Combined experimental observation and numerical simulation of the cloud cavitation with U-type flow structures on hydrofoils

Sheet/cloud cavitation is an important topic that is a very common type of cavitation in turbo-machinery and marine propeller. Up to now we still have limited understanding of the cavitation shedding dynamics and cloud cavity formation and development. The present study used experimental and numerical studies to gain a better understanding of the complex physics involved in this problem. A series of experimental observations around hydrofoils are carried out in the cavitation tunnel of the China Ship Scientific Research Center (CSSRC) to illustrate the spatial–temporal evolution of the cloud cavity in detail. The results demonstrate that U-type flow structures are common in cloud cavities and can be divided into three stages and the closure line in a sheet cavity often has a convex–concave profile. Reentrant flows occur in the convex region with the jet direction normal to the contour edge so the shedding is mainly caused by the converging reentrant flows. Further analysis demonstrated that there was a striking difference with the cavity growth suppressed substantially in the twisted hydrofoil case if compared with straight hydrofoil and the effect of side entrant jets might make the cavity more uniform across the span. Numerical simulations were used to simulate the formation and development of the cloud cavity. The results show that the strong adverse pressure gradient in the stagnation region at the downstream end of the attached cavity forces the re-entrant flows into the vapor structure with a radially-diverging re-entrant jet and a pair of side-entrant jets, which causes the cavity shedding. Further analyzes of the local flow fields show that the interactions between the circulating flow and the shedding vapor cloud may be the main reason for the formation of the U-type cloud cavity structures.     

Large eddy simulation of flows after a bluff body: Coherent structures and mixing properties

This paper performs large eddy simulations (LES) to investigate coherent structures in the flows after the Sydney bluff-body burner, a circular bluff body with an orifice at its center. The simulations are validated by comparison to existing experimental data. The Q function method is used to visualize the instantaneous vortex structures. Three kinds of structures are found, a cylindrical shell structure in the outer shear layer, a ring structure and some hairpin-like structures in the inner shear layer. An eduction scheme is employed to investigate the coherent structures in this flow. Some large streaks constituted by counter-rotating vortices are found in the outer shear layer and some well-organized strong structures are found in the inner shear layer. Finally, the influences of coherent structures on scalar mixing are studied and it is shown that scalar in the recirculation region is transported outward by coherent structures.     

Free and forced vibration of repetitive structures

In this paper, the vibration problems of some repetitive structures, including symmetric, cyclic periodic, linear periodic, chain, and axi-symmetric structures is investigated. Eigen-value problems derived from the vibration equations of these structures are established based on their continuous models. The special properties of the structural modes of these structures are deduced. Applying these properties can provide effective reduction approach to solving the natural and forced vibration problems of these structures by either numerical or experimental methods. Furthermore, these properties can be applied in other aspects such as evaluating the reasonableness of the discrete models of these repetitive structures.     

金属多级类蜂窝的压溃行为研究

通过实验和数值模拟方法系统研究了单胞壁开孔金属多级类蜂窝与双胞壁开孔金属多级类蜂窝的压溃行为. 重点分析了试件尺寸、开孔位置、孔偏距和孔梯度等因素对多级类蜂窝力学性能的影响. 结果表明,多级类蜂窝的压溃过程可分为3个阶段:弹性变形、屈曲变形以及密实;单胞壁开孔多级类蜂窝的压溃过程趋向于渐近内凹压溃,而双胞壁开孔多级类蜂窝趋向于轴向压溃;试件尺寸对多级类蜂窝的力学行为有明显的影响,当胞元数达到一定数目时,其力学性能几乎与蜂窝胞元数无关. 单胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力大于双胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力,但其平均压溃应力小于双胞壁开孔多级类蜂窝的平均压溃应力;与传统蜂窝相比,蜂窝胞壁开孔设计降低了蜂窝材料的比吸能;孔偏距的存在导致单胞壁开孔多级类蜂窝的峰值应力降低,但随着孔偏距的增加其平均压溃应力呈先减低后增加趋势;多梯度孔设计对多级类蜂窝材料的力学性能有重要影响,与均匀孔多级类蜂窝相比,正梯度孔分布设计降低了多级类蜂窝峰值应力,但提高了其平均压溃应力;多梯度孔分布设计对多级类蜂窝的峰值应力和平均压溃应力影响不大.      

