柔韧构件研究在中国的进展

薄板大挠度方程是von Kármán首先提出来的。1939年von Kármán和钱学森又首先对薄壳屈曲问题提出一个重要结论,即薄壳的屈曲现象是一个非线性现象。由于近代工业的要求(如航空、航天、仪表元件等),使得这类问题引起人们的极大注意。板与壳的大挠度问题的基本方程是非线性方程,在数学上存在的困难很大,如何求解这些方程便成为这类问题的关键。好多年来,人们企图从各种直接近似解或将方程简化为线性方程组      

均匀各向同性湍流平衡区的标量谱

本文把von Kármán关于波数间相互作用的假设推广到标量的情况,得到标量谱传递函数的模化式,从而封闭了均匀各向同性湍流平衡区的谱方程。考虑到在平衡区的前部受到大尺度运动的影响,计入这一剪切效应可以合理地假设一维纵向动量谱的对数斜率达到—1时进入平衡区,由此可以根据实验数据及各向同性湍流一维谱和三维谱相互关系决定边界条件。通过数值方法解出的平衡区谱函数和实验结果相当一致。     

基于本征正交分解的脉冲射流尾迹分析

基于雷诺平均N-S方程对脉冲射流作用下的翼型非定常流场进行数值模拟,采用本征正交分解(POD)方法对低频率、中等频率、高频率脉冲射流尾迹中涡结构的变化进行分析。结果表明：借助POD方法能够有效提取尾迹中小尺度涡结构的运动状态。POD方法提取的低阶模态主要反映了尾迹中强度最大的尾涡静态分离结构,对应脉冲射流的主频成分,高阶模态则主要反映了尾涡内部或尾涡之间的流动状态,对应脉冲射流的高阶倍频成分,尾涡内部的相互拉伸包含频率范围较广,尾涡之间的牵引分解包含频率较为单一;低频率下尾迹中仅能提取到一对主要尾涡,高频率下尾迹中能提取到多对强度相当的尾涡;低频率下尾涡单一且相互作用简单,用前六阶模态即可表征流场结构,高频率下尾涡数量多且相互作用复杂,需要更高阶模态才能表征其流场结构。     

热环境下贴压电层的功能梯度材料板的自由振动和动力响应

基于Reddy高阶剪切变形理论和广义Kármán型方程,用双重Fourier级数展开法求得了热环境下带压电层的功能梯度复合材料混合层合板的自由振动及动力响应的解析解,分析中考虑了材料热物参数对温度变化的依赖性,讨论了环境温度和控制电压对固有频率及动力响应的影响。     

正交各向异性圆薄板非线性弯曲

本文取板中点挠度为摄动参数,采用Von—Kármán型大挠度方程组,分析了均布载荷作用下边缘可移夹支正交各向异性圆薄扳的非线性弯曲问题。本文特例与各向同性圆薄板结果很吻合。文中还讨论了有关参数对板挠度和内力的影响,所得结果可供工程应用参考。     

DIRECT NUMERICAL SIMULATION OF TURBINE CASCADE FLOW WITH HEAT TRANSFER EFFECTS

低雷诺数流动对高空动力装置, 特别是涡轮部件的性能产生重要的影响. 本文采用具有7阶精度的差分格式, 通过直接求解二维瞬态可压缩Navier-Stokes方程组, 对雷诺数为241 800 (基于叶片弦长)时的叶片表面带有热传导效应的平面涡轮叶栅流动进行了二维直接数值模拟, 对低雷诺数平面涡轮叶栅流动的非定常流动现象作了初步的探索.数值结果表明:在叶栅通道入口处, 流场的非定常性很弱;在叶栅尾缘处, 具有正负涡量的尾涡交替地从压力面和吸力面上脱落;周期性的涡脱落使得叶栅通道内和尾迹区的总压发生(准)周期的变化, 并且, 尾迹区总压变化主频率是通道内总压变化主频率的2倍;在时均流场中, 叶片表面压力的分布与实验值吻合良好, 表征热传导效应的斯坦顿数除湍流区外与实验值基本吻合;尾迹区速度脉动的2阶统计量与圆柱绕流尾迹区速度脉动2阶统计量具有基本相似的分布特征.     

