高流体微混合的效率上可发挥重要作用.