上海交通大学学报

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三叶片H型垂直轴风力机风振与减振研究

杨梦姚, 毛璐璐, 韩兆龙, 周岱, 雷航, 曹宇

2021,55 (4): 347-356.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.054

摘要 ( 1044 )

HTML ( 744 )

PDF(4944KB) ( 741 )

针对三叶片H型垂直轴风机风振与减振问题,基于计算流体动力学(CFD)方法,采用数值方法模拟获得风机在转动周期内的叶片风压分布.将风压力时程荷载施加于风力机叶片表面,分析风机结构风振响应.在风力机不同位置处分别布置阻尼器,并数值模拟阻尼器耗能减振能力.结果表明:在垂直轴风力机主轴与支杆连接处布置阻尼器可降低结构位移响应,总位移最大降幅达44%.阻尼器位置与结构位移降低率密切相关,在近风机叶片顶端连杆处布置阻尼器,结构最大位移发生在风机叶片底端.在近风机叶片底端连杆处布置阻尼器,最大位移则发生在风机叶片顶端,下降达40.7%.研究成果可为垂直轴风力机减振研究提供技术参考.

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带填充墙预制混凝土框架抗连续倒塌分析

张景博, 杨健, 王斐亮

2021,55 (4): 357-364.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.286

摘要 ( 717 )

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PDF(3705KB) ( 410 )

填充墙对预制混凝土(PC)框架的抗连续倒塌性能有显著影响,而现阶段缺乏对应的设计方法.为了得到可靠的抗连续倒塌计算方法,针对带填充墙PC框架的抗连续倒塌特性进行数值与解析分析.根据去除中柱后的无填充墙PC框架和带填充墙PC框架3∶1缩尺试验,考虑填充墙不对称分布下的中柱偏移,引入不对称系数,建立基于填充墙等效压杆的力学模型.利用有限元法,建立填充墙不对称分布情况下的子框架数值模型,分析得到中柱位移-荷载曲线.在此基础上,将解析解与无填充墙、双填充墙PC框架结构试验以及单填充墙PC框架结构数值结果进行对比验证,结果吻合良好.通过与现有规范中的设计方法对比发现:在考虑填充墙情况下,PC框架在悬链线峰值荷载时的位移增大,现有规范中建议的中柱位移为跨度的0.2倍适用于无填充墙预制框架,对于带填充墙的预制框架则偏于保守.研究结果为填充墙PC框架抗连续倒塌计算提供依据.

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波浪荷载对单桩承载力影响的水槽模拟试验研究

金小凯, 陈锦剑, 廖晨聪

2021,55 (4): 365-371.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.268

摘要 ( 802 )

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PDF(3396KB) ( 547 )

针对浅海环境下的单桩基础,在水槽试验室中建立砂土-桩基-波浪缩尺模型,进行波浪作用下单桩静载荷试验.测试桩周海床土孔隙水压力和不同荷载作用下的桩基沉降,分析在波浪荷载下单桩和海床土相互作用机理和单桩荷载沉降曲线特性,探讨不同桩径下桩周海床土超静孔压(p_s)对单桩竖向承载力的影响.结果表明:单桩的存在会增大桩周海床土p_s,同时减小桩底海床土p_s;桩径越大,桩周p_s越大.与无波浪影响的情况相比,波浪荷载作用下的单桩承载力较小,相同荷载水平下的桩顶沉降增加显著,且沉降增大的趋势在桩径较大时更明显.研究表明在海洋桩基的设计过程中要关注波浪荷载对桩基承载力的影响.