关于非线性力学

我们知道,很多年以前人们就研究过非线性问题。但是,世界上第一个明确提出非线性问题的是钱学森的老师von Kármán。1940年,von Kármán在美国航空科学年会上作了一个报告。这个报告后来发表在美国数学学会会报上,引起了人们对非线性问题的注意。他指出:“现在力学的最大缺陷是仅仅停留在线性化的基础上,而工程实际需要非线性理论。”von Karman兼长流体力学和固体力学,他全面衡量了两个学科领域的状况,提出了一些当时看来难以解决的非线性问题。他的讲话使Friedrichs搁下数学,用整整20年的时间去研究薄板大挠度问题;也促使RiViliu因此去研究非线性材料的有限变形问题,这是非线性力学的开始。从此,力学工作者不断地向非线性力学进军。      

横流冲击射流尾迹涡结构的实验研究

本文采用LIF（激光诱导荧光）流动显示和PIV（粒子图像速度场仪）测量对横流冲击射流的尾迹涡结构进行了实验研究。水槽实验是在三种流速比和两种冲击高度实验工况下进行的。由实验结果可得到两种明显的尾迹涡结构、，即射流尾迹涡和横流尾迹涡。横流冲击射流中形成的主要尾迹涡结构主要依赖于流速比。本文还对横流冲击射流近区范围内射流尾迹涡和横流尾迹涡的形成机理和演化特征进行了分析。     

高超声速尾迹流场稳定性数值研究

通过数值模拟, 对高超声速尾迹流场进行了研究, 对其尾迹流动的失稳过程进行了分析.选取计算模型为圆球,Ma= 6.0, Re = 1.71\times 10^6(Re以球头半径为参考长度). 通过数值模拟,首先得到的流动是稳定解,在底部发展出一个主分离区和一个二次分离区,流动是轴对称状态. 不添加任何扰动继续进行计算,发现底部流场缓慢发展出微弱的非定常流动. 随后,该现象继续发展,出现明显的结构失稳,得到了无量纲周期为12.0的周期解. 给出了高超声速圆球绕流尾迹结构的周期性演化过程,对其涡系结构的演化及奇点特征进行了分析. 研究表明该数值模拟方法可用于底部流动稳定性问题的研究,同时证实了高超声速底部流动也存在流动不稳定性.      

圆板在物体撞击下的非线性动力响应

本文在Von Kármán大位移的意义上,利用虚位移原理伽辽金方法建立了圆板在物体撞击下的非线性动力响应的控制微分方程,在研究响应问题时,考虑了冲击载荷与圆板位移响应之间的耦合影响,文中使用时间增量法和奇异摄动理论求解问题的控制方程,获得了固支圆板非线性动力响应的近似解,并且求解了具体算例,绘出了圆板位移、应力响应曲线以及冲击力随时间的变化曲线。     

卡门涡街的慢不稳定性

经典的卡门涡街点涡模型只在一孤立情况下是线性稳定的．数值计算还表明这一特性对该流动的其它更复杂的模型仍然成立．本文引进慢不稳定性概念，对卡门涡街的稳定性问题进行了比较全面和细致的数值研究．首先用点涡模型，做数值模拟，证实了早年卡门的线性稳定性分析结果，数值模拟卡门涡街的非线性稳定性却表明，卡门涡街对有限大小的扰动，表现出慢不稳定现象．然后用伪谱方法对涡街的形成进行了直接数值模拟，进一步证实卡门涡街的这种慢不稳定性．     

流向磁场作用下圆柱绕流的直接数值模拟

绕流是托卡马克装置中液态包层内常见的流动形态,对流场与热量分布有着重要的影响.本文通过直接数值模拟(DNS),研究了不同磁场强度下$Re=3900$的圆柱绕流,分析了磁场强度对于湍流尾迹的影响.无磁场情况下,直接数值模拟的结果与前人的实验及模拟结果吻合很好.圆柱下游的尾迹中,随着流向距离的增大, 流向速度剖面逐渐从U型进化呈V型, 并慢慢趋于平缓,这表明尾迹中的流动结构受圆柱影响逐渐减小.圆柱后方两侧的剪切层中,由于Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,可以清晰地看到小尺度剪切层涡的脱落.通过对无磁场的计算结果施加流向磁场,本文计算了哈特曼数($Ha$)分别为20, 40和80的工况,以研究磁场效应对于湍流的影响.结果表明磁场较弱时,流动依然呈三维湍流状态.随着磁场增强, 近圆柱尾流区受磁场抑制明显,回流区被拉长,剪切层失稳位置向下游转移.圆柱后方的涡结构由于受到竖直方向洛伦兹力的挤压作用,随着哈特曼数的增加尾迹区域逐渐变窄.相比于无磁场情况的涡结构,由于磁场的耗散作用,相应的涡结构尺度变小.该研究不仅扩展了现有磁场下湍流运动的参数范围,对于液态包层的设计及安全运行同样具有重要的理论指导意义和工程应用价值.      

