高超声速空气动力学研究进展与趋势

高超声速空气动力学是空气动力学研究的前沿,它随着现代高超声速飞行器的发展需求而发展.未来高超声速空气动力学的发展趋势可大致概括为:重视物理建模、预测的精细化;重视实用的高性能计算、海量信息的提取和理解;重视飞行器与流动的非定常、非线性的耦合运动及控制研究;重视多目标/多学科优化设计、发展新的交缘学科.建议学科重点发展方向为:高温气体、化学非平衡效应与材料耦合响应的物理建模;临近空间飞行器跨流域复杂非平衡绕流问题的数值模拟;高速飞行器动稳定性与控制;实用高性能计算方法与海量信息的提取;气动数据不确定度与多目标优化;多物理场耦合、多尺度数值模拟方法.     

高超声速飞行器壁板颤振研究取得新进展

壁板颤振一般是指高速气流中的飞行器表面壁板结构发生的一种自激振动现象,具有3个特点:(1)它是一种典型的超声速/高超音速现象;(2)气流的作用仅发生在壁板的一侧表面;(3)振动的振幅一般受到结构非线性的限制,因此壁板颤振通常不会引发迅速的破坏,而更多的是造成结构的疲劳损伤.虽然壁板颤振不像机翼颤振那样,     

热声振荡器的二端口网络模型及起振条件

热声发动机的起振过程是发生在非均匀声介质中的自激振荡过程, 揭示各影响因素之间的耦合关系是热声学基础研究的重要课题. 将热声发动机视为由主动网络与被动网络组成的热声振荡器. 相应地, 推导了组件对应的二端口Y参数, 采用负阻模型和反馈模型分别描述了驻波和行波热声发动机, 并给出了对应的二端口网络拓扑, 应用Nyquist失稳判据获得了热声振荡器的起振条件. 模型预测的起振参数, 特别是起振频率及模态特征与文献实验报道相符; 此外, 通过拓扑图论证了驻波热声发动机起振于负阻状态、热声——斯特林发动机存在高频模态. 该方法通过考察热声系统的频域响应, 实现了以解析方式反映发动机运行参数和系统结构对起振模态、起振温度的影响; 能避免使用经验频率设计热声系统, 在系统设计阶段提供热稳定性校核的途径.     

一种新的高效高精度隐式矢通量差分方法

现代流体机械都向着高效率方向发展,航空发动机、工业燃气轮机、蒸汽轮机等现代原动机还不断提高功率,因而必然会对其通流部分的设计提出更高的要求。而其内部流动结构极为复杂,有二次流、边界层的发展转捩现象、分离、再附以及级间的干涉等等,现代叶栅还有部分工作在亚音、部分工作在超音的跨音流动状态。因此对流场的研究、设计应从两方面着手,一是粘性绕流问题;另一是内部的跨音流动。     

大洋经向翻转环流的多空间尺度变率

利用全球海气耦合模式的模拟结果, 指出大洋经向翻转环流(MOC)存在多空间尺度的变率模态, 它或是表现为全海盆尺度的振荡, 翻转环流在整个大西洋经向海盆范围内发生协调一致的强度变化, 跨赤道流动强; 或是表现为局地尺度的MOC振荡, 主要限于北大西洋的局部, 跨赤道流动较弱. 此前研究多强调MOC多平衡态转换的古气候意义, 结果提醒我们, 即使在年际到年代际尺度上, 也应关注MOC变化的空间特征, 不同空间尺度上的MOC变化的气候意义不同, 简单地利用北大西洋范围内经向输送的最大值不能合理反映MOC变化的空间特征.     

有限容积法与格子Boltzmann方法耦合模拟传热流动问题

自然界和工程领域中的许多物理现象的发生通常涵盖几个数量级的几何空间及时间范围, 我们将其统称为多尺度物理现象. 在模拟多尺度问题时, 如果仅采用宏观方法, 则会存在一些不足, 如无法预知微小部分的细节以及引入复杂的经验关联式; 如果仅采用介观/微观方法, 则需要消耗大量的计算资源. 构造宏观-介观、宏观-微观、宏观-介观-微观等多种层次上方法的耦合体系, 可以在很大程度上克服这些不足. 构造了宏观有限容积法(FVM)与介观格子Boltzmann方法(LBM)的耦合模型(CFVLBM), 给出了由宏观物理量重构密度分布函数和温度分布函数的两个重构算子, 解决了LBM与宏观方法耦合的关键难题. 选取二维、三维典型传热流动问题对耦合模型进行了考核, 计算结果同基准解符合得很好. 最后将CFVLBM应用于计算多孔介质内的复杂流动问题. 研究表明, 基于文中重构算子的CFVLBM可以准确有效地应用于模拟传热流动问题.     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

中国大学关系的复杂网络

采用14个参量描述大学状态,这些状态间的余弦距离定量描述各大学之间的相似性,得到最小生成树.每个大学与最相似的若干大学连接,得到描述大学关系的复杂网络.度、介数、紧密度和社区结果等拓扑概念用于讨论这些网络的非平凡结构特点.中国大学(不含港澳台地区院校)划分为12个社区,每个社区内度最大的节点作为社区标志,而社区间邻接的介数最大的点作为边界.发现边界是排名在前列的具有强竞争力的高校,表明"综合化"是大学提高竞争力的努力方向.紧密度小的边界和各社区标志大学可作为中国大学代表,可供综合评价大学教育体系参考.     