失谐周期结构中振动局部化问题的研究进展

周期结构在工程中有很多应用实例, 其具有频率通带和禁带等特殊力学性质. 失谐可使周期结构的力学特性产生本质变化, 即失谐周期结构中存在振动局部化现象.局部化破坏了周期结构模态的规则性, 在外激励下会使结构某些部位的响应幅值过大, 产生能量积聚, 甚至导致结构发生疲劳破坏. 因此分析失谐周期结构中振动和能量的传播方式与规律具有重要的理论与实际意义, 可以为重要子结构的振动控制和减振设计提供理论依据. 针对一维直线型周期结构、循环周期结构以及二维周期结构等, 综述了其中的振动局部化问题的研究现状,主要集中于力学模型的建立、振动局部化问题的研究内容、分析方法和主要研究结果等, 并提出了值得进一步研究的问题.      

周期结构动力响应的高效数值方法

提出一种计算周期结构动力响应的高效率算法. 以精细积分方法为基础, 利用周期结构的对称性和动力问题的物理特性, 分析了周期结构对应矩阵指数的特殊结构, 并基于此给出一种计算周期结构对应矩阵指数的高效率方法. 在高效和精确计算周期结构对应矩阵指数的基础上, 得到了周期结构动力响应的高效率和高精度算法. 数值算例表明, 该方法效率高且节省存储要求.      

土中爆炸波与地下结构相互作用计算方法研究综述

土中爆炸波与结构相互作用是地下工程结构抗爆计算的理论基础,理论研究中通常在宏观试验基础上,引入合理的介质动力本构模型分析波动问题。针对工程防护中的计算模型和解析方法,综述了岩土介质中爆炸波与结构相互作用的现状和研究进展,内容包括土的动力本构模型,自由场中爆炸波的传播、爆炸波与箱型、圆柱形和直墙圆拱型等地下结构的相互作用等。重点阐述了常用的非饱和土和饱和土的动力本构模型、考虑松弛效应的土的综合弹塑性模型,一维平面波在不均匀介质和分层介质中的传播及地下结构爆炸荷载计算方面的研究成果,分析了各种模型和计算方法的适用范围和存在问题。     

高承载梯度分层点阵结构的拓扑优化设计方法

随着增材制造技术的迅速发展, 点阵结构由于其高比强度、高比刚度等优异力学性能受到广泛关注, 但其单胞分布设计大多基于均布式假设, 导致其承载能力相对较差. 基于拓扑优化技术提出了一种梯度分层的点阵结构设计方法. 首先, 基于水平集函数建立点阵单胞几何构型的显式描述模型, 引入形状插值技术实现点阵单胞的梯度构型生成; 其次, 构建基于Kriging的梯度点阵单胞宏观等效力学属性预测模型, 建立宏观有限单元密度与微观点阵单胞等效力学属性的内在联系; 然后, 以点阵结构刚度最大为优化目标, 结构材料用量和力学控制方程为约束条件, 构建点阵结构的梯度分层拓扑优化模型, 并采用OC算法进行数值求解. 算例结果表明, 所提方法可实现点阵结构的最优梯度分层设计, 充分提高了点阵结构的承载性能, 同时可保证不同梯度点阵单胞之间的几何连续性. 最后, 开展梯度分层点阵结构与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构的准静态压缩仿真分析, 仿真结果表明, 与传统均匀点阵结构和线性梯度点阵结构相比, 梯度分层点阵结构的承载能力明显提高. 研究结果可为高承载点阵结构设计提供理论参考.      

正多边形基多胞薄壁管的吸能特性

多胞薄壁结构具有轻量化、高比吸能的特点，在汽车、轮船、航空航天等领域得到了广泛的应用。已有研究表明结构的耐撞性与结构的拓扑方式及胞元数量密切相关。为了研究结构形状和拓扑优化对其吸能效果的影响，基于正多边形结构，通过内嵌多边形和外接圆管的方式设计了两类新型多胞薄壁结构，并对这两类多胞薄壁结构进行准静态和落锤冲击实验，利用高速相机记录结构的变形模式，并定量分析了结构的吸能特性。实验结果表明:除正三角形二级内嵌四边形所得结构在准静态加载实验后期出现了局部失稳现象外，其余结构在准静态和落锤冲击实验过程中均保持垂直受压，结构变形模式与吸能效果较好。通过比较两类结构的实验结果得出:不论是在准静态加载还是在落锤冲击的情况下，内嵌多边形结构的各项吸能指标都明显优于外接圆管的结构；同等质量的情况下，内嵌四边形结构的吸能效果明显优于内嵌三角形的结构。     