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三轴仪K₀系数测量与应力路径试验功能的研发

潘上, 刘谨豪, 张琪, 叶冠林

2021,55 (4): 372-379.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.296

摘要 ( 856 )

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上海交通大学自行研制组装的高精度小应变新型三轴仪(以下均简称为新三轴仪)采用了内置轴压三轴室,集成了程序自动控制的应力、应变式加载功能以及线性差动变压器(Linear Variable Differential Transformer, LVDT)测量小应变功能.本文在此基础上进一步进行拓展,使其具备了测量土样K₀系数和沿q-p(q为偏应力,p为平均主应力)应力空间任意方向进行应力路径剪切试验的功能.首先简要介绍三轴仪的研发历史,然后对K₀系数测量和应力路径试验两大新功能的控制程序算法进行详细说明,接着对上海深部软土进行K₀系数测量与应力路径试验并对结果进行简要分析,对新功能的可靠性进行了验证.所研发新三轴仪的经验可为土工仪器设备的研发提供参考.

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长期受荷桩极限承载力的预测

李镜培, 徐子涵

2021,55 (4): 380-386.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.348

摘要 ( 758 )

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为准确预测长期受荷桩的极限承载力,对桩基承载力时间效应经验公式的不足进行了探讨,并基于天然饱和黏土地基静压桩承载力时效性研究的理论成果,对经历长期受荷的旧桩承载力的影响因素进行了分析.在此基础上,采用相关研究机构的桩基承载试验数据开展分析,提出了考虑桩基承载力时间效应的静压桩极限承载力计算公式;提出了桩侧阻力时效系数γ,探讨了影响γ的一些关键因素,并基于试验数据提出了采用土体性质参数计算γ的方法.通过现场试验对本文方法的准确性进行了验证.研究结果表明:采用γ可对现行规范中单桩承载力计算公式进行修正,在保证安全性的前提下,获得更高的旧桩单桩承载力设计值;而γ则可采用不排水抗剪强度S_u 及塑性指数I_P进行预测.

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不同温度下的乙烯-三氟氯乙烯共聚物薄膜单轴拉伸试验

刘昶江, 赵兵, 陈务军

2021,55 (4): 387-393.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.317

摘要 ( 824 )

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对厚度为250 μm的乙烯-三氟氯乙烯共聚物(ECTFE) 薄膜进行了单轴拉伸试验,考虑了不同的低-高温度 (分别为-50、-40、-30、-20、-10、0、10、20、30、40、50、60、70及80 ℃) 效应,试件截取方向为机器方向.得到了ECTFE薄膜在不同温度下的拉伸应力-应变曲线,通过分析得到了弹性模量、屈服强度、屈服应变、冷拉应力、抗拉强度、断裂延伸率等力学参数及其随温度的变化规律.结果表明:随着温度的降低,应力-应变曲线整体向上抬升,屈服强度、拉伸强度、冷拉应力和弹性模量均增大,断裂延伸率和韧性均减小.在不同温度(-50~80 ℃)下,弹性模量的差值可达到93%,屈服强度的差值可达到89%,温度变化对ECTFE薄膜力学性能的影响显著.得出了主要力学参数和温度变化的拟合公式,可用于判断ECTFE薄膜在不同温度下的力学性能.

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铝合金带筋构件超声辅助旋压仿真研究

李晓凯, 赵亦希, 于忠奇, 朱宝行, 崔峻辉

2021,55 (4): 394-402.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.263

摘要 ( 637 )

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PDF(14149KB) ( 419 )

流动旋压工艺有利于实现带筋构件整体成形,但是所能成形的内筋高度受限.将超声辅助方法引入流动旋压工艺,可以提高内筋高度.开展了超声辅助单拉和压缩试验,建立了考虑声软化效应的2219-O铝合金硬化方程,并分析超声加载后的减摩擦效应,基于Abaqus软件平台建立了超声辅助铝合金带筋构件旋压仿真模型.仿真结果表明:超声振动辅助可以降低材料的变形抗力,改善筋部不同方向的材料流动,引导内筋附近材料流入筋槽,从而提高内筋高度,当振幅达到12μm时,内筋高度可以提高1/3.

