泡沫铝材料动态本构参数的实验确定

基于泡沫材料的动态刚性-线性硬化塑性-刚性卸载(D-R-LHP-R)模型,结合连续性方程,动量守恒方程及刚体的运动方程,得到了激波在泡沫材料中的量纲一消失位置X_s/L₀和动态屈服应力Y_i、激波波速c_p、冲击初始应变ε_i之间的如下关系式: $\frac{X_{\mathrm{s}}}{L_{0}}=\exp \left(-\frac{\rho_{0} c_{\mathrm{p}} v_{\mathrm{i}}}{Y}\right)=\exp \left(1-\frac{\sigma_{\mathrm{i}}}{Y}\right)=\exp \left(-\frac{\rho_{0} c_{\mathrm{p}}^{2} \varepsilon_{\mathrm{i}}}{Y}\right)$ 采用Taylor-Hopkinson装置进行实验,当直接测得泡沫铝试样密度ρ₀、边界初始应力σ_i、初始打击速度v_i、泡沫铝杆原长L₀及激波在泡沫铝杆中消失长度X_s后,利用方程式(a)可反演求得D-R-LHP-R模型下的泡沫铝动态应力应变曲线。最后通过与泡沫铝准静态实验数据对比,表明该泡沫铝是应变率敏感性材料。     

温度场内尺度估算方法的研究

用三维超声风速计测量了合肥地区风速脉动和温度脉动数据, 从Kolmogorov 的4/5定律估算湍流动能耗散率\varepsilon, 从Yaglom的4/3定律估算温度方差 耗散率\varepsilon _\theta, 指出现有文献提供的公式不适合计算温度场的内 尺度. 提出了一种温度场内尺度计算公式, 式中含有温度方差耗散率\varepsilon _\theta , 得到的内尺度大小正确反映了与C_n^2 强弱的对应关系.     

16MnR钢缺口试样解理断裂行为研究

研究了低合金热轧钢16MnR缺口试样在$-196\,{^\circ}$C和$-130\,{^\circ}$C的解理断裂机 理. 拉伸试验、单、双缺口四点弯曲实验、断口形貌观察以及有限元分析结果表明, 缺口试 样发生解理断裂时均起裂于夹杂物粒子, 一种位于缺口根部前端(IC型), 另一种位于距缺口 根部较远的条形裂纹前端(SIC型); 且随温度升高, 起裂源的类型从$-196\,{^\circ}$C下的IC 型转变为$-130\,{^\circ}$C下的SIC型. 微裂纹均形核于夹杂物, 最终的断裂由铁素体晶粒尺 寸的微裂纹扩展控制. 缺口试样IC型解理断裂遵循裂纹形核条 件$\varepsilon_{\rm p} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和裂纹扩展条件$\sigma_{yy} \ge \sigma_{f}$, 而SIC型解理断裂条件则演化为$\varepsilon_{\rm p}+\varepsilon_{\rm ps} \ge \varepsilon_{\rm pc}$和$\sigma_{yy} +\sigma_{yy{\rm s}} \ge \sigma_{f}$.     

动力学平衡方程的Euler中点辛差分求解格式

给出了动力学方程${\pmb M}\ddot {\pmb x} + {\pmb C}\dot {\pmb x} + {\pmb K \pmb x} = {\pmb R}$的二阶Euler中点隐式差分求解格式，分保守系统、无 阻尼受迫振动系统和阻尼系统3种情况, 讨论了算法中Jacobi矩阵${\pmb A}$的性质，譬 如${\pmb A}$是否为辛矩阵以及谱半径等. 对于无阻尼系统，证明了无论是否存在外 载荷，Jacobi 矩阵都是辛矩阵. 证明了辛矩阵的所有本征值的模为1，其谱半径永远 为1, 以及$\delta = 0.5$和$\alpha = 0.25$的Newmark算法就是Euler中点隐式差 分格式，对保守系统它们都是辛算法. 严格证 明了Euler中点辛格式是严格保持系统能量的. 通过算例详细讨论了保辛算法用于求解非保 守系统动态特性的优越性，如广义保结构特性等；分析了保辛算法的相位误差以及由其引起 的系统的附加能量特性；分析了保辛算法和$\delta \ne 0.5$的Newmark算法的精度随着激励频率与系统固有频率比的变化情况等     

