一种可压缩与不可压缩气体流动的统一算法及其应用

本文采用伪时间变化率项及其"预处理"矩阵,并结合LU-SGS离散格式,发展了可压缩与不可压缩气体流动求解的统一算法.该方法有效地消除了采用可压缩方法求解低速流动时容易产生的"刚性"问题,减小了由于压力项在低速情况下产生的舍入误差.同时,在求解低速与高速并存的流场流动时,无需进行预处理矩阵的转换,实现了可压缩与不可压缩气体流动的统一理论求解.作为算法有效性的验证,本文分别计算了低速、高速、高低速混合流动的典型算例.计算值的验证结果比较表明,对求解马赫数大范围变化情况下的流场,具有很好的收敛性与稳定性,而且收敛速度基本不受流动速度的影响.这个算法程序为今后发展用于燃烧反应流动和密度梯度驱动流动的分析建立了方法基础.     

超声速边界层/混合层组合流动的稳定性分析简

利用可压缩线性稳定性理论研究了超声速混合层考虑壁面影响流动时的失稳特性. 基本流场选取了具有不同速度特征的2 股均匀来流,进入存在上下壁面的流道中. 混合层与边界层的距离为1~3 个边界层厚度,其中壁面取为绝热壁. 分析了该流动在超声速情况下的稳定性特征,同时还讨论了不同波角下的三维扰动波的演化特点,并与二维扰动波进行了比较和分析. 研究结果表明,在此流动情况下,边界层流动和混合层流动的稳定性特征同时存在,并互有影响,其流动稳定性特征既有别于单纯的平板边界层,也有别于单纯的平面混合层,呈现出了新的稳定性特征.     

波样耗散结构的空间构成及形成过程

以直拉法单晶生长系统中熔体热对流波样耗散结构为研究对象,通过大规模数值模拟,首先获得了不同波数稳定波样流动的耗散结构,并应用正交分解法抽出了波样耗散结构的基本流动模式,分析了由基本流动模式形成耗散结构的动力学过程.结果表明:(1)构成宏观波样耗散结构的基本流动模式具有明显的规律性:(a)基本流动模式成组出现,(b)波数为n的波样耗散结构,每组包含n个基本流动模式,(c)流动基本模式在周向的波数随组序以n增加,在径向由1层增至多层;(2)波样耗散结构宏观上的旋转运动,是由于不同基本模式的轮番"出演"所致.研究结果丰富了人们对耗散结构的认识.     

"音爆云"现象与"音爆"有关系吗?

"音爆云"实质是飞机飞过高湿度空气时因局部流场加速使温度降低至露点以下而形成的水汽凝结云团,将其称为凝结云更为恰当。将凝结云按飞行速度和不同特征分成3类：低亚声速不规则凝结云、高亚声速锥形凝结云和超声速凝结云。本文分别讨论了3类凝结云的形成机制、不同特点及其与激波、突破"声障"和"声爆"的关系。第1类与"声爆"无关;第2类伴随局部弱激波、未突破"声障",与"声爆"基本无关;第3类则与超声速激波及其"声爆"有关。     

"手机吊冰箱"揭密

近期(2010年11月中旬),我们用一部诺基亚N8手机提供的动力吊起了重达60kg的冰箱.这个视频在网上迅速蹿红,无数网友在看过之后大呼"不可思议!",但也有网友质疑"实验太假了"、"不可能做到",并由此引发了各路网友的猜想和揭秘.     

说说"量纲"和"量纲一"

