垂荡双气室振荡水柱波能装置水动力特性研究

振荡水柱(OWC)波能转换装置因其结构简单、便于安装维护等特点, 被公认为最具应用前景的波能转换技术. 本研究以垂荡式双气室OWC波能转换装置为研究对象, 借助开源代码平台OpenFOAM及基于interFoam求解器开发的造/消波工具箱waves2Foam, 采用流体体积法(VOF)捕捉自由面和六自由度(6DOF)动网格求解器模拟垂荡运动响应, 数值研究在不同入射规则波作用下, 前后气室相对宽度、弹簧弹性系数对装置捕能宽度比及水动力特性的影响规律. 通过与已有的固定情况下的双气室OWC装置结果对比, 并通过对比自由衰减运动响应验证动网格技术, 揭示了本研究中数值模型的合理性和有效性. 计算结果表明, 较宽的后气室结构布置有利于双气室振荡水柱装置在垂荡状态下的波能提取; 前后气室宽度比为1/2时, 垂荡式双气室OWC装置在测试波频段具有最优的捕能宽度比; 相较于固定状态, 垂荡装置的后气室在中高波频段有着更高的捕能宽度比; 装置前后气室内水柱与OWC装置垂荡运动间存在的相位差使得气室内水面相对振幅和相对压强在测试波频段存在多峰值现象, 进一步发现弹装置通过垂向弹簧进行相位控制, 可显著拓宽高效频谱带, 实现较大的捕能宽度比.      

地形对岸式波能装置性能的影响研究

近岸带的海域、海底和海岸都是不规则的,会引起波浪的不规则变形、折射、绕射和反射,使得波能分布不均匀,可能会影响波能装置的性能.本文基于小振幅波理论假设,从线性势流理论出发,用边界元方法研究地形对岸式波能转换装置(以下简称岸式装置)的水动力性能的影响.计算结果表明,地形的影响是非常大的,不可忽略.一些带前港的地形对提高岸式装置的转换效率很有价值.本文理论对地形无任何限制,因而提供了一个在线性理论范围内模拟复杂地形条件下装置附近流场的方法,同时说明此计算方法对波能电站的设计和工程选址有一定的参考价值.     

大直径SHPB装置的数值模拟及实验误差分析

介绍了用于混凝土冲击试验的Φ100SHPB装置。利用数值模拟和应变测试相结合的方法讨论了应力波在该装置中的传播特性。二维效应导致应力波在大直径SHPB装置传播过程的弥散现象。同时在实验的大部分时间内大尺寸试样的应力(应变)存在不均匀性。因此大直径SHPB装置进行混凝土冲击压缩应力-应变曲线的实验研究会产生误差。利用数值模拟分析了误差影响程度,同时验证了用混凝土试样应变和透射杆应力得到应力-应变曲线初始段的可行性。     

薄壁管预扭冲击拉伸实验装置的研制

材料在复合应力下的拉压或扭转行为常常与单轴拉压或者单轴扭转应力下不同,拉压以及扭转常体现出相互影响的特点。而复合应力下的塑性波可以有效地反映材料在复合应力下的本构行为特点。本文通过对霍普金森压杆进行改造,建立了一套薄壁管预扭冲击拉伸的实验装置,可以在薄壁管内产生拉扭耦合塑性波,并对率相关材料304不锈钢进行了薄壁管预扭拉伸实验研究,得到了该材料的拉扭耦合塑性波。结果表明,304不锈钢薄壁管的拉扭耦合塑性波具有明显的耦合快波和耦合慢波的双波结构,并且快波慢波之间没有恒值区间隔。同时也表明,该装置可以实现预期效果,并且可以有效避免薄壁管屈曲的产生。     

潮流发电装置运动衰减特性与不规则波响应

为了研究基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的运动衰减特性与不规则波响应,提出了基于船模拖曳水池的系泊试验方法,设计了试验模型和装置,构建了系泊试验平台,进行了组合模型的自由衰减试验、系泊衰减试验和系泊状态下的不规则波响应试验. 衰减试验中测量了模型的摇动衰减特性,不规则波响应试验中测量了系缆的拉力响应和组合模型的摇动响应. 试验研究得到了关于漂浮式潮流能发电装置的衰减运动特性和4级海况、0.6m/s流速时1号系缆的拉力响应以及组合模型的摇动响应. 研究可为基于竖轴水轮机的漂浮式潮流能发电装置的理论研究和工程应用提供参考和借鉴.     