管内电缆导体结构模拟设计优化模型

针对管内电缆导体(Cable-in-Conduit Conductor, CICC)设计中的复杂性问题, 提出了基于 稳定性和应变作用的导体模拟设计模型, 研究了应变对临界电流密度影响的量化效果, 建立了 耦合损耗等多变量制约的超导导体结构设计数学规划方法, 获得优化后的合理导体结构. 并将 数值模拟设计的CICC 导体与KSTAR(Korean Superconducting Tokamak Advanced Research)工程 设计进行了比较和分析, 结果显示二者吻合较好.     

压力作用下Cassie状态的热力学稳定性

维持Cassie状态在压力作用下的稳定性在超疏水材料的实际应用中极其重要.通过将超疏水界面中的液-气界面部分规范为具有自适应性的曲面,建立了柱状阵列微结构的超疏水界面模型,研究了压力作用下Cassie状态的热力学稳定性.结果表明,由于微凸起结构之间悬挂液面能量的不同,Cassie状态有基态、低能态和高能态3种形式;压力驱动Cassie状态由基态向高能态转变过程中界面能量的升高会形成界面能量势垒,这一能量势垒决定了Cassie状态的热力学稳定性并阻碍Cassie状态向过渡态转变.界面能量势垒由前进接触角和界面中固-液接触面积分数决定,因此低表面能物质、分级结构、较低的固-液接触面积分数均可提高界面能量势垒,维持Cassie状态的稳定性.细化微结构尺寸能够降低Cassie状态的界面自由能,从而避免高能Cassie状态的出现和崩溃.     

湍流中的多态现象

湍流是自然界最普遍的流动现象之一,被称为是经典力学中最后的难题之一.经典的湍流理论都假设湍流是各态遍历的,也就是说虽然瞬时流场的性质可能受初始流场影响很大,但是其统计平均量却是不依赖于初始流场的.各态遍历理论是湍流理论与建模的基础.然而,近些年一些实验和数值模拟的结果表明:部分湍流问题里存在多湍流态现象,即在同一组参数下可能存在不唯一的统计结果和流动结构.本文回顾已经报道过多态现象的Rayleigh-Bénard对流(Rayleigh-Bénardconvection,RBC)、 vonKármán流动(vonKármánflow,VKF)、Taylor-Couette流动(Taylor-Couette flow, TCF)、球形Couette流动(spherical Couette flow, SCF)、Taylor-Green驱动下的旋转湍流(rotating homogeneous turbulence with Taylor-Green forcing, TGF)以及作者研究的展向旋转平板Couette流动(rotating plane Couette flows, RPCF).在每个问题上,都将一一介绍流动问题的定义、多态现象出现的条件、形态等.在这些多湍流态问题里,有一些流动是由于不同的初始流场引起的不同流态(例如VKF,TCF,SCF,TGF和RPCF);而另一些流动则是在同一种初始条件下,随着时间的推移,流动会在不同流态之间自发切换(例如RBC).最后,还对湍流中的多态问题展开一些讨论和展望.     

模拟运动流体中柔性体耦合振动的数值方法

介绍了一种模拟流体诱发柔性体运动的数值方法. 该方法采用二维面元法计算流体作用力, 用模态叠加法求解欧拉梁的运动控制方程, 通过迭代来求解流固耦合问题. 利用该方法模拟了单个以及两个并行、串行排列的柔性梁在运动流体中的耦合运动. 计算结果表明, 均匀来流中单个柔性梁的稳定边界和流体诱发振动都与前人结果一致. 对于两并行排列的柔性体, 当无量纲间距H<0.25时, 两柔性体同向摆动; H>0.25时, 两柔性体反向摆动, 并且摆动频率在模式转换时发生突变; 当间距很大时(H>1.0), 两并排柔性体之间的耦合作用明显变弱, 两个物体运动呈解耦状态, 各自按照单个柔性梁在来流中的运动形态运动. 相同均匀来流中两串行柔性梁的数值模拟结果显示, 当排列间距很小时, 上游物体受到的阻力减小, 下游物体阻力增大. 本文计算的所有结果都与前人实验结果定性一致, 证明本文提出的方法可以用来模拟不同方式排列的多个柔性体在流体中的耦合运动.     