采用压电和粘弹性材料的杂交控制的研究进展

杂交阻尼控制技术是许多工程结构减振和改善性能的重要方法之一.本文主要从杂交阻尼结构的几个特征方面:阻尼结构形式、建模假设、黏弹性材料建模、响应分析方法、控制方法、参数研究和结构选择来研究杂交阻尼结构的研究进展和主要研究成果.研究发现绝大多数的文献只局限于研究梁板的问题.因此很有必要加强对壳体等复杂结构的研究.最后文中指出了有关杂交阻尼结构继续发展的有待深入研究的几个方面.图0参72     

Instability of buoyant diffusion flames

Buoyant jet diffusion flames are known to exhibit large scale vortical flow structures strongly interacting with flame structures. In the present work, the formation and evolution of coherent flow structures is studied in a methane/ air coflow arrangement. This is accomplished by utilizing visualization techniques (planar laser induced hydroxyl fluorescence and Mie-scattering) and Laser Doppler Velocimetry. A striking repeatability and correlation of evolving coherent structures of the air co-flow and the reaction zone is observed. In the transitional region, flow and flame structures oscillate at very pure frequencies ranging from 10–15 Hz. A local absolutely unstable velocity profile close to the burner rim seems to be responsible. Self-excited axisymmetric wavelike structures propagate up- and downstream of this location. We study the influence of the exit velocities and the type of coflowing oxidizer (air or oxygen) on the location of transition to periodic flow structures and related frequencies. Conditional averages of image and velocity data are employed to describe the evolution of coherent flow structures and their interaction with flame structures.The authors wish to thank the Deutsche Forschungsgemeinschaft for financial support under contract Kn 118/22-2.     

Correlative analysis of organised structures in turbulent jets

An approach to characterise jets by analysing the locations of large-scale instantaneous structures is presented. Planar imaging is used to identify instantaneous large-scale structures in flow fields. ??Correlation Images?? are generated from the auto-correlation of identified large-scale structures in instantaneous planar images. A ??Structure Correlation Survey?? is produced by the sum of Correlation Images from an ensemble. A Structure Correlation Survey provides a measure of the underlying large-scale structures, namely the characteristic distances and angles between large-scale structures, number densities of large-scale structures in the image field and their dominant modes of flow. The approach is assessed analytically and applied to experimental data. Four generic flow patterns are identified and used individually, or in combination, to classify jet flows. Results show that the proposed method can be used successfully to characterise jet flows based on large-scale structures in an instantaneous flow field.     

竖直平板间自然对流大尺度相干结构的POD分析

POD方法是研究湍流相干结构的有效手段．将该方法应用于竖直平板间自然对流的问题,考虑到流场的热耦合性,采取了速度场与温度场相关联的POD分析．研究表明,该流场具有显著的结构性,流场中的主要含能流动形态为大尺度螺旋涡与纵向涡结构．用POD分析方法,得到广义“能量”在各模态问的分布,发现其分布有比较明显的收敛性．通过POD方法重构流场,可以用较少的模态捕捉到该流场的主要信息．     

多子域模式重复结构多目标拓扑优化

将多子域模式重复方法引入到基于变密度法的传热以及力热一体化拓扑优化中.基本思想是将全域划分为多个大小相等的单胞,将设计变量定义在其中多个单胞上,并通过全等映射复制到其他单胞.引入了连续变化的密度过滤方法,以解决棋盘格问题和边界模糊问题.分别以散热弱度和局部温度作为目标函数,对传热结构进行了优化设计;引入多目标设计公式,对力热一体化结构进行了优化设计,均得到了清晰的模式重复结构.比较发现,多子域模式重复优化效果虽然不如全域设计,但要优于单域模式重复设计,而且继承了模式重复模块化特征显著和综合性能更均衡的优点.此外,单域和多子域模式重复结构均有更强的抗缺陷能力.     