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方柱跨声速流动中的剪切层和尾迹特性

许常悦, 郑静, 王哲, 王彬

2021,55 (4): 403-411.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.299

摘要 ( 660 )

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PDF(8876KB) ( 445 )

采用尺度自适应模拟(SAS)方法研究了来流马赫数Ma为0.71、雷诺数Re为4×10⁵的方柱跨声速绕流,并对分离剪切层和尾迹特性进行了深入分析.为了验证SAS方法的可靠性,将SAS结果与已有数值和实验结果进行了对比.在当前的跨声速流场中,剪切层中的对流马赫数约为0.6,这意味着Kelvin-Helmholtz不稳定性主导剪切层的初始阶段演化.在剪切层的初始阶段,可以看出扰动涡沿展向呈现滚筒状结构.剪切层外侧附近和方柱的回流区均出现倍频现象,这与剪切层中存在明显的涡合并有关.压力场的本征正交分解表明,方柱跨声速流场中的主导流动模态为反对称模态,这与尾迹中的涡脱落现象和剪切层引起的压缩波传播有关.

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线性层结环境和浸没式植被对斜坡异重流运动的影响

刘雅钰, 林颖典, 袁野平, 贺治国

2021,55 (4): 412-420.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.228

摘要 ( 697 )

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PDF(3512KB) ( 286 )

开展一系列开闸式斜坡异重流水槽实验,分析线性层结和均匀水体中斜坡异重流遭遇刚性植被群的发展和演变特性.采用彩色数码相机记录异重流发展过程,并利用粒子图像测速技术(PIV)获取局部流场结构.结果表明:对于有植被工况,异重流的头部速度可分为加速、减速、二次加速及二次减速4个阶段.各阶段之间的转变位置随层结度增大而前移,但受植被密度影响不明显.在层结环境中,受植被群影响,异重流会出现“首次分离-前进-二次分离”现象.植被群削弱异重流涡度场的发展,随植被密度增大,该差异愈加显著.层结水体和植被群均会抑制异重流涡度场的发展,其中层结水体的抑制作用更强.

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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

2021,55 (4): 421-433.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.329

摘要 ( 948 )

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PDF(1839KB) ( 565 )

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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工业余热回收的耦合压缩-吸收式高温热泵循环

安美燕, 赵心蕊, 徐震原, 王如竹

2021,55 (4): 434-443.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.023

摘要 ( 1169 )

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PDF(1257KB) ( 816 )

针对常规吸收式热泵和压缩式热泵无法兼顾温升与效率的问题,本文提出采用热耦合压缩-吸收式热泵来达到高效高温输出的目的,并根据不同场景需求构建大温升型循环和高温输出型循环.采用R245fa和溴化锂-水溶液作为工质,针对100 ℃以上输出温度,利用Aspen Plus软件建立数学模型并对循环性能进行计算.研究结果显示:在采用大温升型循环回收30~40 ℃余热时,循环最优能效比(COP)可以达到2.58以上;在采用高温输出型循环回收60~70 ℃余热时,循环最优COP可以达到2.83;两种新循环在温升、输出温度和效率上比R245fa压缩式循环均有明显提升.

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考虑给水泄漏的锅炉升负荷仿真及其可靠性

倪何, 覃海波, 郑奕杨

2021,55 (4): 444-454.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.033

摘要 ( 637 )

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PDF(1696KB) ( 457 )

针对常规蒸汽动力系统在锅炉升负荷过程中,由于给水卸载管路泄漏导致的锅炉失水和泵汽蚀问题,采用基于残差修正的差异演化算法辨识获得增压泵和给水泵各级叶轮的扬程-流量-转速模型,采用机理建模方法建立给水系统管路和阀门的流量-阻力模型、工质参数计算模型以及给水卸载调节阀的性能退化模型.在此基础上,对锅炉升负荷过程进行了仿真研究,获得了给水系统主要参数在不同给水卸载流量下的变化情况,发现给水卸载管路调节阀的性能退化是导致锅炉升负荷过程中锅炉失水和泵汽蚀的主要原因之一.为进一步明确给水系统的性能可靠性随工作时间的退化规律,采用数学模型与Monte Carlo随机抽样的联合仿真方法,对某型船用给水系统在锅炉升负荷过程的性能可靠性进行了仿真研究,获得了该型锅炉在总体性能可靠度变化和给水卸载管路调节阀的性能可靠寿命.研究成果揭示了一种蒸汽动力系统特有故障的故障机制及其退化规律,具有一定的理论创新和工程应用价值.

