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

2019 Vol.20 No.11 P.811-892

<<< CONTENTS >>>

Articles

Tuning bandgaps in metastructured beams: numerical and experimental study

Yi Yuan, Wei-jian Zhou, Jian Li, Wei-qiu Chen, Rong-hao Bao

DOI: 10.1631/jzus.A1900330 Downloaded: 2703 Clicked: 3624 Cited: 0 Commented: 0(p.811-822) <Full Text> <PPT> 1759

Chinese summary <24> 帶隙可調的超結構梁:數值和實驗研究

目的:1. 研究晶格常數、預應力和彈簧剛度對超結構梁帶隙的影響,優化結構并形成僞禁帶或低頻(pín)且寬的禁帶; 2. 通過實驗驗證僞禁帶的存在性、排列對帶隙的影響以及缺陷對帶隙的影響等.
創新點:1. 通過預應力調節超結構梁的帶隙特征,并可以形成僞禁帶; 2. 通過排列不同彈簧振子構成寬頻(pín)禁帶和寬頻(pín)僞禁帶.
方法:1. 通過有限元軟件模拟預應力、彈簧剛度和晶格常數等參數對該超結構梁帶隙的影響情況; 2. 設計合适的參數并進行結構優化,使得該結構的帶隙寬,頻(pín)率低,且易于實驗實現; 3. 在實驗中(zhōng)通過替換彈簧、改變彈簧間距和施加軸向拉力分(fēn)别研究彈簧剛度、晶格常數和預應力的影響,并通過移除部分(fēn)彈簧和同時布置不同彈簧的方式研究缺陷和排列對帶隙的影響.
結論:1. 該結構存在一(yī)條局域共振禁帶和多條布拉格散射禁帶;通過調節預應力、彈簧剛度和晶格常數等可以有效地控制帶隙特征. 2. 在特定條件下(xià)可以形成寬頻(pín)僞禁帶;通過排列不同彈簧振子可以達到拓寬禁帶、形成寬頻(pín)僞禁帶的效果. 3. 缺陷對布拉格散射禁帶的影響較大(dà),對局域共振禁帶的影響較小(xiǎo).

關鍵詞組：超結構梁;預拉伸;可調帶隙;僞禁帶;排列

Numerical study on the dynamic response of a massive liquefied natural gas outer tank under impact loading

Chen Yan, Xi-mei Zhai, Yong-hui Wang

DOI: 10.1631/jzus.A1900172 Downloaded: 2335 Clicked: 3991 Cited: 0 Commented: 0(p.823-837) <Full Text> <PPT> 1899

Chinese summary <21> 大(dà)型液化天然氣儲罐在沖擊荷載下(xià)的動力響應數值研究

目的:研究沖擊荷載各參數對于液化天然氣(LNG)儲罐的動力響應結果,定義LNG儲罐受到沖擊荷載時的破壞模式,并分(fēn)析不同破壞模式下(xià)的破壞機理,爲工(gōng)程防禦沖擊荷載提供有效的理論研究基礎.
創新點:1. 建立精細化的LNG儲罐有限元模型; 2. 定義LNG儲罐在沖擊荷載下(xià)的破壞模式并揭示其破壞機理; 3. 提出損傷因子D_f可區分(fēn)三種沖擊破壞模式.
方法:1. 通過有限元模拟,進行沖擊荷載的參數分(fēn)析,得到不同沖擊荷載對于LNG儲罐的動力響應(圖6和7); 2. 根據數值模拟結果,定義LNG儲罐受到沖擊荷載時的破壞模式(圖8),并分(fēn)析其破壞機理(圖10和11); 3. 通過經驗公式驗算LNG儲罐抵禦沖擊荷載的可靠性.
結論:1. LNG儲罐薄弱部位爲外(wài)罐和環梁及底闆的連接部位; 2. LNG儲罐受到沖擊荷載的破壞模式分(fēn)爲局部變形、混凝土剝落和穿透三種;本研究得到了各種破壞模式下(xià)的破壞機理,并定義了損傷因子D_f來區分(fēn)三種破壞模式; 3. 通過經驗公式驗算,LNG儲罐可以抵禦英國規範建議的沖擊荷載和法蘭的沖擊;DOE-standard公式計算結果最爲保守.