狭缝射流撞击圆柱表面的湍流特性实验研究

实验研究了狭缝射流撞击圆柱表面后壁面射流区的平均流动和湍流特 性. 考察了雷诺数 Re (6000-20000), 喷口到受撞表面距 离 Y/W (5-13), 喷口宽度 W (6.25mm, 9.38mm), 受撞表 面曲率(半圆柱体直径 D = 150mm)对流动和湍流结构的影响. 通过分析 X 热线 在壁面射流区的测量结果发现，在近壁区域，表面曲率、 Re_{w} , Y/W 和 S/W 等 参数对 \sqrt {\overline{u^2}} / U_m 的影响比对 \sqrt {\overline{v^2}} / U_m 强，并且切 应力 \overline {uv} /U_m^2 对表面曲率变化最敏感. 当喷口与受撞击表面之间的距 离 Y/W 在一定范围内增加时， 沿圆柱表面流动的流向和横向的湍流强度增强. 用平板射流和圆柱体表面壁面射流的数据进行比较，从而得到表面曲率对壁面射流特 性的影响. 结果表明，曲率对壁面射流的影响较强， 并随着 S/W 的增大而增强. 随着雷诺数的增大，壁面曲率的影响也有强化的趋势.     

完整岩石拉压应力状态下的张裂破坏准则

一点的应力状态可由3个主应力$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示, 当规定主应力以压为正时, 沿最大主应力$\sigma_{1}$方向将产生收缩变形, 若中间主应力$\sigma_{2}$和最小主应力$\sigma_{3}$都远小于$\sigma_{1}$, 则沿$\sigma_{2}$和$\sigma_{3}$方向会产生横向扩张变形, 当横向扩张变形达到一定极限时, 将会在平行于$\sigma _{1}$的方向产生张裂破坏. 如何建立这种张裂破坏的强度准则目前尚缺乏研究, 最大拉应变理论(第二强度理论)有时被用来解释张裂破坏, 但最大拉应变理论难以应用于三向受力状态. 本文分别用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示最大张应变和次大张应变, 则最大拉应变理论认为当$\varepsilon_{1}$达到单向拉伸屈服应变时, 材料将产生破坏. 而本文将根据$\varepsilon_{1}+\varepsilon_{2}$之和达到极限值$\varepsilon_u$来建立张裂破坏准则. 可以证明$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2}$所表示的是$\sigma_{1}$主平面的面积增长率. 当$\sigma_{3}<\sigma_{2} \ll \sigma_{1}$时, 大部分岩石都具有脆性破坏的特点, 所以可将破坏前的岩石视为满足广义胡克定律的线弹性材料, 这样用$\varepsilon_{1}$, $\varepsilon_{2}$表示的强度准则可通过$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$来表示. 在这个过程中还可考虑岩石在拉伸和压缩时具有不同弹性参数和强度的特点, 并可通过单向拉伸和单向压缩的破坏状态来确定$\varepsilon_u$. 不管$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$是压应力, 还是拉应力, 或者$\sigma_{1}$, $\sigma_{2}$, $\sigma_{3}$中有拉有压的情形, 基于$\varepsilon_{1} +\varepsilon_{2} =\varepsilon_u$都可建立相应的强度准则. 所建立的准则可以反映中间应力$\sigma_{2}$对强度的影响规律, 通过建立的强度准则还可以证明: 静水拉力能引起屈服, 而静水压力不能产生屈服; 压缩破坏能使塑性体积增大, 其结果比Mohr-Coulomb准则更能反映实际情形. 并通过拉压应力状态下的试验数据验证了所建立的强度准则, 所得理论计算结果和已有的试验数据吻合得很好. 通过提出的强度准则和圆盘劈裂的试验结果, 可获得更为可靠的岩石单轴抗拉强度.      

磁场对多孔介质方腔内空气热磁对流的影响

数值分析了微重力下圆形载流线圈倾斜时多孔介质方腔内空气热磁对流. 磁场计算采用毕奥--萨伐定律求解; 动量方程与能量方程分别采用达西模型与局部热非平衡模型求解. 计算结果表明随着磁场力数\gamma 数和Da数的增加, 方腔内对流变得越来越强. 线圈倾斜角x_{\rm euler}从0^\circ到90^\circ变化时, 对流结果关于x_{\rm euler}=45^\circ呈现对称分布. Nu_{\rm m}数随线圈倾斜角的改变而变化且每个工况下局部最大Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=45^\circ. 局部最小Nu_{\rm m}数出现在x_{\rm euler}=0^\circ, 90^\circ.      

