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    图片丢失啦 《上海交通大学学报》2021年“工程力学”专题

    该专辑汇总了2021年《上海交通大学学报》出版的12期文章中工程力学领域的文章。以期更好服务高校师生及众多研究所科研人员,促进最新学术成果的传播。
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    “软尾减阻”述评
    田新亮
    上海交通大学学报    2021, 55 (2): 213-214.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.393
    摘要665)   HTML5)    PDF (1455KB)(443)   

    田新亮研究小组提出了一种简称为“软尾减阻”的新型流动控制方法,即通过在钝体后侧构造柔性封闭体来调节其所受流体载荷及周围流动形态.相比于传统流动控制方法,该方法无需改变控制对象的结构,具有良好的工程应用前景.同时,“软尾减阻”引出了一种新的“流-固-流”耦合问题,亟待进一步研究.

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    软体尺蠖爬行机器人建模与仿真分析
    张力文, 徐齐平, 刘锦阳
    上海交通大学学报    2021, 55 (2): 149-160.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.047
    摘要555)   HTML9)    PDF (7945KB)(278)   

    高效计算并整体分析软体尺蠖机器人的运动规律和行进步态是个具有挑战性的难题.在准静态条件下,建立了一个由刚性滑块和曲梁构成的简化力学模型,对该类机器人进行准静态的建模与仿真分析.首先基于欧拉-伯努利梁理论,给出了曲梁的总势能表达式.其次,利用变分原理,由总势能推导出控制方程,联立边界条件,建立了常微分方程组,并对其进行离散化以及无量纲化,给出了用于数值求解的非线性代数方程组.然后,根据曲梁和地面的接触情况以及系统的黏滞与滑移状况,将机器人的整个运动过程分为三个阶段,通过数值计算,得到在不同阶段下曲梁随初始曲率幅值变化的不同构型,描述出软体机器人在一个周期内的运动规律、步态变化和净位移量,解决了软体机器人在不同阶段的运动衔接问题.准静态方法的特点是计算效率较高,更加适用于对软体机器人的运动构型进行分析.

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    对转式垂直轴风力机气动性能研究
    曹宇, 韩兆龙, 周岱, 雷航
    上海交通大学学报    2021, 55 (2): 141-148.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.360
    摘要466)   HTML1)    PDF (6151KB)(201)   

    为了改进漂浮独立式垂直轴风力机的气动和稳定性能,提出风力机的新型结构设计理念,即同轴对转式垂直轴风力机.基于计算流体力学理论,借助雷诺时均剪切应力传输RANS SST k-ω湍流模型对风力机进行数值模拟,并结合涡流理论,比较对转式与独立式垂直轴风力机在不同叶尖速比(TSR)时的气动和稳定性能.结果表明,相同流场条件下,对转式风力机浮式平台的稳定性更强.当TSR<1.3时,长时间的失速状态使得对转式风力机的脱涡现象更严重,风能利用效率更低;当TSR>1.3时,外流场的风能更多地被对转式风力机转子吸收,风力机的远端涡流长度更短且脱涡强度更低,风能利用效率更高.同轴对转式的结构设计理念和分析方法对海上垂直轴风力机的性能优化有一定的参考价值.

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    三维菱形液舱剧烈晃荡和共振频率数值研究
    辛建建, 方田, 石伏龙
    上海交通大学学报    2021, 55 (2): 161-169.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.066
    摘要358)   HTML0)    PDF (2926KB)(140)   

    为了预报真实液化天然气(LNG)船液舱的共振频率,采用基于直角网格的三维多相流模型,模拟了不同充液水深和激励频率的菱形液舱剧烈晃荡问题.该数值模型采用时间半隐式有限差分法在交错直角网格上求解不可压缩两相流Navier-Stokes(N-S)方程,采用径向基函数虚拟网格法(RBFGCM)处理不规则舱壁结构和,用三维梯度增量水平集(GALS)方法捕捉强非线性自由表面.基于该模型,模拟了横摇激励下的菱形液舱晃荡问题,满意的网格和时间收敛性验证了该方法的高精度和可靠性.而且,不同充液水深下本文冲击压力和波浪爬高结果与实验数据较好地吻合,捕捉到了剧烈的晃荡波浪现象如波浪翻卷.进一步研究了不同水深下舱壁局部位置压力幅值与激励频率之间的关系,确定了菱形液舱共振频率,以期为LNG液舱的结构设计提供理论参考.