關鍵詞組：LNG儲罐;沖擊;動力響應;數值模拟;破壞機理

Experimental and theoretical studies of laterally loaded single piles in slopes

Ming-hui Yang, Bo Deng, Ming-hua Zhao

DOI: 10.1631/jzus.A1900318 Downloaded: 2152 Clicked: 4568 Cited: 0 Commented: 0(p.838-851) <Full Text> <PPT> 1795

Chinese summary <21> 邊坡中(zhōng)單樁橫向受力的試驗與理論研究

目的:研究邊坡段基樁的水平承載特性,以期指導工(gōng)程實踐.
創新點:提出一(yī)種新的p-y曲線,以考慮邊坡坡角和樁在邊坡中(zhōng)位置的影響.
方法:1. 針對平地樁基和坡地樁基兩種工(gōng)況開(kāi)展兩組室内模型對比試驗; 2. 采用ABAQUS建立數值模型,并研究樁徑、樁長和土體(tǐ)的彈性模量對樁基水平受荷性能的影響; 3. 對室内模型試驗結果和數值模拟結果進行對比分(fēn)析,并得出坡地樁基的p-y曲線.
結論:1. 邊坡中(zhōng)側向受力樁的側向撓度和彎矩沿樁長的分(fēn)布與水平埋置樁的分(fēn)布相似;然而,邊坡傾角對單樁的側向荷載特性有着重要的影響;在相同的荷載條件下(xià),較高的傾斜角度會引起較大(dà)的樁身變形和彎矩. 2. 對于埋置長度不變的樁,樁的極限側向承載力與坡趾距樁截面中(zhōng)心的距離(lí)近似呈雙線性關系. 3. 對于埋置長度不同的樁,其極限承載力随坡腳至樁截面中(zhōng)心距離(lí)的增加呈線性增加.

關鍵詞組：樁基;邊坡;模型試驗;有限元;水平荷載;p-y曲線

An adjoint-based optimization method for reducing the axial force of a reactor coolant pump

Jia-ming Wang, Peng-fei Wang, Xu Zhang, Xiao-dong Ruan, Xin Fu

DOI: 10.1631/jzus.A1900156 Downloaded: 2295 Clicked: 3840 Cited: 0 Commented: 0(p.852-863) <Full Text> <PPT> 1838

Chinese summary <23> 基于伴随求解的核主泵軸向力優化方法

目的:核主泵軸向力過大(dà)容易造成水潤滑軸承磨損,因此在保證揚程和效率性能的同時需要降低核主泵軸向力.本文旨在建立目标性能與葉輪幾何形狀的函數關系,探究基于伴随求解的扭曲葉輪的變形方案,在保證揚程不變的條件下(xià)同步優化葉輪的軸向力和效率,并找到影響該綜合性能的葉輪關鍵區域.
創新點:1. 提出一(yī)種同步改進多個目标性能的葉輪形狀優化方法; 2. 将伴随求解和徑向基函數網格變形相結合以實現核主泵葉輪三維曲面優化.
方法:1. 通過理論分(fēn)析,建立基于徑向基函數網格變形的伴随優化方法,并在開(kāi)源平台編寫叠代程序; 2. 通過公式推導,構建揚程、效率和軸向力對應的目标函數(公式(19)~(21)),并運用正交實驗确定各個目标函數的參數因子; 3. 通過叠代計算,在保證揚程不變的條件下(xià)實現軸向力和效率的同步優化,确定影響該綜合性能的關鍵區域(圖8),并獲得葉輪的改進設計方案; 4. 通過流場分(fēn)析,對比改進前後流場内部的壓力和流速分(fēn)布情況(圖9和10),并驗證改進方案的可行性和有效性.
結論:1. 與傳統的随機算法相比,該優化方法直接沿梯度方向進行叠代優化,可以避免使用大(dà)量樣本數據來尋找優化路徑; 2. 該優化方法将伴随求解和徑向基函數網格變形相結合,實現了流場計算和結構變形的自動化,可以保證流場網格光滑高效地更叠; 3. 葉輪靠近出口邊的下(xià)半部分(fēn)是同步優化核主泵軸向力和效率的關鍵區域.

