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界面张力梯度驱动对流向湍流转捩的研究

郭子漪, 李凯, 康琦, 段俐, 胡文瑞

2021, 51(1): 1-28. doi:10.6052/1000-0992-20-022

摘要(1444)

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PDF(273)

摘要:
作为空间自然对流热质输运的基本形式, 界面张力梯度驱动对流是流动和传热强耦合的复杂非线性过程, 也是一个多控制参数耦合作用的过程, 表现出丰富的流动时空特征. 界面张力梯度驱动对流是微重力流体物理的重要研究内容和学科前沿, 同时在空间燃料输运过程和空间能源或热管利用等空间流体管理问题中均有重要应用. 本文综述了界面张力梯度驱动对流向湍流转捩研究的背景意义、地面实验、空间实验及数值模拟的研究现状, 重点介绍了从非线性动力学角度来研究转捩规律的具体方法, 目前最常见的手段是对观测量的时间序列进行分析, 通过频谱分析及相空间重构等方法计算时间序列的特征量, 从而判断流动模式, 这类方法理论成熟, 计算简单, 但需要对大量数据进行繁琐的处理; 另一种方法是通过数值计算分岔来研究对流在时空中的转捩模式, 这类方法可以直接计算出分岔点, 但是复杂之处在于需要求解大规模的线性或非线性方程组, 本文详细阐述了两种方法的理论背景, 应用状况及局限性, 探讨了将两种方法相互结合, 在研究中互为补充的可能, 并对今后的研究方向提出了建议.

高阶矩湍流模型研究进展及挑战

王圣业, 符翔, 杨小亮, 郑皓榜, 邓小刚

2021, 51(1): 29-61. doi:10.6052/1000-0992-20-029

摘要(1922)

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PDF(346)

摘要:
高阶矩模型是湍流模式理论研究中的难点和前沿. 自周培源先生首次建立一般湍流的雷诺应力输运方程起, 为了更精确的预测复杂流动, 人们从未间断过对高阶矩模型的研究. 尤其进入新世纪以来, 随着计算机硬件水平的飞跃和高精度数值算法的突破, 湍流模拟方法正由RANS向LES转变. 而无论对于RANS框架、LES框架还是两者混合, 高阶矩模式都是其中先进封闭模式的代表. 基于此, 本文对高阶矩模型的发展情况进行了总结, 重点包括高阶矩模型中各项的建模方式、尺度提供方程的演化历程和数值求解技术的关键需求. 然后, 通过几类典型湍流问题展示了其相对于传统涡黏模型的优势, 并且给出了部分CFD软件对高阶矩模型的集成情况. 最后对高阶矩湍流模型未来面临的挑战和发展的方向进行了展望.

固体氧化物燃料电池宏观力学效应研究进展

徐心海, 吴愉华, 严资林, 仲政

2021, 51(1): 62-81. doi:10.6052/1000-0992-20-023

摘要(1586)

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PDF(301)

摘要:
固体氧化物燃料电池(SOFC)是一种清洁高效且具有广泛应用前景的绿色发电装置. SOFC采用了陶瓷材料电极和电解质并在高温下工作, 力学损伤是造成其性能和寿命衰减的主要因素之一. 由于实验测试的局限性, 基于宏观力学模型的数值模拟是优化SOFC电池和电堆结构、提高其性能和耐久性的重要手段. 本文综述并评价了SOFC宏观力学效应的研究进展, 介绍了SOFC在制造、正常运行和长期工作的不同阶段受到的残余应变、阳极氧化应变、化学膨胀、工作热应变以及蠕变等力学效应. 总结了各种力学效应以及目前关注较少的电化力耦合效应的理论和数值模拟研究现状, 最后展望了SOFC宏观力学性能研究的发展前景.

基于仿真和数据驱动的先进结构材料设计

李想, 严子铭, 柳占立, 庄茁

2021, 51(1): 82-105. doi:10.6052/1000-0992-20-012

摘要(2685)

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PDF(913)

摘要:
先进结构材料近年来受到材料和结构设计领域的广泛关注, 这些材料一般通过多个尺度的结构设计实现各种卓越的性能. 在早期的材料设计中, 有的基于设计者的丰富经验, 从天然拓扑结构中抽象出合理的数学力学模型; 有的基于生物系统的结构和功能特点提取出仿生力学模型. 然而, 仅依靠经验性的巧妙设计很难得到最优的设计方案, 通过反复迭代设计和试验来遍历设计空间也不切实际. 为此, 拓扑优化方法被成功应用于声子晶体、元胞材料等先进结构材料的优化设计中, 但现有的拓扑优化方法在实现精准的反向设计方面尚存挑战. 基于数据驱动的机器学习方法擅长建立数据空间多维变量复杂关系, 能够揭示传统力学研究方法难以发现的更深层次的力学机理和规律, 成为力学领域崭新的研究热点. 本文系统地回顾先进结构材料设计方法的发展历程, 对比阐述各种主流设计方法, 结合本课题组的相关工作介绍数值仿真和数据驱动在先进结构材料的智能化设计方面的应用现状, 并对该领域的未来研究趋势进行探讨和展望.