高温后高强高性能混凝土双轴压力学性能

利用大型静动真三轴试验机,进行了常温20${^\circ}$C以及200${^\circ}$C$\sim $ 600${^\circ}$C\,6个温度等级高温后高强高性能混凝土在7种应力比双轴压应力状态下的强度与变形试验.测得了双轴主压方向的静态强度、峰值应变与应力应变曲线,剖析了温度和应力比对单、双轴压强度与峰值应变发展趋势的影响规律性以及试件破坏形态. 试验结果表明:随温度的升高,高强高性能混凝土的单轴压减摩强度并不一定降低;双轴压强度相对于单轴压强度的提高倍数取决于应力比、不同温度等级后的高强高性能混凝土``脆硬性'. 提出了带有温度和应力比参数的Kupfer-Gerstle破坏准则公式.      

分段吸气高层建筑减阻性能的数值研究

为减小高层建筑的风致阻力, 采用CFD方法研究了主动吸气控制下高层建筑模型的风载荷减阻性能, 分析了竖向开孔位置、吸气孔高度和吸气速度等参数对减阻性能的影响, 并详细展示流场,讨论吸气控制机理. 结果表明: 保持流量系数不变, 增加吸气孔高度(或减小吸气速度)使得模型各表面的风压折减效 率$\eta_{\rm{PR}}$, 阻 力折减效率$\eta_{\rm{DR}}$和基底弯矩折减效率$\eta_{\rm{MR}}$增大, 且只有$\eta_{\rm{MR}}$在较大吸气孔高度时超过1.0. 拟合了$\eta_{\rm{DR}}$ 和$\eta_{\rm{MR}}$关于吸气孔中心高度、吸气孔高度和吸气速度的经验公式, 为分段吸气控制的应用提供参考. 基于最大风压折减效率和最小吸气功率,比较了 各分段吸气模型和全高吸气模型的减阻性能, 发现全高吸气模型的减阻性能优于分段吸气模型. 可在高层建筑中上部设置吸气装置来减小基底弯矩或改善其局部风压特性.     

关于两种二阶应变梯度理论

对常见的两种应变梯度理论进行了深入的理论分析,比较了它们在公式推导、能量表达、物理解释和应用领域方面的差异. 选择钢筋拉拔弹性阶段和超薄悬臂梁受压弯曲两个典型的算例,采用可以通过C^{0\hbox{-}1}分片检验的18自由度应变梯度平面三角形单元和轴对称三角形单元,通过数值计算比较了两种理论在描述细观力学性能方面的差异.      

On the effect of inflow conditions in simulation of a turbulent round jet

This paper investigates the impact of the inflow conditions on simulations of a round jet discharging from a wall into a large space. The fluid dynamic characteristics of a round jet are studied numerically. A numerical method based on the control volume approach with collocated grid arrangement is employed. The k-e{k-\varepsilon} model is utilized to approximate turbulent stresses by considering six different inlet conditions. The velocity field is presented, and the rate of decay at the jet centerline is determined. The results showed that inflow conditions had a strong influence on the jet characteristics. This paper also investigates both sharp-edged and contoured nozzles. The effects of velocity, turbulence intensity, turbulence kinetic energy, and turbulence dissipation rate on flow field characteristics are examined. Results showed that the present simulations in both types of nozzles are in good agreement with experiments when considering the appropriate inflow conditions.     