不久前,王振东给朱照宣写信说道："我那本《诗情画意谈力学》在出版时,曾对'无量纲数'一事与出版社有过讨论。"我指出：某页某行,将'无量纲化'、'无量纲的'错为'量纲一化'、'量纲一的'。这已经是概念性错误了。"回函称："根据现在的'物理量和单位'的标准,凡是'无量纲'的说法现在都改为'量纲为1'这种说法了,就是说无量纲的量并不是没有量纲,而是它的量纲是单位1。这是现在法制推行的国家标准,遇到时必须要改。"朱照宣先生收到信以后,很快就转给了我,并要我为《力学与实践》写篇短文,把量纲和单位等几个基本术语和概念说说清楚。我查了上面提到的国家标准,其中的确清楚地说明了,把没有量纲的量的量纲说成是1的来由;并提出了"量纲一"的说法,且指出： 的缩写"ppm不是量纲一的单位的专门名称"。后面一句话既绕嘴又含混。 是个纯数,既没有任何属性,更谈不上是单位,所以标准中的这种说法确实是"概念性错误"。这里先简单回溯一下历史,大家公认傅立叶（J. Fourier）是量纲和量纲分析的开创者。他在1822年出版的"Theorie Analytique de la Chaleur（热的分析理论）"一书中,首次提出下述量纲齐次性的观点。他说："每一个待定的量或常量具有属于它自己的量纲,而且同一个方程中的各项是不能比较的,如果它们的量纲的幂次是不相同的话。"他又说："（这一齐次性的观点）源自对对量的原始诠释;因此,在几何学和力学中,这等价于希腊人未作证明留给我们的基础（公理）。"下面要从量纲的定义说起。量纲最简明的定义是量的属性,在物理中就是一个物理量的属性。讨论一个物理问题或工程问题,必然涉及到多个物理量,首先应该明确每个物理量的属性,只有在这个基础上,才能进一步分析问题,分析问题中各量之间的关系。最简单的分析乃是比较量的大小。要注意,只有具有同样属性的量才能比较大小,而一个量自己是无所谓大小的。长度量只能和长度量比,长度量不能和面积量（长度量的平方）比;长度量和时间量也是不能比较的。在做比较的情况下,就引入了"单位"这个概念。在比较量纲相同的两个量 和 的大小时,可以把其中任意一个量作为单位,记作U。那么就有两种可能,即：（1）取 作单位来度量 ,那么U就是 ,则有 ,其中, 乃是 与单位 相比的倍数,是个纯数。（2）取 作单位来度量 ,那么U就是 ,则有 ,其中, 乃是 与单位 相比的倍数,也是个纯数。显然, 与 互为倒数。可以看出,倍数 与 都是纯数,而纯数是没有物理属性的。如果我们讨论数学问题,那么大家知道数学是关于数和形的科学。这里的数均无任何属性,而这里的形,则是指几何形状,涉及长度、面积、体积诸量,它们的属性依次是长度、长度的平方以及长度的立方。我们规定将一个量X的量纲用方括号来表示,即[X]。讨论一个长方体,它有长 、宽 和高 ;它有六个表面,上下、左右和前后三对表面积分别是 、 和 ;它的体积是 。谈到这些量的量纲,可以看出,长、宽和高都是长度量,其属性均为长度,或者说,它们的量纲就是长度,并用英文字Length的第一个大写字母L来表示,即可记为 。根据面积和体积的定义,显然表面积的量纲是长度的乘积,即长度的平方,而体积的量纲则是长度的立方,即可分别记为 , 以及 。显然,长、宽、高和表面积以及体积之间,是不能互相比较的,它们的量纲虽然都和长度有关,但是相应的幂次是不相同的。讨论一个运动学的问题,涉及到位移量 和时间量 ,以及速度量 和加速度量 等。这类问题与几何学问题相比,多了一类时间量,其属性是时间,并用英文字Time的第一个字母T来表示,可记时间量的量纲为 。按照速度和加速度的定义,速度量 和加速度量 的量纲可记为 。讨论一个动力学的问题,涉及到加速度的原因,於是牛顿总结出著名的牛顿第二定律,即 。这一定律引入了力f和质量m这两个物理量。如果将它们的量纲分别记为 ,其中,F和M分别是英文字Force和Mass的第一个字母,那么F和M这两个量纲不是相互独立的。根据牛顿第二定律,它们可以相互表示,利用加速度a的量纲是 ,可以分别表示为 。在物理和工程问题中,免不了涉及一些纯数,包括刚才讲的倍数,还有用弧度表示的角度量（实际上角度是用弧长和半径的比值来定义的）,还有自然数、实数、复数以及一些通用的常数e和 等等。这些纯数都没有任何属性或没有量纲,为了区别于其他有属性或有量纲的量,那么在力学中怎么用符号来记它们的量纲呢？既然它们的属性与力学中最基本的量纲均无关系,便借用数学的语言,也按前面所用的幂次表示的方式,记为 ,等等。意思是说,e和 等纯数的量纲与长度、质量和时间均无关系,干脆继续借用数学的语言,即任何一个幂次为零的数就是1,将没有任何属性的量的量纲记为1,例如 ,等等。并且把这些纯数称之为没有量纲的量,简称为无量纲量。但是,这里要注意,将纯数的量纲记为1不等于说纯数的属性是1,不能说它的量纲是一。纯数没有属性,也可以说,纯数没有量纲,是无量纲的量。至于说到的"无量纲化",乃指：将一个包含有量纲的多个物理量之间的函数关系,转化为物理实质相同但是由无量纲量组成的函数关系。这是分析问题中极为本质的一步。这里就不详细说了。综上所述,量纲乃是一个量的属性,没有任何属性的纯数被称为无量纲量,或简单地把它的量纲记为1。至于量纲和单位,它们完全是两个不同的概念,决不能说什么" 量纲是单位1",量纲只是属性,论属性就谈不上单位。至于上面引述的我们的"国家标准",看来谈不上"标准"。我们不知道这样的国家标准是怎么出台的;又怎么能让民众来贯彻实施呢！     