三角形钢管拱桁架在脉冲载荷作用下的动力稳定性

本文研究单榀拱桁架在三角形脉冲载荷作用下的动力稳定性.采用ANSYS/LS-DYNA有限元动力分析程序对某娱乐场112m跨单榀拱桁架进行了数值模拟计算,计算中同时考虑几何非线性和材料非线性效应.并研究了矢跨比和桁架高度对结构动力稳定性的影响.     

微结构疏水表面振动液滴的动态特性

以聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料为基底,采用光刻技术制备了微方柱状疏水表面,研究了垂直振动作用下,液滴在疏水表面的Wenzel-Cassie状态转变特性.研究表明,在某一振动频率下,随着振幅逐渐增大,不同体积液滴均能实现Wenzel-Cassie状态转变;当施加的振动频率接近某一体积液滴固有频率时,由于该液滴与振动平面发生共振,液滴发生浸润状态转变所需能量最小;该频率下其他体积液滴虽也可以实现浸润状态转变,但由于所施加振动频率偏离其固有频率,液滴发生浸润转变所需能量并非最小;振动频率偏离其固有频率越远,所需能量越大.结合表面物理化学和振动力学对该现象进行了理论分析.     

Rayleigh-Bénard热对流的动理论分析

利用基于分子动理论的直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法, 研究了Rayleigh-Bénard问题. 计算中, 上下平板表面温度之比固定为0.1. Kn = 0.01时, 随着Ra数的增大, 大约在1700附近, 流动从热传导状态转变为热对流状态, DSMC计算得到的下平板热流与Ra数的关系与经典实验和理论结果相符. Kn = 0.05时, 流动保持稳定的热传导状态, Ra数的增大并不能引发热对流现象.     

干细胞处于所有癌症的中心吗?

干细胞和癌细胞是细胞众多状态中的一部分,这个事实说明干细胞不会处于所有癌症的中心,但会是癌症发生发展的一个重要因素.近年来更多的生物实验研究和医学临床观察也充分支持这个结论.干细胞与癌症的关系是关于细胞形态维持与转化——生物的中心问题之一.通过分析干细胞和癌症在3种层次-现象、分子生物标志、系统生物机理-中的关系,21世纪内发展起来的内源性网络理论可以作为一个全新的、综合性的思考平台.它能定量地刻画细胞状态的稳定性和相互转化的动态路径,把遗传和表观遗传现象的描述统一在同一个理论中,能更好地理解目前对这个问题研究的热潮下的生物学意义并能在理论和计算上帮助它向前推进.所有这些进展都指向一个可能:革命性的突破就在我们眼前.     

Rayleigh-Bénard热对流的动理论分析

利用基于分子动理论的直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法,研究了Rayleigh-Bénard问题.计算中,上下平板表面温度之比固定为0.1.Kn=0.01时,随着Ra数的增大,大约在1700附近,流动从热传导状态转变为热对流状态,DSMC计算得到的下平板热流与Ra数的关系与经典实验和理论结果相符.Kn=0.05时,流动保持稳定的热传导状态,Ra数的增大并不能引发热对流现象。     

基于超临界状态的癫痫发生机制——癫痫病人海马脑片光学记录数据的计算机仿真模型

许多复杂系统的行为可分为亚临界、临界和超临界三种状态,在正常情况下,这些系统都自然地朝着临界状态进化,然而一旦运行机制发生突变,系统可能进入超临界状态并持续爆发大规模的“雪崩”现象.癫痫是以反复发作的阵发性神经性行为表现为特征的脑功能失调,其原因是大群神经元     

利用双流体模型研究柴油高压喷嘴内部的空化流动

利用双流体模型对一单孔柴油喷嘴内部复杂的空化流动进行数值模拟, 并分别考察进口压力恒定和进口压力瞬变这两种不同的边界条件所对应的空化过程及流动特征. 模型预测的结果与文献中已有的实验结果吻合较好. 通过数值分析发现, 超空化的出现引起了流场结构及出流条件的显著改变, 超空流状态下的液相湍动能分布特征和喷孔出口速度类型有利于柴油射流的一次雾化过程. 此外, 喷孔上游的压力波动对空化过程有着重大的影响, 无论是部分空化还是超空化都会随着上游压力的急剧升高或降低而表现出不稳定的特性.     

液态泡沫强制渗流波叠加现象及其能量分析

液态泡沫是大量气泡密集堆积在微量表面活性剂溶液中形成的复杂体系, 探讨其稳定性是近 20 年来泡沫物理研究的重点, 其中渗流(亦即内部微量溶液的流动)对泡沫稳定性的影响已得到深入研究. 基于前期泡沫结构、渗流力学和能量分析等一系列工作, 数值模拟了一维多重渗流波的传播和重叠现象, 发现了波速的线性叠加规律, 这是液态泡沫强制渗流所特有的; 理论分析了渗流波重叠前后黏性耗散和表面能的变化.