GENERAL REYNOLDS ANALOGY RELATION ON BLUNT-NOSED BODIES$^{\bf 1)}$

钝头体壁面的摩阻和热流分布规律不同,平板流动中的雷诺比拟关系在钝头体壁面失效. 文章在前期高超声速广义雷诺比拟理论研究工作的基础上,利用数值仿真的方法对不同外形和来流参数条件下的钝头体广义雷诺比拟关系开展进一步研究. 通过建立钝头体绕流边界层的理论分析模型,得到了钝头体壁面雷诺比拟系数的线性分布预示公式. 采用数值求解 N-S 方程的方法,计算了圆柱和幂次体壁面的摩阻和热流以及二者之间的比拟系数. 通过与前期数值和理论结果对比,以及计算收敛性和网格无关性检验,对数值方法进行了验证. 通过在不同雷诺数 ($Re_\infty = 3.98\times 10^2 \sim 1.59\times 10^6$) 和马赫数 ($M_\infty = 3\sim 12$) 条件下的计算结果对比分析雷诺比拟系数的分布,总结了钝头体中广义雷诺比拟关系受外形和来流条件的影响,评估了广义雷诺比拟理论的适用性. 研究发现,在较高雷诺数条件下,离驻点较远的下游 ($\theta > 60^\circ$) 部位,雷诺比拟系数的分布不同程度地偏离理论预示的线性规律. 相比于圆柱外形,幂次体壁面的雷诺比拟系数分布的线性规律相对较好,其分布斜率略低于圆柱壁面的结果. 研究表明,如果针对实际外形和雷诺数进行适当修正,可以提高广义雷诺比拟关系的预示精度.     

钝头体中的广义雷诺比拟关系

钝头体壁面的摩阻和热流分布规律不同,平板流动中的雷诺比拟关系在钝头体壁面失效. 文章在前期高超声速广义雷诺比拟理论研究工作的基础上,利用数值仿真的方法对不同外形和来流参数条件下的钝头体广义雷诺比拟关系开展进一步研究. 通过建立钝头体绕流边界层的理论分析模型,得到了钝头体壁面雷诺比拟系数的线性分布预示公式. 采用数值求解 N-S 方程的方法,计算了圆柱和幂次体壁面的摩阻和热流以及二者之间的比拟系数. 通过与前期数值和理论结果对比,以及计算收敛性和网格无关性检验,对数值方法进行了验证. 通过在不同雷诺数 ($Re_\infty = 3.98\times 10^2 \sim 1.59\times 10^6$) 和马赫数 ($M_\infty = 3\sim 12$) 条件下的计算结果对比分析雷诺比拟系数的分布,总结了钝头体中广义雷诺比拟关系受外形和来流条件的影响,评估了广义雷诺比拟理论的适用性. 研究发现,在较高雷诺数条件下,离驻点较远的下游 ($\theta > 60^\circ$) 部位,雷诺比拟系数的分布不同程度地偏离理论预示的线性规律. 相比于圆柱外形,幂次体壁面的雷诺比拟系数分布的线性规律相对较好,其分布斜率略低于圆柱壁面的结果. 研究表明,如果针对实际外形和雷诺数进行适当修正,可以提高广义雷诺比拟关系的预示精度.      

Evaluation of a Modified Reynolds Stress Model for Turbulent Dispersed Two-Phase Flows Including Two-Way Coupling

A modified Reynolds stress turbulence model for the pressure rate of strain can be derived for dispersed two-phase flows taking into account gas-particle interaction. The transport equations for the Reynolds stresses as well as the equation for the fluctuating pressure can be derived starting from the multiphase Navier–Stokes equations. The unknown pressure rate of strain correlation in the Reynolds stress equations is then modelled by considering the multiphase equation for the fluctuating pressure. This leads to a multiphase pressure rate of strain model. The extra particle interaction source terms occurring in the model for the pressure rate of strain can be constructed easily, with no noticeable extra computational cost. Eulerian–Lagrangian simulation results of a turbulent dispersed two-phase jet are presented to show the differences in results with and without the new two-way coupling terms.     

非对称射流形成的几何理论(二)

将平板非对称正碰撞形成射流满足的定常方程组封闭条件推广到非正碰情况，提出了平面二维条件下非对称射流形成的一般理论，给出了射流形成的临界条件和出流射流的理论公式。对斜碰撞情形下非对称射流的出流方向、厚度随碰撞角和来流初始位形的变化规律进行了理论预测和数值模拟，理论解与二维欧拉程序的仿真结果符合较好。     

Effect of curvature on the turbulence of a two-dimensional jet

An experimental study is presented which details the turbulence characteristics of a two dimensional offset jet. A single offset ratio (height of the nozzle above the solid parallel wall by nozzle width) of seven is used with a nozzle Reynolds number of 15,000. Measurements are presented in the preattachment jet region made with a dual frequency shifted laser Doppler anemometer. The relative strain rates resulting from curvature on the upper and lower sides of the jet are determined and their effects on the r. m. s. fluctuating velocity components are presented.This paper was presented at the Ninth Symposium on Turbulence, University of Missouri-Rolla, October 1–3, 1984     

