基于瞬变流和遗传算法的管道泄漏辨识

输水系统管道的泄漏影响瞬变水击波波形的畸变和衰减特性,对泄漏的定位和定量是泄漏辨识研究的重要环节.考虑水力瞬变中非恒定摩阻的影响,将泄漏参数反映在建立的管道瞬变流时域数学模型中,给出离散网格和求解方法,分析不同泄漏参数对瞬变水击波的影响,用遗传算法结合瞬变流时域模型的特征线法最小化管道测点压力实测和计算响应值的均方误差来辨识泄漏参数,其中实测信号首先经过预滤波和小波去噪处理.通过模型试验对瞬变流数学模型和泄漏反问题分析模型作了率定和验证,结果表明此法能有效的辨识出小泄漏参数,并且检测信号主动,阀门扰动可操作性强.     

求解管道耦合水力瞬变模型的Godunov格式

应用特征线差分法求解耦合瞬变问题时存在难以避免的多波插值问题,会引入较大的插值误差。为了解决此问题,本文提出了一种求解管道耦合水力瞬变模型的Godunov计算格式。首先基于有限体积法对模型进行数值离散,然后采用时空均为二阶精度的三步MUSCL-Hancock方法计算单元界面上的数值通量,同时引入斜率限制器函数来抑制虚假的数值振荡。在计算边界单元时,采用Rankine-Hugoniot条件与边界条件相结合的方法建立边界方程,有效降低了计算的复杂程度。实验与仿真对比表明：本文的计算结果与实验结果吻合较好,激波捕捉准确且无虚假的数值振荡,进而证明了该方法的可行性和有效性。     

水平管道中冰浆流动的摩阻特性的实验研究

本文对冰浆的流动摩阻特性进行了实验研究，并和清水的流动摩阻特性进行了对比，得到冰浆流动摩阻计算的经验公式．     

基于水力瞬变与扩展卡尔曼滤波的管道流体监测与泄漏定位

引入一种长输管道流体监测与泄漏定位的新方法，将管道流动的瞬变流模型转化为状态空间模型的描述，以管线沿程流量、压强水头为状态变量，管道进口流量和出口压力视做非线性动态系统的控制输入，出口流量和进口压力观测序列构成系统的测量向量。基于小信号原理首先线性化处理非线性模型，然后用扩展的卡尔曼滤波器结合传统的双曲方程特征线解法估计泄漏尺寸与位置，并实时模拟出管道流体的压力流量过程及其沿管道的分布。试验和仿真算例表明此法模拟的管道流动状态能较快收敛到稳定状态，并且泄漏尺寸估计与定位的结果与给定值比较吻合。因此引入扩展的卡尔曼滤波能够提高瞬变流模拟管道非定常流动的准确性和跟踪能力。     

考虑地基水平摩阻的Winkler地基上板模型解析

在Winkler地基模型基础上，采用板与地基之间的水平摩阻应力正比于板与地基接触点间水平位移假设，推演了包含板弯曲和轴向拉压效应的非线性地基板微分方程；应用摄动法分析竖向集中力作用下，板与地基水平摩阻应力对板内力（弯曲力、轴向力和剪应力）、位移（挠度、水平位移）的影响规律，实证了板与地基水平摩阻应力对板剪应力的非线性影响可以忽略不计，从而得到了轴对称条件下计入地基水平摩阻的Winkler地基上薄板的线性微分方程．随后通过汉克尔变换得到了轴对称无限大板的解析解，以及包含四项复宗量贝塞尔函数的轴对称圆形板的解析解，给出了板内力、位移的计算式；最后，通过算例分析了板与地基间水平摩阻状况对板挠度、截面弯矩的影响规律．结果表明：地基板挠度与弯矩随着板与地基间水平摩阻的增大而减少；当地基板水平摩阻参数大于0.01时，地基水平摩阻力对板挠度和弯矩影响有可能超过2%，应予考虑；无限大板作用圆形均布荷载时，水平摩阻的存在最大可使板最大挠度（即荷载圆中心点处挠度）下降约50%，板最大截面弯矩（即荷载圆中心点处弯矩）下降约70%.     

