紫藤萝复叶气动特性的风洞实验研究

树叶的形状重构和减阻能力在太阳能帆板、机翼结构、仿生天线设计和新型发电技术等方面具有应用价值.紫藤萝羽状复叶垂直悬挂于风洞中,在风速0～25 m/s范围内进行正面和反面迎风测试.发现存在前期稳定、中间过渡和后期稳定3个阶段以及5个临界风速.在前期阶段叶轴随风速弯曲变化剧烈,出现小叶分层飞翼和分层多形状稳定.过渡阶段出现叶轴大幅低频振动和部分小叶小幅高频振动两种不稳定形式.后期出现两层或单一整体稳定,横截面形状分为锥形、楔形和U形.随着风速增大,复叶宽度减小,小叶层数逐步减少,直至出现流线形单一整体.随着雷诺数增大,复叶阻力系数先是快速下降,后又缓慢地趋于常数.复叶Vogel负指数绝对值|α|随小叶数目的增大而增大.反面迎风时|α|比正面迎风时大,但随着小叶数目增加两者趋于一致.当复叶旋涡脱落频率与叶轴固有频率接近时,叶轴出现大幅振动.理论分析得到叶轴振动的第二临界风速V_2/(E/ρ)~(1/2)是b/l和d/l的函数,其中E,ρ, d和l分别为叶轴弹性模量、密度、直径和长度,b为变形后的复叶宽度,并由实验数据得到了其变化图.     

鹅掌楸树叶在风中的变形与振动

树叶的空气动力与流固耦合特性研究在树木保护、新发电技术开发、太阳能帆板设计等方面具有重要意义.Vogel首次发现树叶在较高风速下具有形状重构以避免受损害的能力.Vogel实验时叶柄端部是简支的,与叶柄与树枝的自然连接方式不同.在本文的研究中,叶柄端部是固支的,叶片垂直悬挂,正面或反面迎风.在风速0～27 m/s范围内,存在两种叶片静止状态,即飞翼形稳定和锥形稳定;还有3种叶片振动状态,即低频摆动、第1和第2高频振动.这5种状态由5个临界风速决定.通过70余片树叶测试结果的统计,得到了树叶每个状态存在的概率,及每个临界风速的期望值.流动显示发现树叶变形后其尾流中存在旋涡脱落现象.天平测量发现叶片阻力系数随叶片雷诺数的增大而减小并逐渐接近于0.1.引入悬臂梁模型,采用测量的叶片气动力,对叶柄静态弯曲形状进行计算,结果表明当风速由0逐渐增至5 m/s时,叶柄向下游弯曲迅速;但风速由5 m/s进一步增大时,向下游的弯曲则变慢.     

主动脉瓣倾斜角度血流动力学的 PIV 实验研究

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明:当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.      

PIV EXPERIMENTAL STUDY ON THE HEMODYNAMICS OF AORTIC VALVE UNDER VARIED TILTED ANGLES 1)

瓣叶血栓是主动脉瓣置换术后典型的继发性瓣膜疾病,血流动力学特征异常在其发展过程中至关重要.本文利用粒子图像测速 (particle image velocimetry,PIV) 系统,实验研究了主动脉瓣开口纵向轴线与升主动脉纵向轴线之间倾斜角度 ($\alpha =0^\circ$, $\alpha=5^\circ$,$\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$) 对速度、涡度和黏性剪应力分布等血流动力学特性的影响.研究结果表明：当 $\alpha =0^\circ$ 时,主动脉根部跨瓣血液流动为中心对称流动,而 $\alpha =5^\circ$,$\alpha=10^\circ$ 和 $\alpha =15^\circ$ 时跨瓣血液流动向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜.随着倾斜角度增大,跨瓣血液流动方向倾斜程度增加,血液流动冲击升主动脉壁,损伤内皮细胞导致血栓形成.主动脉瓣倾斜时主动脉窦血液流动速度增大,涡旋也更向主动脉窦底部运动,不利于血液从冠状动脉口流出向心肌供血.同时,主动脉根部的高涡度和高黏性剪应力区域也向升主动脉的左冠状动脉一侧倾斜,主动脉窦的高涡度区域位于主动脉窦底部、高黏性剪应力区域分布于主动脉窦壁面处.主动脉瓣存在倾斜角度时,涡度和黏性剪应力较大,特别是 $\alpha =10^\circ$ 和 $\alpha=15^\circ$,为血栓形成提供了有利环境.研究结果可为临床主动脉瓣置换术参数选择以及继发性瓣膜疾病的避免提供理论依据和技术参考.     

