Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2015 Vol.16 No.11 P.851-934

<<< CONTENTS >>>

Mechanical Engineering

Fluid flow analysis of drooping phenomena in pump mode for a given guide vane setting of a pump-turbine model

De-you Li, Ru-zhi Gong, Hong-jie Wang, Wen-wen Fu, Xian-zhu Wei, Zhan-sheng Liu

DOI: 10.1631/jzus.A1500087 Downloaded: 2717 Clicked: 5767 Cited: 4 Commented: 0(p.851-863) <Full Text> <PPT> 1903

Chinese summary <32> 給定活動導葉開(kāi)口水泵水輪機模型泵工(gōng)況駝峰現象流動分(fēn)析

目的：探索水泵水輪機泵工(gōng)況在超負荷工(gōng)況（1.24φ_BEP）、最優工(gōng)況（1.00φ_BEP）、靠近最優工(gōng)況（0.90φ_BEP）、駝峰區工(gōng)況（0.65φ_BEP）以及低負荷工(gōng)況（0.45φ_BEP）的流動特性，期望獲得流動特性變化規律，揭示駝峰特性形成機理。
方法：對某一(yī)水泵水輪機模型，采用剪切壓力傳輸(SST) k-ω湍流模型進行三維定常數值模拟，在實驗驗證的基礎上：1. 在曲面坐标系中(zhōng)，分(fēn)析由葉片形狀所引起的各個工(gōng)況葉片進出口邊在周向和葉片方向上的分(fēn)布規律；2. 運用經典歐拉理論分(fēn)析葉片進出口邊液流角變化對各個工(gōng)況的歐拉水頭的影響；3. 通過水力損失分(fēn)析，獲得不同部件各個工(gōng)況損失變化規律。
結論：1. 轉輪葉片進出水邊的液流角随着葉片方向在不同流量工(gōng)況分(fēn)布下(xià)具有明顯差異，導緻轉輪流道不同程度流動分(fēn)離(lí)；2. 運用經典歐拉理論得出駝峰區工(gōng)況點出口角液流的減小(xiǎo)與入口液流的增加是駝峰特性産生(shēng)的主要原因之一(yī)；3. 通過損失分(fēn)析，确定泵工(gōng)況損失主要在轉輪和雙列葉栅中(zhōng)，得出轉輪部分(fēn)損失是駝峰特性形成的主要原因之一(yī)；4. 綜合分(fēn)析，駝峰特性是由該工(gōng)況歐拉動量的減小(xiǎo)和轉輪部分(fēn)損失的增加共同作用的結果。

關鍵詞組：水泵水輪機；流動分(fēn)析；液流角；水力損失；駝峰區

Multi-actuated mechanism design considering structure flexibility using correlated performance reinforcing

Jing-hua Xu, Shu-you Zhang, Jian-rong Tan, Zhen Zhao

DOI: 10.1631/jzus.A1500003 Downloaded: 2599 Clicked: 4222 Cited: 2 Commented: 0(p.864-873) <Full Text> <PPT> 1954

Chinese summary <33> 考慮結構柔性的多激勵機構關聯性能強化設計方法

目的：揭示多場耦合環境下(xià)的多自由度系統中(zhōng)柔性結構對機構性能的影響規律，以低壓斷路器多激勵操動機構爲例，研究機-電-熱-磁耦合的多模态分(fēn)斷性能強化設計方法，提高短路、過載、欠壓、缺相和漏電時的瞬時、短延時和長延時分(fēn)斷性能。
創新點：1. 将多自由度剛柔耦合系統的物(wù)理坐标轉換爲模态坐标，實現模型降階和關聯性能解耦；2. 運用類比法獲得零部件對關聯性能的影響度，通過實驗設計将難測屬性轉化爲關聯易測量，實現機構的關聯性能強化。
方法：1. 将多自由度的含柔體(tǐ)動力學系統轉化爲自由度乘模态階的方陣，通過Craig-Bampton逐層降階模态矩陣，并由叠代步反饋激活柔體(tǐ)的高階模态；2. 通過類比求解霍爾姆力、洛倫茲力、電動斥力、電磁力和懸臂雙金屬片激勵力，獲得多激勵系統機構關節的性能關聯程度；3. 通過低壓斷路器電氣實驗和溫升實驗，驗證零件結構柔性對機構的性能影響規律，實現多激勵機構多模态分(fēn)斷性能強化設計。
結論：1. 提出的考慮結構柔性的多激勵機構關聯性能強化設計方法有助于提高多自由度動力學系統的瞬态性能；2. 結構柔性降低分(fēn)斷性能，使高頻(pín)分(fēn)斷中(zhōng)的峰值段性能退化；3. 基于實驗設計的電氣實驗和溫升實驗，驗證了多激勵機構關聯性能強化方法的有效性。

