上海交通大学学报

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喷水推进器进流面获取方法及其应用

郭军，陈作钢，戴原星，陈建平

2020,54 (1): 1-9.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.001

摘要 ( 1136 )

PDF(3238KB) ( 517 )

针对国际拖曳水池会议(ITTC)推荐的动量流量法需要确定喷水推进器流道进流面的问题，提出了简单实用的基于流线法的进流面获取方法，并采用MATLAB语言开发成程序，使这一过程大大简化，提高了效率.在此基础上，采用稳态多重参考系(MRF)模型，通过求解RANS方程对不同转数下喷水推进器的性能进行了数值计算与分析.研究结果表明：该方法可以准确获得进流面形状，并可给出进流面形状的参数化表达；进流面形状、泵前进口面速度分布以及唇部流动分离点位置都随转速变化而变化.所提出方法具有一定的实用性，可用于喷水推进器性能的预报.

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集中冰载工况下的桨叶边缘强度校核方法

叶礼裕, 王超, 郭春雨, 常欣

2020,54 (1): 10-19.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.002

摘要 ( 1087 )

PDF(3822KB) ( 434 )

在冰区桨设计过程中，往往需要对其桨叶边缘区域进行强度校核，防止与冰块接触过程中桨叶边缘出现缺口，对螺旋桨的水动力、空泡、噪声等性能产生影响.为了能够快速实现桨叶边缘强度校核，基于IACS URI3规范和有限元法(FEM)，建立了集中冰载工况下的桨叶边缘强度校核方法.针对螺旋桨几何结构特殊性，将桨叶沿径向、弦向以及厚度方向划分成一系列八节点六面体单元，发展了螺旋桨有限元网格自动剖分方法，可以根据加载位置合理地进行网格划分，以FEM计算集中冰载作用下的桨叶应力和变形分布.以PC3级冰区桨为例，开展了桨叶边缘强度的分析和校核.计算结果表明：在集中冰载作用下桨叶边缘区域有较大应力集中，容易造成桨叶边缘区域的损坏.

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应用改进流体体积法的楔形体斜向入水研究

谢行，任慧龙，陶凯东，冯亿坤

2020,54 (1): 20-27.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.003

摘要 ( 1034 )

PDF(2765KB) ( 403 )

为了精确追踪入水冲击中含有气体的自由面，在现有流体体积(VOF)法中引入连续表面张力(CSF)模型对气-液界面处压力进行连续化处理，添加对流项以减少体积分数的数值耗散，并耦合水平集函数保证自由表面的尖锐性.应用改进的VOF法对多个倾斜角下楔形体的入水过程进行数值模拟，并分析了砰击压力和自由面特性.研究表明：在保证相同自由面分辨率的情况下，改进的VOF法能减少1/3的网格数量；数值结果较好地反映了斜向入水过程中出现的空气流通现象，砰击压力峰值与实验值吻合良好；当底升角小于10° 时出现明显气穴效应，数值结果与实验值相差10%，而解析解的误差达到40%，说明气穴对砰击压力具有重要影响，改进的VOF法对解决这类入水问题具有精度高的优势.

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喷水推进收缩流泵导叶的水动力优化设计方法

蔡佑林，范佘明，陈刚，梁珺，王立祥

2020,54 (1): 28-34.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.004

摘要 ( 986 )

PDF(4673KB) ( 395 )

为解决新型喷水推进收缩流泵因径向尺度小、导叶动负荷大引起的水动力问题，提出一种用于喷水推进收缩流泵导叶水动力设计的三元可控速度矩方法.基于收缩流式叶轮，通过控制过流面积变化优化导叶子午面，实现从泵进口到出口的全收缩.根据可控速度矩原理，针对叶轮出口流场与收缩流式导叶特点给定子午面速度矩分布，完成了导叶片三元可控速度矩设计，建立了收缩流式导叶模型.应用经过试验验证的推进泵数值模拟试验方法进行推进泵内流场与外特性计算分析.结果表明，设计工况点处推进泵模型效率由原设计的87%提升至90%，导叶轴向长度缩短了20%.设计优化效果显著，能够满足工程应用要求，从而解决了水动力问题.