薄壁管及其泡沫金属填充结构耐撞性的实验研究

对两种AA 6063T6铝合金薄壁空管(方/圆管)结构以及填充泡沫铝的5种不同几何截面的薄壁夹芯管(单方/圆管填充,双方/圆管填充,双方管四角填充结构)分别进行了准静态轴向压缩实验,研究了各种薄壁结构的变形模式和吸能性能,比较了反映不同结构耐撞性的各种参数,如比能量吸收和能量吸收效率因子等。同时,研究了各种填充结构的几何参数对结构耐撞性能的影响,发现填充结构内管的尺寸对结构的耐撞性影响显著。研究结果显示,圆管类型的结构平均压垮载荷、比质量能量吸收、单位行程能量吸收以及能量吸收效率因子都较方管类型结构高。泡沫填充单/双圆管结构由于其较高的压垮力效率和能量吸收效率,能够较平稳高效地吸能,作为耐撞性结构元件具有很大的优势。     

不同应变强化模型下结构安定性的研究

变载作用下弹塑性结构的安定性研究是一个有实际意义的课题，而结构的安定性与材料的强化规律有很大关系。本文对几种典型的强化模型下的结构安定性进行了研究，给出了在随动强化和组合强化条件下结构实现安定的条件，所得结论简化了应变强化条件下结构的安定分析。     

Experimental research on complex eddy viscosity modeling of multi-scale coherent structures in wall turbulence

在湍流相干结构动力学方程中,非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力的模型为涡黏性 模型,即涡黏性系数乘以相干结构平均速度变形率的形式. 基于非相干结构成分对相干结构贡 献的雷诺应力与相干结构速度变形率之间存在相位差的事实,在理论上提出了非相干结构成 分对相干结构贡献的雷诺应力复涡黏性模型的假设. 应用热线测速技术,在低速风洞中对湍 流边界层非相干结构成分对相干结构贡献的雷诺应力与相干结构法向速度变形率之间的相位 关系进行了实验测量. 通过分析湍流相干结构猝发过程中非相干结构成分对相干结构贡献的 雷诺应力与相干结构速度变形率之间的相位关系,研究了相干结构雷诺应力分量与流向速度 法向梯度之间的相位差沿湍流边界层法向的变化规律,肯定了湍流相干结构复涡黏性系数模 型的合理性.     

空爆冲击波与破片群联合作用下聚脲涂覆陶瓷复合装甲结构毁伤特性

基于均质钢板、聚脲涂层材料、SiC陶瓷材料设计了4种聚脲涂覆复合装甲结构，采用装药驱动预制破片试验方法开展了近炸下复合装甲结构毁伤特性实验研究，提出了各组分的毁伤破坏模式，对比分析了4种防护装甲结构的防护性能，探讨了复合装甲结构的防护机理。结果表明:作用于目标结构的破片动能远大于冲击波能，聚脲涂覆复合装甲结构的防护效能明显优于多层均质钢装甲，增加陶瓷厚度较增加背板、前面板厚度对提高整体防护效能更有效，破片撞击将引起陶瓷块大面积损伤，严重影响了其对后续着靶破片的防护性能。     

空间充气展开结构动态分析研究进展

空间充气展开结构是一种以薄膜材料为主构建而成的新型结构, 可用于构建大型的天线、太阳能集中器、太阳帆等空间结构, 为空间结构的大型化提供了一条有效的解决途径.其动态特性是充气展开结构设计过程中必须考虑的问题, 动态分析测试技术一直是充气展开结构研究过程中的关键问题, 由于充气展开结构在材料、结构形式及工作环境等方面的特殊性, 使得其动态分析和测试技术出现了很多新的问题.目前充气展开结构动态分析的研究方法主要集中在两个方面:实验研究和数值模拟.实验研究主要是针对充气薄膜结构的特点, 由接触式的测试手段向非接触式的测试手段发展, 但实验研究在真空和微重力环境的模拟上面临着很大的问题.数值模拟研究可以有效的模拟结构在真空和微重力环境下的动态行为, 并可分析重力、空气和褶皱等因素对结构振动特性的耦合影响.本文综述了空间充气展开结构动态分析的实验研究和数值研究的发展和现状, 并讨论了其中存在的问题, 在此基础上指出了该项研究的发展趋势.      

折叠结构几何非线性分析

本文提出了一种推导折叠结构宏单元刚度矩阵的新方法,即在所假设普通单元位移模式的基础上直接引入位移约束条件,得到宏单元的形函数矩阵,进而给出宏单元的力与位移间关系。利用该思路,文中简捷地推导出剪式单元三节点梁大位移小变形的几何非线性切线刚度矩阵,并给出了线性刚度矩阵的显式。算例表明,分析折叠结构承载能力和自稳定结构的展开或收纳过程,考虑几何非线性的影响是必要的。