固体颗粒对半球扰动尾迹影响的实验研究

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板层流边界层中半球粗糙元尾迹的影响. 实验采集了清水和加入粒径为140 $\mu$m, 220 $\mu$m, 350$\mu$m聚苯乙烯固体颗粒4种工况下二维速度场信息, 基于半球半径的雷诺数为994 ($Re_R=RU/\upsilon$), 固体颗粒的体积浓度为$3.0\times10^{-5}$. 对比清水和两相工况下的平均速度剖面、湍流强度等宏观统计量, 分析固体颗粒对半球尾迹流动宏观特性的影响. 分别利用沿流向不同位置的流向脉动速度的二维空间相关系数和法向脉动速度的功率谱密度函数分析颗粒对尾迹结构演化过程及尾迹结构脱落频率的影响. 结果发现: 与清水相比, 回流区随颗粒粒径增大而逐渐增大; 颗粒使湍流强度增大, 回流区的存在导致在半球后流向位置$2R$前后区域湍流强度呈现不同变化趋势; 颗粒使尾迹结构的流向尺度减小并且随着颗粒粒径的增大先减小后增大; 在尾迹结构运动过程中颗粒的存在促进了尾迹结构的周期性加速和减速运动, 促进作用随着颗粒粒径的增大先增强后减弱; 颗粒的存在促进了尾迹结构的脱落, 脱落频率随颗粒粒径的增大先增大后减小.      

粒料固有各向异性的离散元模拟与细观分析

料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为料在摊铺后形成的颗粒定向排列将导致其力学性质的固有各向异性. 依据粒料的实际不规则形状, 构建了可模拟粒间咬合嵌挤作用的三维离散元复杂形状颗粒; 生成了5 种不同沉积方向的各向异性试件和1种各向同性试件, 对比了各试件在三轴压缩试验中的宏观力学特性差异; 引入组构张量以量化各向异性程度, 利用玫瑰图表达接触法向与接触力的分布特征, 探究了粒料各向异性的细观发展规律. 结果表明: 颗粒长轴愈趋向水平排布, 峰值应力比愈大, 剪缩与剪胀程度愈明显; 相较于各向同性试件, 沉积角$\theta$为$0^\circ$时, 峰值应力比和最大体积压缩应变分别提高了12.6\%和18.8\%, 其原因在于加载过程中颗粒旋转和滑动百分比更小, 内部调整时间更短、更易被剪密; 固有各向异性对颗粒法向接触力分布的影响不大, 但显著影响接触法向分布特征; 剪切过程中, $\theta$为$90^\circ$时的接触法向各向异性系数先快速减小后逐渐增大, 而$\theta$为$0^\circ$到$60^\circ$时则呈现出增大后稍有回落或趋于稳定的趋势, 且$\theta$ 愈小的试件各向异性系数增大愈快.     

颗粒毛细效应影响因素的离散元分析

颗粒毛细效应是指将一根细管插入填充有颗粒物质的容器中并对管施加竖直振动时颗粒在管内上升并最终达到一个稳定的高度的现象,该现象为颗粒物料的逆重力输运提供了一种潜在的技术途径.为探究颗粒毛细效应的影响因素,采用离散元方法,模拟再现了颗粒毛细效应过程,展示了不同管径下颗粒竖直方向速度演变特性,考察了不同容器宽度和振动条件下颗粒最终毛细上升高度随管径的演变规律.结果表明,在容器宽度与粒径比为40、管振幅与粒径比为14.33、管振动频率为12 Hz情况下,管径与粒径比D/d=3.33时,管内颗粒堵塞严重,使得颗粒上升缓慢,并造成颗粒柱中断; D/d=8.33时,起初毛细上升高度增加迅速,随后毛细上升高度的增大逐渐减缓,管内颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度; D/d=15时,随着颗粒毛细上升高度的增大,管内颗粒柱分离为速度截然不同的两层,上层颗粒在管径方向几乎不存在速度梯度,而下层颗粒存在明显的速度梯度.研究还发现,在毛细效应能够发生的管径范围内,存在一个对应于颗粒最终毛细上升高度最大值的临界管径,当管径小于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而增大,当管径大于临界管径时,颗粒最终毛细上升高度随管径的增大而趋于减小;增大容器宽度,临界管径有所增大;增大振幅、适当提高频率能够有效促进临界管径的增大.     