水平井中钻柱与井壁之间的摩阻计算

本文用柔杆模式计算了钻井和起下钻过程中钻柱与井壁之间的摩阻．该计算方法用于大庆油田和华北油田多口水平井的设计和施工，取得较好的效果．     

游泳衣料的表面摩阻测量

本文介绍用二维激光流速仪对游泳衣料的局部表面摩阻作对比性实验的一组测量结果.由于游泳衣表面为具有高度柔弹性的粗糙壁面,所以表面摩阻系数的值由离壁面稍远的对数律层的速度分布求得.实验结果表明,不同衣料的表面摩阻的差别可达90%左右,国产的单向弹性奥纶游泳衣的表面摩阻系数最小.由此可知,这种具有纵向纹理的衣料对于减少水对运动员的阻力最为有利.     

串联管道串联阀芯受瞬变压力研究

结合成品油停输再启动特性,建立了成品油控制体运动方程、连续方程,提出了串联阀芯流阻系数模型。通过差分方法对其编程求解,以串联管道串联阀芯为例,得出了串联阀芯受瞬变压力变化规律,探讨了停输再启动输油管路瞬变压力震荡衰减问题。以一个具体的工程实例进行研究,结果表明:串联管道串联阀芯线性关闭较单阀门线性关闭产生的最大瞬变压力由5.6MPa减至4.3MPa,减少了30.23%;管路瞬变压力震荡过程中,随着流体可压缩性的增大,流体的振幅衰减加剧,在43.2s时间内,瞬变压力最大峰值由4.85MPa减至1.28MPa;双阀门停输再启动中延长任一个阀门启闭时间均可使最大瞬变压力减小;对于相同关阀计划,阀芯流量系数越平缓,阀芯受瞬变压力越小。     

建筑结构摩阻式控制装置的力学与耗能分析

摩阻式控制装置是一种新型的建筑结构控制装置。本文通过设和不设摩阻层控制装置的受力和工作机理分析，分别建立了控制装置的力学分析和耗能计算方法。     

添加剂对流体摩阻的影响

稀聚合物溶液的湍流摩阻可能低至纯溶剂摩阻的1/4。阻力的降低,同聚合物的性质及流动的流体动力学有关。本文说明了应用于聚合物减阻的流体力学、聚合物化学及流变学方面的一些基本概念。利用现有文献中的实验数据,着重讨论了百万分之几的聚合物浓度对层流—湍流的转捩、边界层中的性质、管道内及平板上的湍流摩阻的影响。还讨论了在工业、消防、航运及生物学方面的应用。     

渤、黄海的底摩擦系数

利用伴随法，根据32个验潮站的水位观测资料来优化渤、黄海的底摩擦系数．所作的一系列数值模拟实验表明；利用伴随方法优化渤、黄海的底摩擦系数能够有效地减少数值模拟结果与观测结果的差异．     

轮轨试样表面粗糙度取向对油润滑下摩擦系数的影响

黏着力是列车安全与平稳运行的关键因素之一.最大黏着力与摩擦力有关,摩擦力的减小会导致黏着力的降低.表面粗糙度及其取向是影响摩擦系数的重要因素,然而,有关表面粗糙度取向对于混合润滑状态下摩擦系数的影响的研究结论似乎是矛盾的.用激光离散改性技术将车轮试样表面制备成具有菱形、纵纹、横纹3种典型的形貌,并且与不作激光离散改性处理的车轮试样作对比,用基于确定性模型的统一雷诺方程数值分析法和小比例尺度的轮轨试样摩擦学实验,得到的结论是:在油润滑状态下,激光表面形貌大幅提高摩擦系数,其中菱形对应的摩擦系数最大,纵纹与横纹的摩擦系数相差不大,摩擦系数的大小主要取决于由表面粗糙度取向决定的接触区内粗糙峰接触压力与总压力之比,侧流效应也是影响摩擦系数的重要因素,它主要取决于接触区内表面粗糙度的取向.     

