好文荐读 |《力学学报（英文版）》2022年精选文章

期刊：Acta Mechanica Sinica

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    1.轴压筒壳屈曲载荷折减因子评估方法的最新进展

Knockdown factor of buckling load for axially compressed cylindrical shells: state of the art and new perspectives

王博，郝鹏，马祥涛，田阔

薄壁筒壳结构作为航空航天的主承力构件，在轴压载荷下易发生屈曲失稳，并且对几何缺陷表现为强敏感性。尽管经过数十年的研究，精准地预测几何缺陷影响下轴压筒壳的折减因子仍是一个非常具有挑战的科学难题。直至现在，NASA 20世纪提出航天薄壁轴压筒壳折减因子下限设计准则SP-8007仍被广泛使用，随着制造工艺的进步和发展，SP-8007已经被证明过于保守。近年来，学者们基于数值方法和实验技术发展了一系列折减因子的确定方法，本文对这些方法进行了全面综述，其中作者提出的多点最不利扰动载荷法(WMPLA)是最具代表性的方法之一，其以合理的方式有效地降低了传统折减因子预测方法的保守程度。另外，本文还基于搜集的1990~2020年轴压筒壳屈曲实验数据，对原始的折减因子下限准则曲线进行了改进。可以发现，相比于原始的SP-8007准则，新折减因子准则曲线整体上提升了0.1~0.3，并且使用WMPLA预测的折减因子非常接近于新准则曲线的边界。本文的研究工作有助于新一代轴压筒壳设计准则的建立，并可服务于大直径航天运载器主承力薄壁结构的轻量化设计。

    2.大深度三层流体中的海洋内孤立波

Oceanic internal solitary waves in three-layer fluids of great depth

王梓安，王展，袁春鑫

本文致力于研究深海非线性内波。将海洋抽象为由三种流体构成的具有稳定密度层结的系统。基于无旋流动的Ablowitz-Fokas-Musslimani公式，我们对“浅水-浅水-深水”和“深水-浅水-深水”两种情形建立新的强非线性和弱非线性模型，并详细比较了不同模型中内孤立波波形及“速度-振幅”的全局分叉图。对于“浅水-浅水-深水”情形，可以获得一模态和二模态两种类型的内孤立波，并且在二模态内波中观察到脉冲展宽现象及其极限形态—共轭流。然而对于“深水-浅水-深水”情形，只能得到二模态内孤立波。基于MITgcm求解原始方程，我们证实了深海中二模态内波的存在性和稳定性。

    3.分支拓扑DNA链上分子马达的协调运动

Coordinated motion of molecular motors on DNA chains with branch topology

鲁頔，陈彬

为理解整合了DNA马达的响应性DNA水凝胶的宏观力学行为，文章在分子水平上构建了单个FtsKC在单个DNA链上的易位过程状态图，并进一步研究了具有不同分支拓扑的DNA链上单个或多个FtsKC马达的运动。研究表明，多个FtsKC马达可以协调运动，这主要是由于单个FtsKC马达的力响应行为。文章进一步指出FtsKC马达结合特定分支拓扑的DNA链作为水凝胶中的应变传感器的潜在应用。

    4.具有界面效应的复合材料细观力学具有界面效应的复合材料细观力学

Micromechanics of composites with interface effects

段慧玲，王建祥，黄筑平

复合材料中存在界面，这些界面极大地影响了复合材料的力学和传导性能。复合材料中界面的弹性与传导特性通常通过三种界面模型进行表征。对于弹性问题，这三种界面模型分别是界面应力模型（interface stress model，ISM）、线性弹簧模型（linear spring model，LSM）和界面相模型。对于传导问题，这三种界面模型分别是高传导（high conducting，HC）界面模型、低传导（low conducting，LC）界面模型和界面相模型。具有界面效应的弹性问题又可以分为两类。第一类弹性问题涉及边值问题的求解，旨在预测具有界面效应的复合材料等效性能；第二种弹性问题涉及表面/界面应力对纳米结构材料弹性性能的影响，通常以界面应力模型进行表征。本文首先回顾了具有界面效应的弹性问题的三个方面，即三种界面模型之间的等价关系，Eshelby体系和细观力学框架。本文着重以界面应力模型为例，展示了如何通过将界面弹性补充到经典弹性问题的基本方程中，将经典理论框架扩展到纳米尺度。然后，还回顾了具有界面效应的复合材料的传导问题，并给出了预测复合材料等效传导性能的一般框架。论文的最后还讨论了用于描述复合材料与尺寸相关的弹性和传导性能的标度律。

    5.商业锂电池充电倍率与循环寿命的标度律

The scaling of charging rate and cycle number of commercial batteries

温济慈，邹庆荣，张泽卉，石坚，魏宇杰

商用锂电池的健康管理目前存在大量亟待解决的问题，其中循环寿命的有效预测是电池管理系统的核心目标。本文通过利用商业锂电池不同快充倍率下循环寿命的实验结果，发现并提出了锂电池等效快充倍率c与循环寿命N之间的标度律关系，c = c0Nb (即c-N准则), 其中c0表示电极材料极限充电倍率，b是与电池材料相关的常数。这一c-N准则。类似于固体材料疲劳中所周知的S-N曲线，适用于不同类型的商业锂电池，并通过已有的文献数据获得了验证。结合c-N准则和机器学习方法，我们发展了一种物理增强的机器学习模型，基于前面提出的c-N准则，使用首圈的充放电测试即可实现对电池循环寿命的高精度预测。这一工作为锂电池循环寿命预测、健康管理和锂电池的优化提供了基于力学原理的新思路。