DIRECT NUMERICAL SIMULATIONS ON THE TURBULENT FLOW PAST A CONFINED CIRCULAR CYLINDER WITH THE INFLUENCE OF THE STREAMWISE MAGNETIC FIELDS1)

绕流是托卡马克装置中液态包层内常见的流动形态,对流场与热量分布有着重要的影响.本文通过直接数值模拟(DNS),研究了不同磁场强度下$Re=3900$的圆柱绕流,分析了磁场强度对于湍流尾迹的影响.无磁场情况下,直接数值模拟的结果与前人的实验及模拟结果吻合很好.圆柱下游的尾迹中,随着流向距离的增大, 流向速度剖面逐渐从U型进化呈V型, 并慢慢趋于平缓,这表明尾迹中的流动结构受圆柱影响逐渐减小.圆柱后方两侧的剪切层中,由于Kelvin-Helmholtz不稳定性的影响,可以清晰地看到小尺度剪切层涡的脱落.通过对无磁场的计算结果施加流向磁场,本文计算了哈特曼数($Ha$)分别为20, 40和80的工况,以研究磁场效应对于湍流的影响.结果表明磁场较弱时,流动依然呈三维湍流状态.随着磁场增强, 近圆柱尾流区受磁场抑制明显,回流区被拉长,剪切层失稳位置向下游转移.圆柱后方的涡结构由于受到竖直方向洛伦兹力的挤压作用,随着哈特曼数的增加尾迹区域逐渐变窄.相比于无磁场情况的涡结构,由于磁场的耗散作用,相应的涡结构尺度变小.该研究不仅扩展了现有磁场下湍流运动的参数范围,对于液态包层的设计及安全运行同样具有重要的理论指导意义和工程应用价值.     

虚拟边界法研究正交双圆柱及串列双圆球绕流

把Goldstein等人提出的虚拟边界法推广到三维情况,研究了 Re=150时不同间距下正交双圆柱绕流,和Re=250时不同间距下串列双 圆球绕流流场. 对于正交双圆柱绕流,当间距比大于3,下游圆柱对上游圆柱尾流的影响只 限定在下游圆柱的尾流所扫过的范围之内;当间距比小于等于3,下游圆柱对上游圆柱尾流 的影响扩大,下游圆柱尾流扫过区上下出现两排三维流向二次涡结构. 对于串列圆球绕流, 研究发现,在小间距比(L/D≈ 1.5)的情况下,由于上下游圆球尾流区的相互抑 制消除了压力不稳定性,整个流场呈现稳 态轴对称特征;间距比为2.0时,周向压力梯度诱发出流体的周向输运,流场呈现稳态非对 称性,但流场中存在特定的对称面;间距比增大到2.5后,绕流场开始周期振荡,原有的对 称面依旧存在;在间距比3.5时下游圆球下表面的涡结构强度有所减弱,导致占优频率发生 交替;间距比增至7.0时,整个流场恢复稳态特征,两圆球尾部同时出现双线涡,这时流场 对称面的位置发生了变动.     

水下发射航行体尾涡不稳定性分析

在水下连续发射过程中前一发航行体尾流会对后一发航行体运动姿态稳定性产生流动干扰现象. 因此, 研究尾流中涡旋结构演变机理对解决多弹体水下连续发射流动干扰难题具有重要的意义. 本文采用改进型分离涡模型与能量方程, VOF多相流模型与重叠网格技术相结合方法, 对航行体水下发射尾流演变过程开展精细化模拟研究, 其中模拟结果和实验吻合度较好, 验证了本文数值方法的有效性. 以航行体尾流区域为重点研究对象, 分析了尾流区瞬态流场分布, 讨论了横流强度和雷诺数对尾涡结构演变以及脉动压力分布特性的影响. 结果表明: 由于尾流区高速流体核心区与低速自由流相互作用导致Kelvin-Helmholtz不稳定现象出现, 可以清晰地发现涡旋结构在剪切力的作用下发生脱落. 在横流条件下, 航行体尾端脱落的涡环与涡腿形成发卡涡, 而多个发卡涡沿轴向间隔排列组成发卡涡包存在于尾流中. 随着横流强度增大, 形成多级发卡涡包结构, 而导致脉动压力二次峰值均出现的主要原因是尾流涡旋流场演变引起的. 随着雷诺数的增大, 尾流中由圆柱形涡和U型涡组成的二次涡结构逐渐明显, 不稳定性加强.      