砂-膨润土混合屏障材料渗透性影响因素研究

建立了一个新的结构-尾流振子耦合模型. 流场近尾迹动力学特征被模化为非线性阻尼 振子,采用van der Pol方程描述. 以控制体中结构与近尾迹流体间受力互为反作 用关系来实现流固耦合. 采用该模型进行了二维结构涡激振动计算,得到了合理的 振幅随来流流速的变化规律和共振幅值,并正确地预计了共振振幅值$A_{\max}^\ast$ 随着质量阻尼参数$\left( {m^\ast + C_A } \right)\zeta $的变化规律,给出了预测$A_{\max }^\ast $值的拟合公式. 采用该模型计算了三维柔性结构在均匀来流和简谐波形来流作用下的VIV 响应. 结构在均匀来流作用下振动呈现由驻波向行波的变化过程, 并最后稳定为行波振动形态. 在简谐波形来流作用下,结构呈现混合振动形态,幅值随时间呈周期变化.     

压电式微滴按需喷射的过程控制和规律

微滴喷射增材制造技术中沉积微滴的大小与均匀性是影响成型件质量的关键因素.本文设计了一种用于生成均匀微滴的压电驱动式微滴喷射装置,通过压电材料带动柔性膜片振动,将液体从喷嘴中喷出生成微滴,采用数值模拟和实验相结合的方法,研究了不同控制参数下膜片振幅及其对生成微滴尺寸和均匀性的影响.研究结果表明:膜片振幅大小受到驱动电压和压电频率的共同影响,压电频率是导致膜片中心点振幅实验测量值小于理论计算值的主要原因,膜片振动会导致喷嘴内部压力发生变化从而影响微滴生成尺寸.在相同驱动电压条件下,压电频率为10 Hz时存在压电膜片振幅最大值.随着膜片振幅的增大,喷孔处液体速度和液柱长度增大到临界值时可以生成微滴,当喷孔处的液柱长度超过临界值时,会形成卫星液滴. 当膜片振幅区间在30 $\mu$m$\sim $42 $\mu $m可以稳定生成微滴,生成最小微滴尺寸为339.8$\mu$m,直径最大变化率为0.29%,相邻两微滴间距最大变化率为2.67%,生成微滴的尺寸及均匀性较好.研究结果有助于提高压电式微滴喷射装置的液滴生成质量.      

后临界湍流区间内旋转薄壳结构振动演化与作用机制实测研究

载荷的时变特征可能会对结构振动强度和能量作用机理产生重要影响,火/核电厂最重要的大型建筑结构均为典型的旋转薄壳结构(如冷却塔、烟囱等).为揭示后临界湍流区间内旋转薄壳结构的振动演化特征及其作用机制,实测了后临界雷诺数($Re\ge $3.5$\times $10$^{6}$)条件下8座典型旋转薄壳结构的振动响应.首先,在对实测响应进行降噪滤波处理后进行了不同时距的信号非平稳识别,基于非平稳分析模型对响应的时变均值和极值估计进行研究,并基于多尺度小波变换的演化谱方法开展了响应的频域演变特性研究.在此基础上,探讨了结构风振响应的共振分量占比及其效应,识别了结构的自振频率和阻尼比,并以结构基频为划分依据分别讨论了不同旋转薄壳结构的阻尼作用机制.研究结果表明:(1)旋转薄壳结构在后临界湍流区间内风致振动响应表现为强度非平稳、频率平稳的演化特性;(2)后临界湍流区间内的旋转薄壳结构的风振问题应区分准静力作用点与共振激发点分别进行研究,不同共振激发点的功率谱分布形式较为相近,而准静力作用点的功率谱分布规律差异较大;(3)共振激发点的振动能量分布呈现明显的分段趋势,基于本文大量实测分析结果回归得出适用于共振激发点的三阶段共振谱表达式;(4)借助本文提出的等效阻尼比概念拟合出此类结构的阻尼比预测公式,论证了目前工程中通用的5%阻尼比取值的不合理性.      