动态加载装置和动态测试技术

本文介绍了力学试验中各种类型冲击加载装置及有关的动态测试技术,讨论了分段式Hopkinson压杆装置的加载特性、主要优点、用途以及在该装置上采用的一些测量新技术。文章中提出的应力波调节器,结构简单,重复性好,是动态光测技术中一种崭新的冲击加载装置。     

可调控靶中应力波形的吉帕压力范围平面爆炸加载技术

分析了应力波通过不同介质的交界面时,应力波所具有的动量在界面两边的重新分配与影响动量在边界上转移的因素。讨论了靶中应力波幅度和宽度的调控方法、冲击器的飞行速度与厚度的相关性、靶中应力波的平面范围。给出了可调控靶中应力波形的平面低压化爆加载装置的应用实例。     

微幅振荡流体表面波图谱显示方法

本文介绍一种能够清晰显示微幅高频振荡的流体表面波图谱结构的方法和产生高达１００Ｈｚ频率、波幅为毫米以下的流体表面波的实验装置，即改进了ＦＡＲＡ－ＤＡＹ实验装置。用本实验装置和显示方法获得了精美的波幅图，并就几种波图作了简要说明。     

弹性直杆动态屈曲与后屈曲的实验研究

对传统的霍普金森压杆装置（ＳＨＰＢ）进行改进，用于研究弹性直杆的动态屈曲与后屈曲，并且分析了影响实验精度的因素。实验结果表明，在轴向应力波作用下弹性直杆的动态屈曲临界载荷明显高于静态的，并且在屈曲发生后，在直杆中有弯曲波产生，其波速大约为弹性剪切波的波速。     

冲击拉伸实验装置的研制及其试验研究

材料动力学试验技术远比准静态力学中的复杂,为了模拟各种速率的冲击加载过程,试验装置设计就成为关键问题之一.特别是针对材料动态拉伸性能的测试,目前的冲击拉伸装置还没有统一标准,因此本文基于一维弹性应力波原理设计了一套双气室间接杆-杆型冲击拉伸试验装置.该装置采用了双气室对称布置的方式,通过气体转换器实现气路的转换,克服了现有气动式冲击拉伸设备结构复杂、密封要求严格的缺点.本文利用该装置对2A12T4铝合金试件的冲击拉伸性能进行了测试,并数值分析了应力波在杆系和试件中的传播效应.通过试验测试和数值分析论证了该冲击拉伸装置实验的可靠性和设计的合理性.     

应力脉冲在变截面SHPB锥杆中的传播特性

为研究混凝土材料的动态力学性能 ,将原有的SHPB装置改装成直锥变截面式SHPB。系统分析了应力脉冲在直锥变截面杆中的传播特性 ,讨论了大小端杆径、过渡段长度以及锥角等对波传播的影响 ,为合理设计直锥变截面式SHPB装置提供了理论依据。     

用动光弹研究受冲击载荷的阶梯轴中的应力波的传播

本文用动光弹方法研究了受冲击载荷的阶梯轴中的应力波的传播。得到了反映应力波传播全过程的动态条纹图。本文还将截面变化处的入射、反射和透射应力脉冲之比的实验结果与初等理论进行了比较,对动光弹的实验装置进行了较详细的描述,并对试验中的有关问题进行了讨论。     

一点起爆半球形装药装置中散心爆轰波传播的数值模拟研究

运用自行研制的二维流体动力学程序TDY2D,对一点起爆半球壳装药装置中散心爆轰波的传播过程进行数值模拟计算.对冲击波到达炸药和飞层各界面的波形的计算值与实验值进行了对比,两者符合较好,从而验证了该程序的准确性和有效性;对爆轰波的传播过程进行了分析研究,获得了一些散心爆轰波传播的规律性认识,为进一步研究散心爆轰波特性提供了数值分析基础.     

声子晶体结构在汽车制动降噪中的理论研究及应用

基于弹性波在声子晶体结构中传播时会产生弹性波带隙,即特定频率范围的弹性波被禁止传播这一特性,为降低高频的制动噪音,将声子晶体这一新结构引入到汽车盘式制动装置中。通过对汽车制动噪音频谱的分析,得到高频噪音比较集中的频段。通过设计专用的二维空气柱/钢体系正方格子声子晶体结构(体积占有率为40%),使高频噪声集中频段(2000~2500Hz)落于声子禁带中,以达到降噪的目的。与传统的制动降噪技术相比,利用声子晶体结构的降噪装置具有频带宽和降噪量大的优越性。通过实验装置验证了声子晶体降噪结构的可行性,在2000~2500Hz范围内,声压的降低幅值最大可达25dB,平均降噪量可达13dB以上,即对汽车刹车减噪起到了明显的效果。     