Thrust generation and wake structure of wiggling hydrofoil

Marine animals and micro-machines often use wiggling motion to generate thrust. The wiggling motion can be modeled by a progressive wave where its wavelength describes the flexibility of wiggling animals. In the present study, an immersed boundary method is used to simulate the flows around the wiggling hydrofoil NACA 65-010 at low Reynolds numbers. One can find from the numerical simulations that the thrust generation is largely determined by the wavelength. The thrust coefficients decrease with the increasing wavelength while the propulsive efficiency reaches a maximum at a certain wavelength due to the viscous effects. The thrust generation is associated with two different flow patterns in the wake： the well-known reversed Karman vortex streets and the vortex dipoles. Both are jet-type flows where the thrust coefficients associated with the reversed Karman vortex streets are larger than the ones associated with the vortex diploes.     

Investigation on 3Dt wake flow structures of swimming bionic fish

A bionic experimental platform was designed for the purpose of investigating time accurate three-dimensional flow field, using digital particle image velocimetry (DSPIV). The wake behind the flapping trail of a robotic fish model was studied at high spatial resolution. The study was performed in a water channel. A robot fish model was designed and built. The model was fixed onto a rigid support framework using a cable-supporting method, with twelve stretched wires. The entire tail of the model can perform prescribed motions in two degrees of freedom, mainly in carangiform mode, by driving its afterbody and lunate caudal fin respectively. The DSPIV system was set up to operate in a translational manner, measuring velocity field in a series of parallel slices. Phase locked measurements were repeated for a number of runs, allowing reconstruction of phase average flow field. Vortex structures with phase history of the wake were obtained. The study reveals some new and complex three-dimensional flow structures in the wake of the fish, including “reverse hairpin vortex” and “reverse Karman S-H vortex rings”, allowing insight into physics of this complex flow.     

LARGE EDDY SIMULATION ON THE EVOLUTION AND THE FAST-TIME PREDICTION OF AIRCRAFT WAKE VORTICES

随着我国人民生活水平的提高,航空运输的重要性与日俱增,航班延误问题也日益严重.尾流间隔（保障后机不受前机尾流影响的最小安全间隔）是制约机场效率的关键因素.针对这一工程应用问题,采用大涡模拟方法研究飞机尾涡在大气中的演变特性.研究工作首先发展了飞机尾涡演变的大涡模拟方法,将自适应网格技术应用于飞机尾涡演变的大涡模拟,大幅减少所需的网格量,提高计算效率.提出了升力面尾涡生成方法,在不增加计算量的情况下实现了尾涡卷起过程和远场衰减的组合模拟.在系列算例分析研究基础上,创建了基于大涡模拟计算结果的尾流间隔快速预测系统.该系统可以根据实时大气风场和进出港的前后飞机机型,快速预测并输出所需的尾流间隔.经过与场地测试数据比较表明,在北京市2014年的平均风速条件下,本系统预测的尾流间隔可在现有标准基础上缩减7%~50%,能够有效提高机场容量.     

有限长正方形棱柱绕流的双稳态现象

运用大涡模拟(large eddy simulation, LES) 方法对有限长正方形棱柱绕流进行了研究. 棱柱高宽比为5,一端固定于平板上,另一端为自由端. 平板表面边界层厚度可忽略不计. 基于自由流速度和棱柱宽度的雷诺数为3 900. 由计算结果发现,有限长棱柱的尾流在自由端后下扫流的作用下具有显著的三维性. 尾流中会交替出现两种典型的流动状态:一种是柱体两侧所脱落的涡在尾流中形成类似卡门涡街的交错排列状态;另一种是柱体尾流中涡团对称分布且无明显的周期性. 两种典型流动状态的交替出现,对有限长棱柱气动力特性有直接的影响.     

旋翼尾流与地面干扰时地面涡现象的研究

用Ｎ－Ｓ方程对近地飞行时旋翼尾流与地面干扰时产生的地面涡现象进行了数值计算旋翼对流场的作用由分布在特定区域内的动量源项模拟结果表明，旋翼尾流撞到地面后的卷起和轴向流动的拉伸作用是形成地面涡的原因；地面边界层形成的二次分离涡向地面涡内输入（与尾流所携带的涡量）相反的涡量，而使地面涡保持平衡；地面涡的存在和运动使旋翼附近流场大大改变