血管里的"罗宾汉效应" 1)

血液循环系统里有一种类似于经济学术语"罗宾汉效应"的"劫富济贫"或者"劫贫济富"的现象——"盗血"综合征。盗血现象背后蕴含着科学的生物力学机理。本文介绍了盗血现象的确切含义及其生物力学机理,可以启发读者从生物力学的角度来解释医学问题中的科学道理。     

奇妙的“波浪云”——浅谈开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象

开尔文-亥姆霍兹不稳定性是两种流体作平行于水平界面的相对运动时的流动稳定性问题之一. 文章从自然现象"波浪云" 谈起,介绍了开尔文-亥姆霍兹不稳定性的理论定义、该不稳定性现象形成发展的过程及其流动可视化;并简单阐述了实验室和自然界中其他"类开尔文-亥姆霍兹不稳定" 现象,重点介绍了梵高名画《星月夜》和笔者在从事沟槽壁面湍流场可视化实验中观察到的一种展向"类开尔文-亥姆霍兹涡棍" 结构,指出它们的形成及发展演化是沟槽湍流减阻达到最优之后,减阻效应趋弱直至增阻的原因.     

工程流体力学"微课-参与式"教学模式探索及实践

为了进一步加强"新工科"背景下综合型人才的培养,本文以工程流体力学为例,对"微课–参与式"教学模式进行了探索实践研究。探索了新模式下课堂教学内容、教学形式设计及教学实践,创新了教学考核方式。采用比较法和问卷调研对教学效果进行了评价,结果表明"微课–参与式"教学激发了学生学习兴趣,提高了课堂参与度,使学生掌握扎实的专业知识,更培养了大家的实践、创新等能力,符合"新工科"复合型人才培养的要求。     

纳米阵列中气体驱替液体的流动特征

纳米尺度下气体驱动液体流动特征在纳流控芯片及页岩气开发中具有广泛的应用前景.利用管径规格为292.8 nm,206.2 nm,89.2 nm,67.0 nm,26.1 nm的氧化铝膜为纳米阵列,进行气驱水实验和单相气体流动实验,分析纳米尺度下气驱水流动特征.实验表明,纳米阵列中气驱水时气体流量随驱动压力变化经历三个阶段:第一阶段流量缓慢增大,且比单相气体流量降低约一个数量级;第二阶段纳米阵列中的水被大量驱替出,流量迅速增大;第三阶段纳米阵列中的水全部被驱替出,流动特征与单相气体流动保持一致.分析表明,气驱水第一阶段存在气液界面毛细管力的"钉扎"作用及固液界面相互作用力的影响,是产生非线性流动的主要原因;而一旦"钉扎"作用破坏,气体进入管道推动界面运动,气柱与液柱之间的毛细曲面曲率变化,毛细管力减小,气体流量急剧增大,其中毛细管力随驱替压力增大急剧变化,是造成第二阶段气体流量突变的主要原因.     

第十二届全国周培源大学生力学竞赛"理论设计与操作"团体赛"自停滚轮"项目设计方案

本文介绍了江苏科技大学代表队在第十二届全国周培源大学生力学竞赛"理论设计与操作"团体赛"自停滚轮"项目中的设计方案和制作过程,给关心和热爱该比赛的力学爱好者提供参考。     

适应"新工科"人才培养需求的力学实验教学新模式

"新工科"是基于国家战略发展新需求、国际竞争新形势、创新人才培养新要求而提出的我国工程教育改革方向。"新工科"建设的主要目标即培养造就一批具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质的学科交叉复合型卓越工程科技人才。本文针对"新工科"人才培养理念,分析了当前培养新型工科人才的背景和迫切性,探讨了适应新形势人才培养理念的力学示范中心建设思路和内涵,提出了建设实践教学新模式的途径和举措。     

土体动力"广义阻尼比退化系数"本构模型

针对土动力试验中土体反向卸载(或加载)曲线形状有时表现为先变化平缓后变化剧烈这一特征,基于原来的"阻尼比退化系数"本构模型和土体实验结果G/Gmax-γ和λ-γ曲线,给出了不规则荷载作用下曲线形状可调的"广义阻尼比退化系数"本构模型,并阐述了第二种"阻尼比退化系数"模型、"广义阻尼比退化系数"模型的函数表达武及实现过程.通过对试验阻尼比的模拟表明,所建立的加卸载准则尤其能准确拟合试验阻尼值,是对广义Masing准则的一种简化及实用化.由于调制因子Ad的可变性,它较原模型有更强地模拟试验本构曲线形状的能力.针对台湾LotungDHB钻井台阵试验场地,"阻尼比退化系数"模型和"广义阻尼比退化系数"模型分别进行了非线性地震反应分析,并将结果与强震观测记录进行比较,结果表明:"广义阻尼比退化系数"模型计算的复合加速度地震动的蜂值大小、波形大小相对关系及后续波形,与实际地震记录较相一致,说明了模型的合理性以及实际工程应用的可行性.     