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微结构梯度能表面振动液滴的运动特性

熊雪娇, 贾志海, 邓勇, 费媛媛

2021,55 (4): 455-461.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.079

摘要 ( 751 )

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以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基底,采用光刻技术制备微方柱结构的梯度能表面,采用高速摄影仪对微方柱结构梯度能表面振动液滴的动力学特性进行研究,分析微方柱结构梯度能表面的几何参数对振动液滴运动特征的影响.研究发现:当对微方柱结构梯度能表面施加一定频率的振动,且振幅达到一定阈值后,液滴会产生蠕动,且随着振幅的增加,从面积分数较大的地方向面积分数较小的方向运动.在相同的振动频率下,液滴的运动加速度随着振幅的增大而逐渐减小.同时,相对于面积分数较小的区域,在面积分数较大的区域内,液滴运动的平均加速度较小;在面积分数较大的区域,湿接触直径变化的范围更大.运用力学和表面物理化学理论建立模型,分析表面微观结构对液滴运动特性的影响.

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基于光流法和深度学习的燃气火焰稳定性

王宇, 余岳峰, 朱小磊, 张忠孝

2021,55 (4): 462-470.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.111

摘要 ( 862 )

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PDF(8629KB) ( 665 )

结合光流法和深度学习对燃气火焰稳定性进行了研究.采用光流法直接计算出火焰图像的光流矢量,观察火焰在二维图像中的脉动情况,并提出光流脉动评价模型,可以评估火焰的燃烧稳定性.此外,搭建基于VGG-Nets的深度卷积神经网络模型,在ImageNet预训练权重上进行微调,结合火焰静态与动态特征,实现了对五种典型燃烧状态的分类与识别.结果表明:该方法对火焰的不同燃烧状态具有很好的判断能力,对不稳定燃烧的火焰识别率很高.

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基于激光点热源非稳态传热模型测固体材料热物性参数

陈清华, 高伟, 苏国用, 关维娟, 秦汝祥, 季家东, 马杨斌

2021,55 (4): 471-479.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.99.013

摘要 ( 835 )

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PDF(1402KB) ( 565 )

提出一种基于激光点热源非稳态传热模型测各向同性固体材料热物性参数的新方法.引入镜像热源理论修正绝热边界对测点温升的影响,建立数学模型,利用数值解法结合计算机编程计算材料导热系数和热扩散率,并研制了热物性测试系统.利用真空泵获得试样容器内的低真空环境,由激光发生器发射激光束加热试样一角,温度传感器测量试样上表面温度,通过无线信号发射单元监测温度变化情况.对硼硅玻璃(Pyrex7740)、大理石、硅藻土耐火砖、硅砖和锆质砖进行热物性综合测试.结果表明:前4种导热系数相对较低的试样的测试值与参考值的相对偏差最大不超过2.76%,测试精度较高.导热系数相对较大的锆质砖的测试值与参考值的相对偏差达到了6.38%,测试精度较低.测试系统不确定度分析也表明,被测试样导热系数越大,测试值与真值间的可信度越低,本装置更适用于导热系数小于3.0W/(m·K)的固体材料.

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基于马尔科夫决策过程的带缓存双机系统不完美维护策略

田雪雁, 王孟雅, 潘尔顺

2021,55 (4): 480-488.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.270

摘要 ( 795 )

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为有效解决退化系统的设备维护优化问题,对带缓存双机系统的预防性维护策略进行研究.首先,考虑两设备的随机退化,针对不完美的小修和预防性维护,通过马尔科夫过程描述系统状态.然后,基于收入和成本,建立生产系统的利润模型.最后,通过最大化长期期望利润,确定不同系统状态下的预防性维护决策.采用值迭代方法对模型进行求解,数值分析结果表明,设备的维护决策不仅取决于自身状态,还受其他设备状态和缓存量的影响.

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