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异重流水卷吸经验式不确定性对层平均数学模型的影响

张维凯，胡鹏

2020,54 (1): 35-42.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.005

摘要 ( 828 )

PDF(1741KB) ( 466 )

基于贝叶斯定理的Gibbs随机采样方法，结合现有异重流水卷吸实验数据，探讨了异重流水卷吸经验式中经验系数E1和E2的不确定性，获取的E1和E2样本总数为2×105.统计发现，其中概率最大的(E1,E2)样本取值与原式取值相近.将样本值输入异重流层平均水沙耦合数学模型，模拟陡坡上异重流演化过程.结果表明：计算异重流厚度、速度、泥沙体积分数、底床形变区间范围随运动距离的增加逐渐增大；采用概率最大经验系数值可能低估异重流厚度和泥沙体积分数，高估异重流速度和底床形变；95%样本输入异重流模型所得计算水力参数范围远大于25%样本所得计算水力参数范围，意味着模型对(E1,E2)的取值十分敏感.

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水合物分解条件下海底黏土质斜坡破坏实验模拟

宋晓龙，赵维，年廷凯，焦厚滨

2020,54 (1): 43-51.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.006

摘要 ( 971 )

PDF(9851KB) ( 470 )

针对水合物分解条件下海底黏土质斜坡破坏机制认识不足的问题，采用通气的方式模拟水合物分解后气体对海底斜坡的影响，开展了不同土体强度、水合物埋深、气体流量及分解范围组合条件下的多组模型实验.结合图像测量技术，深入分析了坡面及坡体的变形演化过程，初步揭示了模拟水合物分解条件下海底黏土质斜坡的变形破坏特征.在此基础上，采用极限平衡方法，建立了海底斜坡破坏时的临界气体压力解析式，从理论上解释了斜坡变形破坏过程中出现的临界气压值.研究结果表明：海底斜坡的变形破坏过程可分为气压累积、土体弹性压缩、斜坡破坏隆起和变形稳定4个阶段；气体临界压力计算结果与实验结果虽有偏差，但可在一定程度上反映临界压力的真实水平.研究成果为深入认识水合物分解条件下海底黏土质斜坡的变形破坏机制，发展稳定性分析理论和评价方法提供有益参考.

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循环水槽多层孔板消波装置开发及消波特性数值模拟

丁俊杰，马宁，顾解忡

2020,54 (1): 52-59.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.007

摘要 ( 1149 )

PDF(4224KB) ( 621 )

基于k-ε湍流模型，在STAR-CCM+平台上建立数值波浪水池，开发透水式多层开孔板消波装置并研究其消波特性.波浪水池利用流体体积(Volume of Fluid, VOF)方法追踪自由液面，采用STAR-CCM+的VOF WAVE模块造波，出口边界设置阻尼消波区.通过对一系列指定波浪的模拟，验证了数值水池的准确性.改变波长、波高、水流的流速和方向，可得到消波装置在不同波流条件下的反射与透射系数.结果表明：反射系数和透射系数均随波长增加而增大；反射系数随波高增加而增大，透射系数随波高增加而减小；波流共同作用工况下，反射系数和透射系数远小于波浪单独作用工况；在模拟波流条件下，所开发的消波装置消波性能显著.

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基于改进质量源造波方法的非线性波数值模拟

马哲，周婷，孙家文，房克照，翟钢军

2020,54 (1): 60-68.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.008

摘要 ( 1127 )

PDF(1235KB) ( 510 )

传统的质量源造波方法在强非线性波浪模拟过程中精度不高，不同波况造波源区初始设置较为复杂, 针对这些问题本文提出了改进方法.考虑质量源区双向质量输出(横向和垂向)，改进质量源源强函数并进行理论推导；基于OpenFOAM开源程序开展网格和时间步长收敛性验证；讨论在不同相对水深以及不同非线性强度条件下，二阶Stokes波幅值和相位与文献中传统方法模拟结果的相对误差，并对孤立波的传播过程进行模拟分析.数值模拟结果表明，改进方法不仅能提高效率，而且能提高质量源造波在较强非线性范围的模拟精度，尤其在非线性强度参数为0.2时，波幅及相位误差相对于传统方法分别降低21.7%和46.5%.

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基于双时间窗的多设备串行系统机会维护策略

俞梦琦，史凯龙，周晓军

2020,54 (1): 69-75.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.009

摘要 ( 808 )

PDF(828KB) ( 326 )

针对多设备串行系统，提出一种基于双时间窗策略的机会维护决策模型，改变传统单窗策略中以达到单设备最优维护周期为系统停机条件这一决策方式，转而以此作为维护决策触发条件，进而基于维护组合时间窗确定最佳的维护设备组合，并引入维护时机时间窗优化系统的维护停机时刻.在此基础上，通过最小化系统在规划期内的维护总成本，获取系统的最优维护策略.算例分析表明，双窗策略在维护总成本方面优于单窗策略.