开裂孔隙材料渗透率的细观力学模型研究

采用细观力学方法对含随机裂纹网络的孔隙材料渗透性进行研究.开裂孔隙材料渗透性的影响因素包括裂纹网络的密度、连通度、裂纹的开度以及孔隙材料基体渗透性.对于不连通的裂纹网络,该文采用已有的相互作用直推法(interaction direct derivative,IDD)的理论框架,引入裂纹的密度$\rho$和裂纹开度比$b$,提出了裂纹夹杂$\!$-$\!$-$\!$基体两相复合材料渗透率的IDD理论解.对于部分连通裂纹网络,考虑局部裂纹团内部各个裂纹对有效渗透率的相互放大作用,引入裂纹网络的连通度$f$,定义与连通度相关的水平裂纹密度$\rho^{h}$,按照增量法将表征连通特征的水平裂纹嵌入有效基体中,以此方式来考虑裂纹夹杂间的相互搭接,提出了考虑裂纹连通特征的扩展IDD理论解,分别考虑了基体材料渗透率$K_{m}$、裂纹密度$\rho $、裂纹开度比$b$以及与连通度$f$相关的$\rho ^{\rm h}$.最后通过对有限区域内含随机裂纹网络孔隙材料渗透过程的有限元模拟分别验证了不连通和部分连通裂纹网络扩展IDD模型的适用性:(1)当裂纹不连通时,由于基体对流体渗透的阻隔作用,裂纹的开度对有效渗透率影响不大;(2)当裂纹部分连通时,裂纹密度分别小于1.1(无关联裂纹网络,分形维数为2.0)、1.2(关联裂纹网络,分形维数为1.75)时,扩展IDD模型能够很好地估计开裂孔隙材料的有效渗透率,但是随着裂纹进一步扩展,最大裂纹团主导作用凸显,扩展IDD模型不再适用.      

Wind induced deformation and vibration of a Platanus acerifolia leaf

Deformation and vibration of twig-connected single leaf in wind is investigated experimentally.Results showthat the Reynolds number based on wind speed and lengthof leaf blade is a key parameter to the aerodynamic problem.In case the front surface facing the wind and with an increase of Reynolds number,the leaf experiences static deformation,large amplitude and low frequency sway,reconfiguration to delta wing shape,flapping of tips,high frequencyvibration of whole leaf blade,recovery of delta wing shape,and twig-leaf coupling vibration.Abrupt changes from onestate to another occur at critical Reynolds numbers.In casethe back surface facing the wind,the large amplitude andlow frequency sway does not occur,the recovered delta wingshape is replaced by a conic shape,and the critical Reynoldsnumbers of vibrations are higher than the ones corresponding to the case with the front surface facing the wind.Apair of ram-horn vortex is observed behind the delta wingshaped leaf.A single vortex is found downstream of theconic shaped leaf.A lift is induced by the vortex,and thislift helps leaf to adjust position and posture,stabilize bladedistortion and reduce drag and vibration.     

内埋武器高速风洞弹射投放模型试验关键技术研究

针对新一代战斗机超声速内埋武器弹射投放分离安全性问题,采用高速风洞投放实验技术研究内埋武器从开式武器舱弹射投放分离动态运动过程,风洞投放模型试验过程中采用除垂直加速度不足外,其余全部运动严格相似的轻模型相似设计方法,并针对轻模型法垂直加速度不足所导致的投放垂直位移偏离实物位移问题,采用一种简单易行的公式修正法进行补偿,试验给出了不同初始弹射投放分离条件下,内埋武器从载机投放分离后运动轨迹与姿态角随分离时间的变化规律,试验马赫数$Ma = 1.5$.研究结果表明:初始投放分离角速度对内埋武器投放分离后的运动轨迹及姿态角有较大的影响,当初始投放分离角速度$\omega _{z0}^s = 0^\circ/{\rm s}$时,内埋导弹出舱后先向下运动远离载机的流场干扰区,之后逐渐向载机方向抬升靠近并最终碰撞载机,高速风洞投放试验结果是不安全的,但经过公式修正后投放试验结果比较乐观,垂直方向运动仍然一直下降远离载机,这说明采用高速风洞投放试验得出的导弹不安全投放分离对真实载机来说不一定会出现,高速风洞投放试验结果比较保守. 当初始投放分离角速度$\omega _{z0}^s= 15^\circ/{\rm s}$和$\omega _{z0}^s = 30^\circ/{\rm s}$时,内埋导弹投放分离后运动趋势几乎一致, 均没出现向载机靠近的现象,内埋导弹具有一定的初始投放分离角速度有利于内埋武器的安全分离.      