与冲蚀有关的粘着与犁沟摩擦系数

提出一种与冲击磨损有关的有效摩擦系数，它被定义为冲击过程中，每一瞬间的切向有效摩擦力与法向载荷之比．有效摩擦力被表示为剪切项与犁沟项之组合．剪切项依赖于剪切金屑接合点的状态——滑移或滚动．犁沟项依赖于冲击物在冲击途中使靶材料发生移动的状态．此有效摩擦系数被应用于研究刚性球自由斜冲击延性靶问题．在忽略剪切项仅计及犁沟项的情况下，研究表明，Hutchings实验中的有效冲击摩擦系数是冲击过程与初始冲击角的函数，就时间平均而言，大于Hutchins为拟合计算与实验结果所取的摩擦系数常值0.05．有迹象表明，对于与固粒延性冲蚀有关的刚性球自由斜冲击延性靶问题，在一定条件下，有效摩擦系数主要由犁沟效应确定．     

摩擦与滚阻对被动行走器步态影响的研究

本文研究了圆弧足被动行走器支撑足与地面间的摩擦系数和滚阻系数对被动行走器步态的影响. 首先分别利用扩展的 赫兹接触力模型和LuGre摩擦模型描述了支撑足与地面接触点处的法向支撑力和切向摩擦力,并考虑了行走过程中支撑足 所受的滚动摩阻;其次利用第二类Lagrange方程推导出了该系统的动力学方程,并通过与已有成果的对比确定 了合适的LuGre摩擦模型参数;最后仿真分析了摩擦系数和滚阻系数对被动行走器步态的影响. 研究发现:摩擦系数的改变 虽然对被动行走器行走的平均速度、步幅,以及支撑足接触点处的最大法向接触力的影响较小,但摩擦系数的减小 会改变其行走步态类型,如发生倍周期分岔甚至混沌现象;然而,滚阻系数的改变会对行走器行走的 平均速度、步幅,以及支撑足接触点处的最大法向接触力的影响较大,尚未发现滚阻系数的改变会引起其行走步态的变化.      

高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制分析

高超飞行器在中低空以极高马赫数飞行时, 飞行器表面会遇到湍流与高温非平衡效应耦合作用的新问题. 这种高焓湍流边界层壁面摩阻产生机制是新型高超声速飞行器所关注的基础科学问题, 厘清此产生机制可以为减阻方法的设计提供指导, 具有重要的工程实用价值. 本文选取高超声速飞行时楔形体头部斜激波后的高焓流动状态, 开展了考虑高温非平衡效应的湍流边界层直接数值模拟研究, 并设置同等边界层参数下的低焓完全气体湍流边界层流动作为对比, 采用RD (Renard & Deck)分解技术研究了高焓湍流边界层摩阻的主要产生机制, 对摩阻产生的主要贡献项积分函数分布进行了详细分析, 研究了高温非平衡效应对摩阻产生的影响规律; 采用象限分析技术, 研究了摩阻分解湍动能生成项的主导流动事件. 计算结果表明, 高温非平衡效应会使得壁面摩阻脉动条带的流向和展向尺寸均减小. 分子黏性耗散项和湍动能生成项是高焓湍流边界层摩阻生成的主要流动过程. 分子黏性耗散项主要作用在近壁区, 高焓流动的分布与低焓流动存在差异. 象限分析表明, 上抛和下扫运动是影响摩阻分解中湍动能生成项的主导事件.      

Hydraulic analysis of free-surface flows with solidification

Summary The paper is concerned with a one-dimensional analysis of plane open-channel flow with continuous solidification. The process is of relevance for recent developments in the casting of steel and other metals. The bottom of the channel consists of a rotating casting roll and a horizontal cooling table, where the solidified material is withdrawn with given velocity. The study is restricted to the region downstream of the top of the casting roll. Surface tension is neglected. In the main part of the analysis inviscid fluid flow is considered since the Reynolds number is very large in the applications. It is found that the steady-state solutions are nonunique in a certain parameter range. In addition to a continuous solution, there are two solutions including hydraulic jumps, with one hydraulic jump being located on the casting roll, the other one on the cooling table. Regarding the stability of the non unique solutions, the evolution of disturbances is investigated numerically as an initial-value problem. It is concluded that the hydraulic jump on the cooling table is unstable, while the other discontinuous solution as well as the continuous solution are stable for sufficiently small disturbances. Which stable solution is attained in the steady state, depends on the history of the process. Friction at the liquid/solid interface is taken into account in the last part of the analysis. A constant friction coefficient is assumed. It is found that the history of the process determines the steady-state solution if, and only if, the friction coefficient is sufficiently small. For larger values of the friction coefficient, the steady-state solution is unique and independent of the history of the transient process. Furthermore, for sufficiently large friction coefficients, stable hydraulic jumps are found, in contrast to the inviscid case, also on the cooling table. Received 19 March 1999; accepted for publication 3 May 1999     