關鍵詞組：多激勵機構；機-電-熱-磁耦合；多體(tǐ)剛柔耦合動力學系統；低壓斷路器；關聯性能強化

Modeling of a virtual grinding wheel based on random distribution of multi-grains and simulation of machine-process interaction

Xiang-lei Zhang, Bin Yao, Wei Feng, Zhi-huang Shen, Meng-meng Wang

DOI: 10.1631/jzus.A1400316 Downloaded: 3495 Clicked: 4588 Cited: 3 Commented: 0(p.874-884) <Full Text> <PPT> 1759

Chinese summary <29> 基于多顆磨粒随機分(fēn)布的虛拟砂輪建模及機床-工(gōng)藝交互仿真

目的：以硬質合金材料的精密磨削加工(gōng)爲對象，探索機床-工(gōng)藝之間的交互作用，構建多顆磨粒磨削模型和機床模型，通過兩個模型之間參數傳遞與交互耦合仿真，實現對機床-工(gōng)藝交互作用的預測。
方法：1. 根據金剛石砂輪形貌構建磨粒位姿随機分(fēn)布的虛拟砂輪，建立多顆磨粒磨削模型，對新模型的磨削力預測進行實驗驗證；2. 建立機床模型，特别是主軸-砂輪模型，并通過剛度試驗；3. 将磨削模型的磨削力與機床模型的砂輪變形作爲交互參數實現機床-工(gōng)藝之間的交互作用仿真。
結論：1. 構建的多顆磨粒模型可以實現磨削力預測；2. 構建的機床模型可以模拟機床結構剛度；3. 機床産生(shēng)的變形與磨削力之間存在顯著的交互作用，文中(zhōng)提出的有限元耦合仿真法可以實現預測機床-工(gōng)藝的交互作用。

關鍵詞組：虛拟砂輪；随機分(fēn)布；交互作用；精密磨削；耦合仿真

Relationship among S-N curves corresponding to different mean stresses or stress ratios

Shan-qin Hou, Jin-quan Xu

DOI: 10.1631/jzus.A1400321 Downloaded: 3558 Clicked: 3932 Cited: 2 Commented: 0(p.885-893) <Full Text> <PPT> 1685

Chinese summary <27> 不同平均應力或應力比下(xià)S-N曲線之間的關系

目的：探讨平均應力或應力比對S-N曲線的影響，并期望得到不同應力比或平均應力下(xià)統一(yī)的S-N曲線的數學形式。
方法：1. 基于Kachanov的疲勞損傷演化律，考慮循環載荷作用下(xià)高周疲勞的實際情況，提出疲勞損傷演化模型；2. 采用高鎮同（1981）的實驗數據，驗證不同平均應力下(xià)S-N曲線的數學表達式； 3. 利用等效對稱應力幅和等效對稱壽命的概念，研究不同平均應力下(xià)的S-N曲線數學表達式。
結論：1. 提出任意循環比或平均應力下(xià)S-N曲線的統一(yī)數學表達式；2. 給出疲勞極限、比例系數和平均應力間的關系；3. 引入等效對稱循環應力和壽命的概念，可以将任意循環比或平均應力下(xià)的疲勞等效爲對稱疲勞。

關鍵詞組：損傷力學；S-N曲線；演化律；等效方法；疲勞極限

Energy Engineering

Transient thermal behavior of a microchannel heat sink with multiple impinging jets

Ting-zhen Ming, Yan Ding, Jin-le Gui, Yong-xin Tao

DOI: 10.1631/jzus.A1400313 Downloaded: 2827 Clicked: 5913 Cited: 3 Commented: 0(p.894-909) <Full Text> <PPT> 1860

Chinese summary <30> 基于多沖擊射流的微小(xiǎo)通道熱沉的瞬态熱行爲

目的：利用數值模拟方法分(fēn)析動态變化的受熱面熱流密度和入口速度對多沖擊射流微小(xiǎo)通道（MHSMIJ）的傳熱性能和溫度波動特征的影響。
創新點：1. 提出MHSMIJ熱行爲數值模拟方法；2. 分(fēn)析受熱面熱流密度的振幅和周期對MHSMIJ行爲的影響；3. 分(fēn)析沖擊射流速度的振幅和周期對MHSMIJ動态熱行爲的影響；4. 分(fēn)析材料熱物(wù)性參數對MHSMIJ的時間滞後效應的影響。
方法：1. 采用周期性函數來描述沖擊射流的速度入口和受熱面的熱流密度的波動；2. 利用數值模拟方法分(fēn)析周期和振幅對MHSMIJ的動态熱行爲的影響。
結論：1. 受熱面熱流密度的波動周期對MHSMIJ行爲的影響十分(fēn)顯著，MHSMIJ的時間滞後效應随着波動周期的增加而增加，其基底表面溫度和表面傳熱系數也随之發生(shēng)變化；2. 受熱面熱流密度的波動振幅對MHSMIJ的溫度波動産生(shēng)顯著的影響；3. 沖擊射流的入口速度的振幅對MHSMIJ的動态傳熱性能産生(shēng)影響。