Hopkinson曲杆型双向拉伸加载设计探讨

为了实现对材料或结构的双向高应变率同步拉伸加载,基于曲杆中弹性应力波传播理论和Hopkinson杆原理,首先在对称的人字形曲杆结构中同时产生和传递两路压缩波,再经过接触转接头反射形成沿拉伸加载杆传播的双向拉伸波,实现对试样的双向动态拉伸。同时,为理解人字形曲杆几何构形对弹性压缩波传播的影响规律,对该加载装置进行了动力学分析和ABAQUS有限元模拟。研究发现,理想方波构形的压缩弹性波经过曲杆传播后,方波的平台段随着杆弯曲角度的增大出现前高后低的倾斜现象,同时大曲率杆引起的波形失真更严重。为获取常规方波或梯形波的平台段,也可采用定量优化的锥形撞击杆,产生前低后高的加载波,来抵消曲杆传递中的倾斜失真。最后,为了验证该加载系统的有效性,搭建了小型人字形曲杆高应变率双向拉伸装置进行试验测试。结果表明,该装置实现了脉宽约为54 μs的双向拉伸加载波良好的同步,两路波形起始点时间差可以控制在约2.5 μs以内,幅值差约6×10?6。同时对2024铝合金试样进行了双向拉伸试验,取得良好的试验效果。     

一种改进的冲击极化实验装置

为了用冲击极化效应研究炸药在发散波加载下的起爆过程,我们设计了一种新的实验装置。利用这种装置可记录到炸药被雷管起爆的极化信号,信号的主要特征与由平面波加载时的信号基本一致,只是信号幅度低一些。对非均匀炸药样品,噪声也大一点。     

测量炸药旁侧爆轰波速度的啁啾光纤布拉格光栅传感器技术

提出了一种适用于啁啾光纤布拉格光栅CFBG(chirped fiber Bragg grating)传感器测量爆轰波速度的实验公式,该公式考虑了ASE(amplified spontaneous emission)光源的光谱、CFBG的平坦度对测量的影响;研究了CFBG的反射谱线宽与长度的理论关系,并设计了测量CFBG反射谱线宽的实验装置,从而可计算出CFBG长度。搭建了测量CFBG传感器系统常数的实验装置,并利用实验数据拟合了系统常数;用CFBG传感器测量了RDX/TNT(60/40)的旁侧爆轰波速度,与其爆速有3.4%的差异。     

圆管流动水击压力波测量及水力计算

为探索水击现象的物理过程和机理,研制了自循环定常流动管路瞬态特性计算机控制试验装置,并利用该装置进行圆管流动水击压力波实验测量。用12只扩散硅压力传感器测定圆管流动水击压力波瞬态分布及最大、最小压力值,由试验数据拟合出水击波波形,揭示了水击压力波传播方式、特性及衰减规律。通过分析随机捕捉测量技术方法,理论上推断出测量数据达到可信精度。在归纳分析试验数据基础上,得出最大压力随关阀时间的关系曲线,对圆管流动直接水击等概念进行了探讨,用数值分析方法拟合出水击最大压力水力计算修正方程式。     

三点起爆形成尾翼EFP的数值模拟和实验研究

利用LS-DYNA软件对三点起爆形成尾翼EFP的过程进行了数值模拟,深入研究了爆轰波传播过程中的波形结构和强度的变化规律以及药型罩材料在复合爆轰波作用下驱动变形的特性和规律,加深了对三点起爆条件下药型罩形成带尾翼EFP机理的认识。在此基础上,设计了三点同步起爆装置和EFP装药进行实验。研究结果表明:设计的三点起爆装置作用可靠,满足三点起爆EFP装药的设计要求;形成的EFP弹形稳定,与计算结果吻合较好;尾翼EFP飞行过程中的速度降减小,稳定性提高。     

TATB微观结构对炸药爆轰波传播性能的影响

采用不同工艺方法制备出了3种具有不同微观结构特征的超细TATB炸药粉体,用2％(质量分数)的F2311作粘结剂,压制出了不同密度的TATB基炸药试样。采用飞片短脉冲冲击起爆装置,研究了TATB基炸药中爆轰波的传播性能。研究结果表明,在一定的短脉冲冲击起爆条件下,TATB微观结构对炸药爆轰波传播性能影响较为明显。