不同高度柔性植被对坡面流水动力特性的影响

基于系列坡面流试验,研究了柔性植被的高度(4 cm,8 cm和15 cm)对坡面流水动力特性的影响.研究表明:覆盖率相同时,4 cm植被阻水效果最好,15cm最差,而该差异随着坡度增大而减小.4 cm和8 cm植被覆盖时,水流阻力系数随雷诺数增加先减小后增加,这是由于雷诺数较小时水流阻力主要以床面阻力为主,雷诺增大时主要以植被阻力为主.另外,通过染色剂法测得光滑床面平均流速修正系数为0.2～0.4,有植被覆盖床面为0.4～0.8,且修正系数随平均流速增大而增大.     

深部煤岩界面超低摩擦时变模型及能量转化研究

深部煤岩超低摩擦型冲击地压实质是巨量煤岩体沿煤岩界面发生失稳滑动的时变过程,期间煤岩界面摩擦力和摩擦系数随时间变化,同时伴随煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能释放能量转化特征.为定量描述煤岩界面能量转化规律,引入量纲分析法,实验测定了煤岩弹性系数、阻尼系数和待定系数,给出了深部煤岩界面摩擦系数表达式.以沈阳红阳三矿为研究对象,通过实验研究和工程实际相结合,定义了冲击动能转化率新指标,验证了所建模型可靠性,定量描述了煤岩界面摩擦力做功向煤岩冲击动能转化规律.研究结果表明:深部煤岩界面摩擦系数随冲击载荷幅值增大而线性降低,随冲击载荷频率增大而线性增加.深部煤岩界面摩擦力的降幅和降低速率变化急剧,当冲击载荷幅值为5000 N、冲击载荷频率为500 Hz时,深部煤岩界面摩擦力降幅为97%、降低速率为38.9 kN/ms～41.38 kN/ms时发生超低摩擦效应.首次从摩擦力降低幅值和降低速率定量表征超低摩擦效应.结合实验和工程实际分析发现,能耗比实验结果均值为0.441,红阳三矿“11.11”冲击地压计算结果为0.488,两者较为接近,进一步证明所建模型合理性.     

Attenuation analysis of hydraulic transients with laminar-turbulent flow alternations

An improved compound mathematical model is established to simulate the attenuation of hydraulic transients with laminar-turbulent alternations,which usually occur when the pipeline flow velocity fluctuates near the critical velocity.The laminar friction resistance and the turbulent friction resistance are considered respectively in this model by applying different resistance schemes to the characteristics method of fluid transient analysis.The hydraulic transients of the valve closing process are simulated using the model.A more reasonable attenuation of hydraulic transients is obtained.The accurate attenuation is more distinct than that obtained from the traditional mathematical model.The research shows that the hydraulic transient is a type of energy waves,and its attenuation is caused by the friction resistance.The laminar friction resistance is more important than the turbulent friction resistance if the flow velocity is smaller than the critical velocity.Otherwise the turbulent friction resistance is more important.The laminar friction resistance is important in the attenuation of hydraulic transients for the closing process.Thus,it is significant to consider the different resistances separately to obtain more accurate attenuation of hydraulic transients.     

EFFECT OF INTERGRANULAR FRICTION ON THE BOTTOM FORCE CHAIN OF TWO-DIMENSIONAL PARTICLE PILES WITH POINT DEFECTS1)

力链对颗粒物质的宏观与微观力学性质起着决定性的作用。在离散元法的基础上,建立二维规则排列的颗粒物质系统,分别研究无缺陷颗粒系统在集中载荷变化与有缺陷颗粒系统在缺陷区域改变时,粒间摩擦系数对颗粒系统底部接触力分布规律的影响。结果表明：在无缺陷颗粒系统中,颗粒系统底部接触力的分布形式受摩擦系数和集中载荷的大小影响。随摩擦系数的增大,底部接触力由双峰形式经平台过渡,逐渐向单峰形式转变。在有缺陷颗粒系统中,摩擦系数和缺陷尺寸对底部接触力分布均有影响。同种载荷作用下,随缺陷尺寸的增大,底部接触力峰值显著增大;底部平均力被明显削弱,力向边界的传递增强。系统中轴线上缺陷的存在使底部中间区域受力削弱,当缺陷尺寸超过2 层以上时,底部中间力随摩擦系数的变化特征由递增曲线演变为线形衰减曲线。