流体力学与其他力学课程交叉教学方法的探讨

流体力学是力学和机械等专业本科生的一门专业基础课。由于其涉及数学、物理的概念多、公式复杂、理论抽象而实际应用广,是公认的难教、难学的课程之一。笔者提出了将流体力学与理论力学、材料力学、电动力学等其他力学课程交叉教学的方法,充分利用各门力学课程知识间的联系,使得学生在学习流体力学的同时复习其他力学的知识,通过对比深化理解流体、固体、刚体和电磁场,最终获得对力学学科的整体视野,增强教学效果。     

粘弹性流体的分数元模型及圆管起动流

分数元模型所描述的非牛顿流体属于复杂粘弹性流体,其应力与应变的分数阶时间导数成正比.本文提出一种用弹簧和油壶连接组成的分形网络结构来比拟分数元模型的应力-应变特性,利用Heaviside运算微积,证明了该分形网络结构对应的粘弹性流体为1/2阶导数的分数元.并证明了构成其他分数阶导数分数元模型需要引入弹簧和油壶的多重分形网络结构.本文还导出了分数元模型的圆管起动流的解析解,研究了分数元模型起动过程振荡特征与该模型导数阶β之间的关系;发现在β≠1的情况下,随时间的进程,圆管内分数元模型的运动最终均将趋于静止,只有β=1的情况是一个例外.     

小问题

正《小问题》栏欢迎来稿出题(请自拟题目或注明题目来源),题目及解答请寄《力学与实践》编辑部,采用后将致薄酬.2018-3一个质量为m,半径为R的薄壁匀质小球壳与桌面发生碰撞,碰撞前小球壳角速度为零、质心速度为v,如图1所示。桌面摩擦系数为μ,碰撞恢复系数为e。为了使碰撞后球壳角速度ω     

Mechanical Analogies of Fractional Elements

A Fractional element model describes a special kind of viscoelastic material. Its stress is proportional to the fractional-order derivative of strain. Physically the mechanical analogies of fractional elements can be represented by spring-dashpot fractal networks. We introduce a constitutive operator in the constitutive equations of viscoelastic materials. To derive constitutive operators for spring-dashpot fractal networks, we use Heaviside operational calculus, which provides explicit answers not otherwise obtainable simply. Then the series-parallel formulas for the constitutive operator are derived. Using these formulas, a constitutive equation of fractional element with 1/2-order derivative is obtained. Finally we find the way to derive the constitutive equations with other fractional-order derivatives and their mechanical analogies.     

双自由面溶质?热毛细液层的不稳定性

溶质?热毛细对流是流体界面的浓度和温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动, 它主要存在于空间微重力环境、小尺度流动等表面张力占主导的情况中, 例如晶体生长、微流控、合金浇筑凝固、有机薄液膜生长等. 对其流动进行稳定性分析具有重要意义. 本文采用线性稳定性理论研究了双自由面溶质?热毛细液层对流的不稳定性, 得到了两种负毛细力比(η)下的临界Marangoni数与Prandtl数(Pr)的函数关系, 并分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 溶质?热毛细对流和纯热毛细对流的临界模态有较大的差别, 前者是同向流向波、逆向流向波、展向稳态模态和逆向斜波, 后者是逆向斜波和逆向流向波. 在Pr较大时, Pr增加会降低流动稳定性; 在其他参数下, Pr增加会增强流动稳定性. 在中低Pr, 溶质毛细力使流动更加不稳定; 在大Pr时, 溶质毛细力的出现可能使流动更加稳定; 在其他参数下, 溶质毛细力会减弱流动稳定性. 流动稳定性不随η单调变化. 在多数情况下, 扰动浓度场与扰动温度场都是相似的. 能量分析表明: 扰动动能的主要能量来源是表面张力做功, 但其中溶质毛细力和热毛细力做功的正负性与参数有关.      

黏弹性液滴热毛细迁移的对流不稳定

液滴在温度分布不均的固壁面上产生的热毛细迁移广泛存在于微流控、喷墨印刷等应用中, 对其流动进行稳定性分析对液滴迁移的精准控制具有重要意义. 本文采用线性稳定性理论研究了附壁黏弹性液滴在热毛细迁移中的对流不稳定性, 得到了不同Prandtl数($Pr$)下的临界Marangoni数($Ma_{\rm c})$与弹性数的函数关系, 并分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 流体弹性激发了更多不稳定模态, 小$Pr$的临界模态为斜波和流向波, 而中高$Pr$的临界模态为斜波和展向稳态模态. 强弹性使得$Ma_{\rm c}$显著下降, 而弱弹性略微增强了流动稳定性. 在中$Pr$下, $Ma_{\rm c}$随$Pr$的增大而增大. 对于斜波模态, 扰动温度的振幅可存在于流场中间区域, 而其他两种模态的温度振幅只存在于自由表面上, 并且在高$Pr$下的流线分布几乎是对称的. 能量分析表明: 随着弹性数增大, 基本流做功由正变负; 在小$Pr$中, 扰动应力做功既可能耗散能量又可能提供能量; 在高$Pr$中, 基本流做功可忽略不计. 对于同向流向波, 扰动速度和扰动应力做功在垂直方向上均存在多次振荡. 将液滴迁移与热毛细液层进行对比发现, 由于基本流和边界条件的不同, 两者在临界模态和扰动流场中均存在较大差异.      

Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性分析

热毛细对流是流体界面温度分布不均导致的表面张力梯度驱动的流动. 它主要存在于空间等微重力环境或小尺度流动等表面张力占主导的情况中. 在很多工业领域, 如晶体生长、聚合物加工、喷墨打印、微流控, 产品质量都与热毛细对流密切相关. 空间3D打印是太空制造的重要技术, 可以支持空间站的在轨长期有人照料的运行和维护, 实现按需制造. 本文以聚合物流体的空间3D打印为应用背景, 采用线性稳定性理论研究了Bingham流体双自由面热毛细液层的稳定性, 得到了在不同Bingham数(B)下的临界Marangoni数(Ma_c)与Prandtl数(Pr)的函数关系,分析了临界模态的流场和能量机制. 研究发现: 该流动的临界模态包括流向波和斜波模态, 与B, Bi和两界面垂直方向上的温差(Q)相关. B和Bi的增加会增强热毛细对流的稳定性. 当Q = 0时, 扰动温度分布分成对称和反对称两种情况. 当Q > 0时, Pr的增加会减弱流动稳定性. 在小Pr情况下, 扰动温度分布在整个流场, 在大Pr情况下, 扰动温度在栓塞区为零. 能量分析表明: 扰动动能的主要能量来源是表面张力做功, 但小Pr数下基本流也有一定贡献.      

高速列车的关键力学问题

在过去10 年时间, 中国和谐号系列高速列车经历了一系列速度上的飞跃. 在最初引进消化吸收基础上, 研制了新一代高速列车并大规模投入运营, 伴随这一过程的大量试验与工程实践, 大大促进了对高速铁路这样一个车- 线- 网- 气流强耦合的复杂大系统中的关键力学问题的深入理解和全面研究. 该文将从6 个方面对高速列车研制和运行过程中的典型力学问题的研究进展以及未来的研究方向做一个梳理. 考虑到这样一个大系统的复杂性,同时也为了使对高速列车感兴趣的技术与科研人员对这些力学问题有一个比较全面的认识, 文中将分别就高速列车的空气动力学、弓网关系、车体振动与车体模态设计、车体运行稳定性、高速轮轨关系、关键结构的运行可靠性和列车噪声等方面的研究进行总结和展望. 同时也对中国及国际高速列车发展趋势及其中的力学问题做了一个简要介绍.