關鍵詞組：帶沖擊射流的微小(xiǎo)通道；傳熱；正弦熱流密度；正弦入口速度；相位滞後

Review: Temperature inhomogeneity in high capacity pulse tube cryocoolers

Kai Fang, Li-min Qiu, Xiao Jiang, Zhi-hua Gan, Ning-xiang Tong

DOI: 10.1631/jzus.A1400296 Downloaded: 2730 Clicked: 4561 Cited: 0 Commented: 0(p.910-921) <Full Text> <PPT> 1675

Chinese summary <31> 大(dà)功率脈管制冷機的溫度非均勻性

目的：大(dà)功率脈管制冷機中(zhōng)存在的溫度非均勻性問題導緻回熱器效率低下(xià)，嚴重阻礙制冷機性能的提高。本文回顧回熱器非均勻性問題的理論與試驗研究，對當前理論與實驗的研究結果進行細緻的分(fēn)類與探讨，并展望将來非均勻性研究可能的發展方向。
方法：1. 當前回熱器非均勻性理論與實驗研究主要包括形成機理、發展機制和抑制方法三個方面。其中(zhōng)對其形成機理和發展機制的研究以理論爲主，抑制方法的研究以實驗爲主。2. 回熱器溫度非均勻性的形成機理，按照其誘發因素的來源可劃分(fēn)爲内源性與外(wài)源性因素，其中(zhōng)内源性因素包括與回熱器相關和變徑流道等，外(wài)源性因素包括自然對流效應及外(wài)界溫度擾動。3. 發展機制主要認爲是氣體(tǐ)粘度與溫度之間的正向關系導緻的回熱器内溫度與流阻的正反饋效應。4. 抑制方法主要是增加回熱器内徑向熱導率，阻斷其發展機制，或增加回熱器長徑比，抑制其影響範圍。
結論：1. 溫度非均勻性形成機制複雜(zá)，爲多因素耦合作用；2. 氣體(tǐ)粘度與溫度之間的正向關系導緻的回熱器内溫度與流阻的正反饋效應是導緻非均勻性發展的主要因素；3. 增加回熱器徑向熱導率和回熱器長徑比可有效抑制非均勻性。

關鍵詞組：溫度非均勻性；内部流；大(dà)功率；脈管制冷機

Civil Engineering

A semi-analytical method and its application for calculating the thermal stress and displacement of sparsely fractured rocks with water flow and heat transfer

Yong Zhang, Yan-yong Xiang

DOI: 10.1631/jzus.A1400364 Downloaded: 2381 Clicked: 4969 Cited: 0 Commented: 0(p.922-934) <Full Text> <PPT> 1901

Chinese summary <27> 稀疏裂隙岩體(tǐ)水流傳熱過程中(zhōng)熱應力及位移的半解析計算方法和應用

目的：探索核廢料地質處置庫近場岩體(tǐ)在熱源（核素衰變産生(shēng)熱量）和裂隙水流動影響下(xià)的應力和變形規律，爲處置庫的安全評估提供理論基礎。
創新點：針對包含内熱源和飽和裂隙水流動的岩體(tǐ)，提出一(yī)種稀疏裂隙岩體(tǐ)水流傳熱過程中(zhōng)熱應力及位移的半解析計算方法，并将該方法應用于核廢物(wù)處置庫近場裂隙岩體(tǐ)溫度、熱應力和位移的分(fēn)布特征分(fēn)析。
方法：首先根據熱彈性位移勢法建立拉普拉斯變換域内的基本積分(fēn)方程，然後将裂隙離(lí)散化，利用數值積分(fēn)方法計算不含奇點的裂隙單元積分(fēn)，采用解析法計算包含奇點的單元積分(fēn)，再根據拉普拉斯數值逆變換将熱彈性位移勢轉換到時間域中(zhōng)，最後利用中(zhōng)心差分(fēn)法計算熱應力和位移。
結論：1. 在處置庫運營早期，岩石受分(fēn)布熱源影響而産生(shēng)熱膨脹區域的範圍（即受壓區域）較爲有限； 2. 核素在經過長期的衰變過程後，熱流強度大(dà)幅降低，使得處置庫近場岩石中(zhōng)僅有熱源附近的極小(xiǎo)部分(fēn)岩石爲受壓區域；3. 裂隙水的流動傳熱作用使得處置庫下(xià)遊的溫度峰值更高，且裂隙水流速越大(dà)，流動傳熱作用越明顯，裂隙水流速對熱應力和位移的影響與溫度類似；4. 過小(xiǎo)的熱源間距會使不同熱源間傳熱作用疊加，從而導緻處置庫近場的溫度、熱應力和位移峰值急劇增大(dà)。

關鍵詞組：稀疏裂隙岩體(tǐ)；裂隙水流；熱傳導；熱彈性位移勢；熱應力