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    弱非线性内孤立波在斜坡上的传播演化特性
    郅长红, 陈科, 尤云祥
    上海交通大学学报    2021, 55 (8): 916-923.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.125
    摘要357)   HTML8)    PDF (6862KB)(136)   

    采用简化的变系数内孤立波传播方程来描述弱非线性内孤立波在不同坡度斜坡上的传播演化过程.结果表明:弱非线性内孤立波在通过斜坡的传播过程中产生了不同程度的分裂现象,分裂为首波和尾波列.在通过斜坡的传播过程中内孤立波主要受到由地形诱导产生的浅化效应和能量耗散作用.对于非线性较弱的内孤立波,地形导致的浅化效应占主导作用,振幅逐渐增大并趋于稳定,而波速逐渐减小并趋于稳定.在相同的地形条件下,随着初始振幅增大,振幅的增加量减小,波速的减小量增加.随着斜坡坡度的增大,非线性内孤立波在传播过程中受到的能量耗散作用逐渐大于浅化效应,使得内孤立波在传播过程中振幅先增大后减小.当经过临界点(上下层流体深度相同的点)后,内孤立波由下凹型转变为上凸型.

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    螺旋列板立管受迫振动时的水动力学研究
    李昂, 孙仁
    上海交通大学学报    2021, 55 (8): 907-915.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.234
    摘要352)   HTML171)    PDF (4486KB)(267)   

    为了减小立管受到的振动损伤,本文对无列板立管以及三螺旋对称分布列板立管的水动力参数进行了实验评估.自然环境中的波浪与来流被抽象为振荡流与均匀流叠加,实验工况分为静止流场和相对运动流场.同时,立管受迫振动方向分别为流场纵向、横向以及纵向45° 夹角.结合Morison公式,由实验数据计算得到立管的附加质量系数Cm和托曳力系数Cd.实验结果表明,带螺旋列板立管的Cm与Keulegan-Carpenter(KC)数无关,Cm与受迫振动方向无关;Cd与流场速度和振动最大速度间的比率以及KC数的1/3次幂成反比关系.该发现与经典理论振荡流中平板结构Morison参数的形式相吻合,使经典理论在立管设计中获得新的验证与应用.在相同条件下,带螺旋列板立管的Cd值平均高出光滑立管273%.该发现表明在复杂工况下,螺旋列板能有效降低振动造成的影响.该结果可为海洋结构物的消振设计提供新的思路, 在海洋工程领域具有较高的应用价值.

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    基于大涡模拟的圆柱绕流剪切层不稳定性
    郭志远, 虞培祥, 欧阳华
    上海交通大学学报    2021, 55 (8): 924-933.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.266
    摘要338)   HTML13)    PDF (8100KB)(206)   

    圆柱绕流是一种常见的流体力学研究对象,随着雷诺数(Re)增加,其下游尾迹剪切层中会产生开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象.利用大涡模拟方法,数值求解中等Re(Re=2000, 3900, 5000)的圆柱绕流问题,可得圆柱下游的精细化流场,继而开展对剪切层不稳定性的深入研究.为获得剪切层不稳定性的特征频率,分别采用传统的监测点分析与局部流场的动态模态分解方法进行计算.结果显示,两种方法得到的频率基本一致.不过,相比传统方法,动态模态分解方法一方面能克服人为选择监测点带来的随机误差,较便捷地给出剪切层不稳定性特征频率,另一方面还能进一步通过不同流场模态分析出不同Re对剪切层不稳定性特性的影响.

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    单层粒子水平集方法
    牟凯龙, 赵兰浩, 毛佳
    上海交通大学学报    2021, 55 (8): 949-957.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.368
    摘要312)   HTML5)    PDF (6576KB)(165)   

    提出了一种单层粒子水平集方法,该方法利用拉格朗日粒子追踪界面特征,采用水平集方法隐式捕捉界面.首先,利用水平集方法捕捉界面.然后,基于拉格朗日粒子的位置信息对界面进行修正,最终得到平滑、精确的运动界面.该方法克服了传统水平集方法体积守恒性差的缺陷,极大地提高了运动界面的精度.另外,本文提出了简单有效的粒子重分配策略,包括粒子的添加和删除,使得该方法能够准确处理复杂的拓扑变化,如界面的合并和分离.最后,通过多个基准算例验证了本文方法的正确性和有效性,可用于精确描述运动界面.

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    颗粒柱坍塌运动与堆积特性的研究综述
    来志强, 江恩慧, 赵连军, 周伟, 田文祥, 马刚
    上海交通大学学报    2021, 55 (4): 421-433.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.329
    摘要310)   HTML3)    PDF (1839KB)(173)   

    通过总结国内外有关颗粒柱坍塌运动模型的研究成果,分析了颗粒柱初始空间形态特征、颗粒基本物理特性、模型边界及环境条件等因素对颗粒柱运动堆积特性的影响规律及作用机制.颗粒柱的运动距离和堆积高度与其初始宽高比之间存在显著的线性及幂函数关系,高、低颗粒柱坍塌运动模式和能耗机制差异显著.颗粒粒径、颗粒刚度、颗粒破碎与颗粒潮湿等因素对颗粒柱坍塌运动与堆积特性的影响规律已基本达成共识.不同的挡墙约束条件、由气体掺入导致的流态化现象以及水体环境影响下颗粒柱运动的堆积特征已有初步的研究成果.但是有关颗粒柱初始孔隙率、颗粒摩擦因数、挡墙摩擦因数对颗粒柱运动堆积特性影响的结论仍存在分歧.综观当前的研究成果,颗粒受力特性与运动机制存在内联关系,复杂颗粒形状、可侵蚀床面、颗粒密度和水动力条件等对颗粒柱坍塌运动与堆积特性的作用机理均是未来的研究重点.