FREQUENCY DOMAIN CALCULATION METHOD FOR WIND-INDUCED RESPONSE OF MONOLAYER CABLE NET

以随机振动理论为基础,采用频域法对单层索网结构风振响应进行了研究,主要探讨不同计算方法和空间相干函数的选取等问题对索网结构风振响应的影响. 依据不同的计算方法和空间相干函数,建立了3 种分析模式进行了分析. 分析结果表明：对于频率密集的索网结构,需要考虑模态交叉项对计算结果的影响;空间相干函数的选取对计算结果影响较大,采用与风频率相干的空间相干函数更为合理.     

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL INVESTIGATIONS ON THE VELOCITY OSCILLATIONS OF DYNAMIC CRACK PROPAGATING IN BRITTLE MATERIAL TENSION

设计了一种精确测量裂纹在预拉伸带板中的传播速度的实验装置, 系统研究了裂纹在受不同预加载荷作用的不同尺寸的有机玻璃 板中的传播行为.实验结果表明:在一个细长、上下表面固定的带板中, 裂纹速度分为加速和稳定2个阶段.在稳定速度阶段, 裂纹平均速度v₀ 是预加载荷在板中储存的弹性能Wh的增函数.由于此时裂纹处于自相似传播阶段, 可以认为材料的动态断裂能G_c是裂纹传播速度v₀的增函数, 即材料存在"速度增韧性".当裂纹传播速度达到一定阈值, 裂纹的传播速度出现明显的振荡现象, 裂纹的振荡周期与断裂面出现的周期性沟槽的尺度一致.在更高的预加能量下, 裂纹传播路径出现弯曲、微分岔以及宏观分岔现象.建立了一个描述裂纹在带板中的直线传播行为的动力学模型, 并用这个模型模拟裂纹在传播过程中的速度振荡现象.     

横向交流电场下液膜参数不稳定性分析

当将运动的平面液膜置于横向的交流电场之间时会产生参数振荡现象.为了得到交流电场下平面液膜的色散关系并为液膜的破碎行为分析提供理论基础,本文基于漏电介质模型对液体的电学特性进行假设,对平面液膜在直流和交流电场下的参数不稳定性进行了分析.由于主流是基于时间的流动,在稳定性分析中引入了Floquet理论.在文中,将电场定义为...     

基于定常吹吸气的波浪型圆柱主动控制研究

基于定常吹吸气对波浪型圆柱近尾迹流动进行控制以增强柱体振动, 采用大涡模拟研究了亚临界雷诺数(Re = 3000)下前吹后吸和前后吸气控制方式在不同吹吸气工况对波浪型圆柱升阻力特性、时均压力系数、环量、湍动能及近尾迹流动结构的影响. 研究发现: 前吹后吸和前后吸气控制下波浪型圆柱在不同吹吸气动量系数工况脉动升力系数均显著提高, 最大较未受控直圆柱和波浪型圆柱分别提升高达636%和391%, 这主要可能归因于吹吸气控制使波浪型圆柱回流区变短, 高强度涡集中向钝体后方靠拢, 旋涡形成长度缩短, 展向涡流与顺流向涡流相互作用在波浪型圆柱下游形成的“肋状涡”变大变长, 近尾迹环量显著增大, 从而导致脉动升力系数增大, 这可能将诱导柱体产生更强的振动; 同时两种控制方式均改变了波浪型圆柱表面的压力分布, 由于在波浪型圆柱前驻点吹气使前端趋于流线型, 前吹后吸在不同吹吸气动量系数下波浪型圆柱的高压区减小, 但在后驻点吸气使得低压区增大, 而前后吸气在不同吹吸气动量系数下波浪型圆柱的高压区基本不变, 低压区增大. 研究结果可为低风速地区分布式风力俘能结构俘能效率提升提供基础理论支持.