Numerical validation of the shear compression specimen. Part II: Dynamic large strain testing

Part I of this work addressed quasi-static loading of the shear compression specimen (SCS), which has been especially developed to investigate the shear dominant response of materials at various strain rates. The stress and strain states were characterized numerically. Approximations were presented to reduce the measured load,P, and displacement,d, into equivalent stress and strain . This paper addresses dynamic loading of the SCS. Several simulations were made for representative materials, whose stress-strain behavior is assumed to be rate-independent. The results show that stress wave loading induces strong oscillations in theP-d curve. However, the curve remains smooth in the gage section. The oscillations are about the quasistatic load values, so that with suitable filtering of the dynamicP-d curves, the quasi-static ones are readily recovered. Consequently, the approach that was developed for quasi-static loading of the SCS is now extended to dynamic loading situations. The average strain rate is rather constant and scales linearly with the prescribed velocity. As the plastic modulus becomes smaller, the strain rate reaches higher values. Friction at the end pieces of the specimen is also investigated, and shown to have a small overall influence on the determined mechanical characteristics. This paper thereby confirms the potential of the SCS for large strain testing of materials, using a unified approach, over a large range of strain rates in a seamless fashion.     

水中高压脉动气泡与浮体流固耦合特性研究

本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究, 采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟, 利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度, 同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性. 实验中, 采用水下放电技术生成气泡, 使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应. 首先对比数值与实验结果, 二者吻合良好, 验证了数值计算模型的有效性和正确性. 然后通过对气泡与浮体的无量纲距离$\gamma_{s} $ (气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现: (1) $\gamma_{s} $从0.2增大至2时, 气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(本文针对水中放电气泡与水面浮体流固耦合作用开展实验和数值研究,采用边界积分法对气泡运动进行数值模拟,利用辅助函数法提高非线性流固耦合问题的计算精度,同时运用双节点法保证气-液-固三相交界线的计算稳定性.实验中,采用水下放电技术生成气泡,使用高速摄影捕捉气泡动力学行为与浮体运动响应.首先对比数值与实验结果,二者吻合良好,验证了数值计算模型的有效性和正确性.然后通过对气泡与浮体的无量纲距离γ_s(气泡最大半径为特征长度)进行系统研究发现:(1)γ_s从0.2增大至2时,气泡在坍塌阶段分别形成了颈缩型环状射流(0.2≤γ_s≤0.3)、接触射流(0.4≤γ_s≤0.6)、非接触射流(0.7≤γ_s≤1)、对射流(1.1≤γ_s≤1.3)和反射流(1.4≤γ_s≤2)等5种典型射流模式;(2)正射流速度随γ_s先增大后减小再增大,并且当0.7≤γ_s≤0.9时,速度可达约1000 m/s;反射流速度随γ_s增大而增大;(3)在本文实验条件下,γ_s1.5时浮体对气泡的Bjerknes吸引力强于自由液面的Bjerknes排斥力导致气泡在坍塌阶段向浮体迁移;当γ_s≥1.5时自由液面对气泡的排斥作用更强,气泡在坍塌阶段远离自由液面.     

Non-Newtonian viscous oscillating free surface jets, and a new strain-rate dependent viscosity form for flows experiencing low strain rates

A model for oscillating free surface jet flow of a fluid from an elliptical orifice, together with experimental measurements, can be exploited to characterize the elongational viscosity of non-Newtonian inelastic fluids. The oscillating jet flow is predominantly elongational, with a small strain that oscillates rapidly between large and zero strain rates. We find that to reproduce the experimentally observed steady oscillating jet flow in model simulations, the assumed form of the non-Newtonian viscosity as a function of strain rate must have zero gradient, i.e., be Newtonian, at zero strain rate (a behavior exhibited, in general, by real inelastic fluids). We demonstrate that the Cross, Carreau, Prandtl-Eyring, and Powell-Eyring forms, although they have finite viscosity at zero strain rate, have either nonzero or even unbounded gradient at zero, and hence are unable to model oscillating jet behavior. We propose a new non-Newtonian viscous form which has all of the desirable features of existing forms (high and low strain rate plateaus, with adjustable location and steepness of the transition) and the additional feature of Newtonian behavior at low strain rates. Received: 7 February 2000 Accepted: 31 October 2000