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    低弗劳德数通气超空泡初生及发展演变特性
    许海雨, 罗凯, 黄闯, 左振浩, 古鉴霄
    上海交通大学学报    2021, 55 (8): 934-941.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.128
    录用日期: 2021-06-08

    摘要290)   HTML4)    PDF (8083KB)(148)   

    为了研究通气超空泡初生及发展过程中空泡形态及泄气模式的演变特性,采用分相流模型和SST湍流模型,考虑通气压缩性和重力效应,建立了通气超空化三维数值计算模型,并通过试验数据进行了校核和验证,研究了在通气率和弗劳德数大范围变化下的通气超空泡生成及发展过程.结果表明:回射流模式超空泡发展过程非常不稳定,空泡初生时伴随空泡的断裂及分离,空泡发展过程中存在气/水混合物回流现象,超空泡形态难以预估.双涡管模式超空泡先以回射流模式发展,当超空泡充分发展后,空泡闭合模式转变为双涡管方式,空泡形态及泡内压力相对比较稳定.接近超空泡泄气转变临界时,超空泡闭合模式在双涡管和回射流之间相互转变,导致超空化流动及超空泡形态变化更加复杂.

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    起伏输油管道临界完全携积水油速数值模拟
    李岩松, 丁鼎倩, 韩东, 刘静, 梁永图
    上海交通大学学报    2021, 55 (7): 878-890.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.020
    录用日期: 2021-06-08

    摘要277)   HTML6)    PDF (4255KB)(127)   

    水力清管可有效减缓管输油品质量指标的衰减,研究水力清除成品油管内积水所需的临界完全携积水油速具有十分重要的现实意义.首先,分析了完全携水油速下管内油携水的流动型态,发现临界完全携积水油速下,上倾管内油携水流动属于油水两相波状分层流.基于此,建立了双极坐标系下的油携水流动数值模型,并给出了数值求解算法.最后,将模型计算值与文献数据进行对比分析,验证了临界完全携积水油速数值模型的可靠性.对上倾管道内柴油携水流动过程进行了数值研究,详细分析了水力清管过程中油流和积水的流动特性.研究结果表明:水膜在油流携带过程中主要受重力压降的影响,摩阻压降相比于重力压降可忽略;当管内油速较小时,靠近相界面处的水相部分在油相的携带作用下向下游流动,而管壁附近的水相在重力作用下回流至管道底部;随着油相速度增大,水相速度最小值位置逐渐向管壁偏移,当其首次出现在管壁位置时对应的管内油相速度即为临界完全携积水油速.

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    圆柱型粗糙元诱导的超声速边界层转捩实验研究
    金龙, 易仕和, 霍俊杰, 刘小林, 牛海波
    上海交通大学学报    2021, 55 (8): 942-948.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.221
    摘要220)   HTML5)    PDF (9494KB)(76)   

    采用纳米粒子示踪的平面激光散射(NPLS)技术研究了马赫数为3.0条件下,不同高度和不同数量的圆柱型粗糙元诱导的边界层转捩过程.获得了超声速流动中圆柱型粗糙元诱导的边界层的流向和展向精细流场结构.观察到了粗糙元尾迹边界层的发展过程,再附后的边界层将在一定范围内保持稳定.同时,在边界层发展过程中观测到了清晰的发卡涡结构.利用分形理论对边界层NPLS图像进行定量分析,获得了几种情况下边界层转捩的位置.研究结果表明,多个粗糙元间的相互作用能够抑制边界层的转捩以及尾迹中发卡涡的演化.然而,当两侧粗糙元高于中间的粗糙元时,粗糙元间的相互影响对于尾迹边界层发展的抑制作用反而不明显.

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    韧带型声子晶体狄拉克锥特性研究
    陈炉云, 王健, 崔益烽, 孔慧
    上海交通大学学报    2021, 55 (11): 1453-1458.   DOI: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.242
    摘要189)   HTML6)    PDF (3251KB)(131)   

    声子晶体的能带结构特性是评估声学超构材料减振降噪性能的重要指标.以二维六韧带手性声子晶体为例,对其能带结构和狄拉克锥特性进行数值分析,在声子晶体布里渊区中心处获得四重偶然简并狄拉克点.通过调整韧带的设计参数,实现对双狄拉克锥的打开,形成新的定向带隙.研究韧带参数与定向带隙宽度的关系,并进一步讨论能带结构反转问题.研究成果可为手性声子晶体在弹性波操控和声学拓扑绝缘体的应用提供技术支持.

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