    6.飞机进气道中激波边界层干扰引起噪音的数值模拟

Numerical simulation of noise generated by shock (wave) and boundary layer interaction in aero-engine inlet

戴袁鋆，安亦然，李植，张群峰

我们采用非线性声学求解器（NLAS）和Ffowcs-Williams/Hawkings（FW-H）方程对飞机进气道中由激波边界层干扰产生的噪音进行了数值研究。一个关于激波边界层干扰的标模问题用于验证流场特征，数值结果与实验结果有很好的一致性。在模拟激波边界层干扰产生噪音的过程中，我们成功的观察到了喘振现象。正激波的震荡是一种小喘振，而内激波的震荡是一种大喘振，频率大约为100 Hz。远场噪音频谱表明远场噪音的主导频率与内激波震荡的频率很接近，这说明，内激波震荡决定了远场噪音的总声压级的量级。

    7.宽工况范围下的湍流燃烧速度预测模型

Modeling of the turbulent burning velocity for planar and Bunsen flames over a wide range of conditions

本文提出并验证了一种适用于宽工况范围的湍流燃烧速度模型。该模型具有显式表达式，可用于湍流燃烧理论分析和模型构建。模型主要由拉伸因子与湍流火焰面积两部分构成。拉伸因子描述了湍流拉伸导致的局部火焰速度变化。基于层流火焰的建表方法使拉伸因子模型能够考虑实际化学和输运特性的影响。火焰面积模型根据自传播面的拉格朗日统计信息刻画了湍流火焰面的增长规律，并考虑了湍流长度尺度和燃料特性的影响。模型参数主要由流动及火焰参数、通用常数和层流火焰结果查表得到，最后应用统一公式预测宽工况条件下的湍流燃烧速度变化。本文应用宽工况范围下的自由传播平面火焰与本生灯火焰直接数值模拟和实验数据对模型开展评估与验证。数据涵盖氢气至正十二烷等不同燃料、1–30个大气压、贫燃至富燃等不同当量比、湍流脉动速度与层流火焰速度比0.1–177.6，湍流积分长度尺度与层流火焰厚度比0.5–66.7等条件下的共490个湍流燃烧工况。对比不同工况的实验和模拟数据,模型预测的平均误差为28.1%。相较其他现有模型，该模型能正确描述不同燃料在宽工况范围下湍流燃烧速度变化趋势的差异。

    8.旋转振荡板的尾流脱落模式

Modes of vortex shedding from a rotary oscillating plate

严亮亮，潘家炜，邵传平

在风洞中采用烟线流动显示和热线测量方法对弦厚比B/H = 3.0的二维旋转振荡矩形板尾流进行了实验研究，研究的雷诺数Re = 1500，振幅范围和折算频率范围分别为α = 2.5°~50°和f_eH/V_∞ = 0.02~0.25，其中f_e为振频，V_∞ 为来流速度。发现了6种同步旋涡脱落模式，其中包括3种新的模式: 3P模式，一个振荡周期内有三对转向相反的旋涡脱落；2S₂模式, 一个周期内每侧各有一个同向涡对脱落；T模式，一个周期内有三个涡脱落。找出了每个旋涡模式的存在区域，并在振频-振幅平面上画出了模式区域图。进行了数值模拟，一些典型状态下所模拟的涡量场、速度剖面和尾流宽度，均与实验结果对比而得到了验证。当振频较高时，惯性力中线性的当地非定常项起决定作用，模拟的扭转力矩是板旋转位移和旋转角速度的线性函数. 然而当振频较低时，在不同振幅下分别存在2T、3P和2S₂模式旋涡脱落，惯性力中的非线性对流项起主要作用，模拟的脉动力矩偏离Scanlan公式。数值模拟数据的统计结果显示，脉动力矩均方根值是单参数η = αf_eH/V_∞的指数函数。

    9.湍流减阻中的沟槽面顶部尖锐度研究

王义乾，黄懿，符松

一般而言，在利用沟槽面进行湍流减阻中，其顶部越尖锐，湍流减阻效果往往越好。但尖锐的顶部不利于沟槽面的制造生产，并且容易受到顶部磨损的影响。本研究发现对于所提出的由两个三次多项式函数光滑连接构成的曲面沟槽，尽管其顶部不如具有同样高宽比的三角形沟槽尖锐，但其突出高度却大于三角形沟槽，进而有更高的预估减阻率。同时，该曲面沟槽对于顶部磨损相对不敏感，并且在所考虑的磨损后，其性能优于相应的抛物线型沟槽。利用这类曲面沟槽，我们发现了两种决定突出高度的作用机制，一是在粘性极限的谷曲率，另一个是在沟槽无限深极限的顶部曲率，而相关研究中用到沟槽的突出高度都是由这两种机制共同决定。针对该曲面沟槽，利用直接数值模拟技术对宽度为s+= 20和s+= 60 时的边界层转捩问题进行了数值仿真，发现与无控制下流动相比，s+= 20 算例不仅在湍流段有与预估相符的7.8%减阻率，并且使转捩得到了推迟，而s+ = 60算例在湍流段有增阻效果，并且使转捩提前发生。通过对比两个算例中沟槽面的阻力分布以及瞬时流场结构，发现两者高阻力区域和低阻力区域面积基本相同，并且在沟槽顶部反而是减阻算例的阻力系数大，而在沟槽底部减阻算例的阻力系数要远远小于增阻算例，即增阻效果主要来源于沟槽底部的低阻力区。以上研究表明，沟槽顶部过于尖锐而导致的难以加工、易受磨损等问题，可以通过合理的设计沟槽形状得到缓和。

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