定常升阻力普适理论的特色和升力的物理来源

吴介之, 刘罗勤, 刘天舒

2021, 51(1): 106-129. doi:10.6052/1000-0992-20-014

摘要(1524)

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PDF(622)

摘要:
现代空气动力学诞生一百多年来, 已经发展出众多关于升力和阻力的理论. 但是, 其远场合力理论一直停留在低速不可压流. 虽经几代人的努力, 但仍未能把它精确地推广到黏性可压缩流. 这种状况直到最近才得以突破. 本文作者及其合作者依据对远场线化Navier-Stokes方程解析解的研究, 获得了经典不可压二维定常流的Kutta-Joukowski升力定理的现代二、三维普适版这个核心结果, 从而突破了经典空气动力学基础理论延续了八九十年的一个缺口. 基于线性近似得到的简洁公式, 何以能在高度非线性的复杂流场中仍然精确成立, 这里涉及饶有兴趣的方法论问题, 很值得关注. 本文的第一个任务, 是在简要回顾普适理论基本成果的基础上, 反思其方法论特色和背后的物理机理. 尽管严格的量化升力理论已经得到航空实践的广泛检验, 但在各种出版物和媒体上仍常常出现关于升力物理来源的各种假说. 这种状况表明: 升力物理来源这个问题, 并没有在国内外众多的教科书、专著和课堂中得到彻底的澄清, 认真回答这个问题在现今仍然具有迫切的重要性. 普适理论的普遍有效性和高度简洁性使人们能用它以尽可能直接的方式为澄清升力来源提供逻辑严密的论据, 值得着重考察. 这是本文的第二个任务.

关于超声速燃烧与高超动力

姜宗林

2021, 51(1): 130-140. doi:10.6052/1000-0992-21-008

摘要(1418)

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PDF(486)

摘要:
先进发动机是航空工业的核心技术, 而吸气式高超声速发动机一直是宇航飞行技术研发的首位难题. 发动机的性能依赖于其能量转换模式和燃烧组织方法, 相关理论研究具有基础性和启发性意义. 论文首先讨论了超声速燃烧, 它一直是超燃冲压发动机技术的理论基础. 然后综述了相关研究进展, 提出了吸气式高超声速冲压推进技术的3个临界条件, 或者称为临界参数. 第一临界条件针对超声速气体流动中燃烧发生部位的亚声速或超声速状态的判定问题, 由此可以揭示上行激波的产生机制, 也能够作为燃烧后气体流动状态的判定条件; 第二临界参数定义了在当量比燃烧条件下吸气式高超声速冲压发动机的稳定运行马赫数, 是发动机设计需要考虑的必要条件. 第三临界参数给出了对应CJ斜爆轰的楔面角度, 其物理基础是爆轰临界起爆状态. 最后总结了驻定斜爆轰冲压发动机的实验研究进展, 论述了作为未来高超声速飞行动力的可行性.

原子尺度毛细凝聚的开尔文方程

张田忠

2021, 51(1): 141-144. doi:10.6052/1000-0992-20-037

摘要(1706)

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PDF(150)

摘要:
实验表明宏观尺度建立的开尔文方程经适当改造后依然可描述原子尺度水的毛细凝聚现象.

工程科学的践行者————纪念童秉纲院士

余永亮, 孙德军, 陆夕云

2021, 51(1): 145-154. doi:10.6052/1000-0992-21-004

摘要(2004)

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PDF(652)

摘要:
中国科学院院士童秉纲教授(1927——2020)是流体力学家、教育家, 工程科学的践行者. 文中简要介绍了童秉纲先生的生平, 着重回顾了童先生在非定常流与涡运动、生物运动力学、气动热力学等流体力学3个分支学科领域对工程科学思想的实践, 最后介绍了童先生对我国力学教育的杰出贡献.

导航波流体力学^*

John W. M. Bush

2021, 51(1): 155-177. doi:10.6052/1000-0992-21-011

摘要(1561)

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PDF(294)

摘要:
Yves Couder, EmmanuelFort和同事们最近发现能够维持在振荡液体表面的毫米液滴可以通过与自身诱导波场的共振作用自我推进. 这篇文章针对实验结果进行了综述, 发现行走的液滴呈现出某些以往被认为只属于微观量子领域的特征. 文章接着回顾了这种流体动力导航波系统的理论描述, 从而深入了解其类量子行为的起源. 量子化产生于导波场施加在液滴上的动态约束, 且多模态统计是混沌导航波动力学的一个特征. 在此, 尝试评估此流体力学系统作为量子比拟的可能性和局限性. 该流体力学系统与量子导航波理论的比较表明, 它明显不同于玻姆力学, 而与de Broglie最初的量子动力学概念密切相关, 这包括de Broglie的双解理论及其后研究者们在随机电动力学领域的拓展.

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2021, 51(1): 178-187.

摘要(372)

PDF(149)

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