非结构网格二阶有限体积法中黏性通量离散格式精度分析与改进

非结构网格二阶有限体积离散方法广泛应用于计算流体力学工程实践中,研究非结构网格二阶精度有限体积离散方法的计算精度具有现实意义.计算精度主要受到网格和计算方法的影响,本文从单元梯度重构方法、黏性通量中的界面梯度计算方法两个方面考察黏性流动模拟精度的影响因素.首先从理论上分析了黏性通量离散中的"奇偶失联"问题,并通过基于标量扩散方程的制造解方法验证了"奇偶失联"导致的精度下降现象,进一步通过引入差分修正项消除了"奇偶失联"并提高了扩散方程计算精度;其次,在不同类型、不同质量的网格上进行基于扩散方程的制造解精度测试,考察单元梯度重构方法、界面梯度计算方法对扩散方程计算精度的影响,结果显示,单元梯度重构精度和界面梯度计算方法均对扩散方程计算精度起重要作用;最后对三个黏性流动算例(二维层流平板、二维湍流平板和二维翼型近尾迹流动)进行网格收敛性研究,初步验证了本文的结论,得到了计算精度和网格收敛性均较好的黏性通量计算格式.     

"实验","试验"二词莫混用

近来,在一些刊物,文章,报告中常见到"实验"与"试验"二词混用的现象。诸如"实验力学"在某刊物上写成"试验力学"、做"材料力学实验"说成或写成"做材料力学试验"等。实际上实验与试验二词是有区别的。     

基于"专家型"竞赛的航天创新人才培养模式与实践 1)

围绕国内航天专业创新人才培养的需求,2009年创办全国空间轨道设计竞赛,迄今已成功举办10届,并探索形成了依托这一"专家型"竞赛的研究生"4C"培养模式。阐述了"4C"模式的内涵,以挑战性专业赛题为牵引,提升研究生创新能力、推动专业课程改革和推动产学研军民融合育人。从紧贴国家需求、培养科学精神、灵活的组织形式和举办专门研讨会等4个方面介绍服务"4C模式"的竞赛组织举措。总结了推进"4C"模式的主要做法和人才培养取得的成效。     

“C.R.Johnston直接法”求解弹性地基支撑充液管中的非线性波

输油管道液体流动、血管中血液流动等都可抽象为充液弹性管流体流动模型,对其固液耦合非线性波动问题进行深入研究具有重要的理论价值和潜在的应用前景。本文以充有理想流体、受弹性地基力作用的无限长充液管为研究对象,考虑管壁材质为橡胶类或软组织材料,利用"C.R.Johnston直接法"研究了充液管中的非线性波动问题,得到了系统的孤立波解,并与约化摄动法所得孤波图形进行了比较分析。图形对比表明,"C.R.Johnston直接法"求解所得图形孤波波幅较高,传播速度较快。相关文献曾指出:如果在支配方程中保留高次项,那么所得结果就会更精确,对应孤波解波幅较高,传播速度也较快。由此说明"C.R.Johnston直接法"是一种求解过程简单,求解结果精度较摄动法更高的方法。在给定参数的情况下,只需初始条件满足w(0)≤2.466200,对于任意的波速c,都可以得到对应的精确孤立波解。     

"孤立子"激光器

近廾年来,超短脉冲(USPS)是物理学领域的一项重要课题,最近已能产生短至12fs(=12×10~(-15)秒)的激光脉冲.产生短脉冲的第一步技术被称为"Q-开关"技术,它能获得10-15毫微秒范围的脉冲,其第二步是"锁 ...     

BLOOD FLOW IN THE CIRCULATORY SYSTEM1)

从"三十年河东三十年河西"这样的现象联想到人体循环系统中的血液流动。针对动脉粥样硬化、动脉瘤、主动脉夹层等常见的动脉血管病变,介绍了这些血管病变及其治疗方法中蕴含的生物力学机理,提示人们关注循环系统的健康。     

“三十年河东三十年河西”与循环系统中的血液流动

从"三十年河东三十年河西"这样的现象联想到人体循环系统中的血液流动。针对动脉粥样硬化、动脉瘤、主动脉夹层等常见的动脉血管病变,介绍了这些血管病变及其治疗方法中蕴含的生物力学机理,提示人们关注循环系统的健康。