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基于超宽带技术的强制戒毒人员实时定位系统

孙铭阳，颜国正，刘大生，王志武，韩玎，赵凯，杨雷

2020,54 (1): 76-84.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.010

摘要 ( 1031 )

PDF(3240KB) ( 383 )

在戒毒所智能化管理的驱动下，基于超宽带技术，设计了一种应用于戒毒所的高精度测距定位系统，改进了原有紫蜂(ZigBee)和无线局域网(Wi-Fi)方法检测精度低的问题.分析测距的误差来源，做出相应的优化校正，并提出一种延迟参数的校准方法，进一步提升测距的精度和稳定性.该系统具有测距与定位两种功能，测距功能可以设置地理围栏以限制人员活动区域，定位功能可以实时监测人员位置.实验研究表明：修正后系统测距精度达到7cm，测距更新频率达到10Hz，定位精度提高至20cm，定位频率达到5Hz以上，可以更好地满足戒毒所定位系统的实时性和精确性的要求.

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双向循环荷载下的单桩基础累积侧向位移

胡安峰，肖志荣，江进华，付鹏，南博文

2020,54 (1): 85-91.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.011

摘要 ( 1019 )

PDF(1381KB) ( 552 )

针对软黏土地基中单桩基础在竖向和水平循环荷载下的累积侧向变形问题，建立基于双向循环受荷的软黏土刚度衰减模型.利用有限元软件Abaqus进行二次开发实现刚度衰减，通过数值模拟分析竖向和水平循环荷载耦合作用下单桩基础的累积侧向位移.结果表明，水平和竖向循环荷载耦合作用下，桩顶侧向位移相比于只受水平循环荷载时更大；存在最小水平循环荷载比，当水平循环荷载比小于该值时，桩基不会产生侧向位移累积；竖向循环荷载对桩基累积侧向变形的影响存在一临界值，小于该值时，对桩顶侧向位移的影响很小.

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节点本振误差对分布式发射波束形成性能的影响

袁丁,孙慧贤,闫云斌,全厚德

2020,54 (1): 92-99.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.012

摘要 ( 815 )

PDF(1220KB) ( 353 )

采用核密度估计方法，对存在本振误差时的分布式发射波束形成(DTBF)性能进行统计分析.考虑存在载波初始相位偏移、载波频率偏移、相位噪声等3个偏差项，推导了对应的任意阵平均波束图和互补累积分布函数的理论表达式，并选用衰减因子和波束图特征参数分析本振误差对远场波束性能影响.理论分析和模拟结果显示，本振误差会导致DTBF性能出现衰减，并使合成波束图的平均主瓣水平下降，主瓣变宽，旁瓣区域扩展，波束图出现高旁瓣.随着时间的增长，本振误差累积增大，所致性能衰减增大，聚集到目标方位的能量减少.

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平直条带流致振动特性实验及其数值模拟研究

张波涛，朱晔晨，梅勇，龚圣捷

2020,54 (1): 100-105.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.013

摘要 ( 1086 )

PDF(1979KB) ( 413 )

核反应堆内燃料组件受到高流速冷却剂的冲刷会产生流致振动现象，而燃料棒包壳和格架条带的振动将会导致燃料组件受到磨损，从而影响核电厂运行的安全性.为了研究格架条带流致振动的特性及分析方法，采用不带结构的不锈钢平直条带进行流致振动实验，并使用激光多普勒测振仪测量其在水流动条件下的振动特性.实验结果表明：当涡激振动频率在接近固有频率时会发生“锁定”现象；在特定流速区间内，涡激振动频率与流速呈线性关系；通过湿模态模拟方法可以较好地预测平直条带在水中的固有频率.

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基于灰色系统模型GM(1,1)改进Miner准则的液压支架底座疲劳寿命预测

王慧，井伟川，赵国超，金鑫

2020,54 (1): 106-110.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.01.014

摘要 ( 993 )

PDF(2738KB) ( 417 )

针对疲劳寿命预测中传统疲劳累积损伤准则(即Miner准则)存在误差较大的问题，为了提高固体充填液压支架疲劳寿命的预测精度和保证服役过程的安全可靠性，利用灰色系统模型GM(1,1)对传统Miner准则加以改进.以ZZC8800/20/38型六柱支撑式固体充填液压支架的底座为研究对象，基于ANSYS对危险工况下底座应力进行分析，同时结合疲劳试验对底座进行寿命预测.结果表明：相比传统Miner准则，改进Miner准则的预测精度提高了4032%，为固体充填液压支架疲劳寿命预测提供了一种有效的方法，对其安全服役具有一定的参考意义.

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