關鍵詞組：核主泵;伴随方法;徑向基函數;軸向力;形狀優化

Thermo-elasto-hydrodynamic analysis of triangular textured mechanical face seals

Xiao Yang, Xu-dong Peng, Xiang-kai Meng, Jin-bo Jiang, Yu-ming Wang

DOI: 10.1631/jzus.A1900163 Downloaded: 2248 Clicked: 3468 Cited: 0 Commented: 0(p.864-881) <Full Text> <PPT> 1807

Chinese summary <20> 三角形織構化機械密封的熱彈流分(fēn)析

目的:爲了提高機械密封的摩擦學特性和密封性能,建立三維熱彈性流體(tǐ)動力潤滑理論模型來研究三角形織構對機械密封性能的影響,并針對航空軸向柱塞泵機械密封的實際工(gōng)況,對織構的形狀、排布和深度進行優化.
創新點:1. 建立機械密封熱彈性流體(tǐ)動力潤滑模型,揭示三角形織構在混合和全膜潤滑條件下(xià)的減磨減漏機理. 2. 以低摩擦和低洩露爲目标,采用數值模拟和實驗方法,優化三角形織構的形狀和排布方式.
方法:1. 通過理論推導,建立機械密封熱彈性流體(tǐ)動力潤滑模型,并與熱流體(tǐ)動力潤滑模型和流體(tǐ)動力潤滑模型進行對比,發現熱彈性流體(tǐ)動力模型更符合實際情況(圖6~10); 2. 通過數值模拟,優化三角形織構的形狀、排布以及深度(圖14~22). 3. 通過實驗研究,測得織構端面溫度,驗證熱彈流理論模型的正确性(圖25).
結論:1. 由于機械密封的熱力變形,密封端面形成收斂性間隙,因此更有利于減少洩漏; 2. 與同向排布相比,相向排布的三角形織構能産生(shēng)更強的流體(tǐ) 動壓效應,且内外(wài)徑織構數目越多、數目差距越小(xiǎo)時,動壓效應越強; 3. 直角三角形織構的動壓效應強于等邊三角形織構,并且在一(yī)定工(gōng)況下(xià)能産生(shēng)足夠的液膜承載力使密封端面開(kāi)啓.

關鍵詞組：熱彈性流體(tǐ);機械密封;表面織構;三角形微孔;航空柱塞泵

Comparative analysis of thermodynamic theoretical models for energy consumption of CO₂ capture

Shuang-jun Li, Shuai Deng, Li Zhao, Wei-cong Xu, Xiang-zhou Yuan, Yang-zhou Zhou, Ya-wen Liang

DOI: 10.1631/jzus.A1900226 Downloaded: 1903 Clicked: 3138 Cited: 0 Commented: 0(p.882-892) <Full Text> <PPT> 1608

Chinese summary <21> 碳捕集能耗分(fēn)析模型的對比研究

目的:碳捕集能耗較高的技術瓶頸,亟待熱力學理論在交叉研究中(zhōng)解決.熱力學理論工(gōng)具在碳捕集技術能耗水平評估方面的準确性、有效性和局限性都尚未明确,且碳捕集能耗研究的共性規律仍未被把握.本文對現有能耗分(fēn)析模型進行對比以揭示碳捕集技術能耗的實質,并提出普适性和針對性恰當的能耗分(fēn)析模型,以明确碳捕集能耗水平的"天花闆".
創新點:1. 提出熱力學碳泵模型,分(fēn)析碳捕集技術理想能耗; 2. 對比不同碳捕集能耗分(fēn)析模型,通過案例分(fēn)析說明其不同特點和理想化程度的差異.
方法:1. 通過概念比拟,類比熱泵概念,提出熱力學碳泵概念,并闡述碳捕集過程是通過熱或功驅動的二氧化碳從低濃度向高濃度逆向富集的非自發過程(圖2和3),實現碳捕集技術實質的理想化概括; 2. 通過熱力學理論推導,獲得基于熱力學碳泵模型的碳捕集最小(xiǎo)理想能耗(公式(13)); 3. 通過案例分(fēn)析,論證熱力學碳泵模型相對混合氣體(tǐ)分(fēn)離(lí)模型和碳泵模型的理想化程度是否更高(圖9),以及其中(zhōng)碳源、彙的無限質容假設是否更接近理想狀态.
結論:1. 通過碳泵模型可以得到碳捕集技術的理想能耗,并且碳泵模型相對混合氣體(tǐ)分(fēn)離(lí)模型在使用時更便捷. 2. 熱力學碳泵模型相對碳泵模型的理想化程度更高;因爲忽略碳源、彙由傳質引起的不可逆性,熱力學碳泵模型計算所得最小(xiǎo)理想能耗比碳泵模型計算所得理想能耗更小(xiǎo). 3. 通過熱力學碳泵模型分(fēn)析直接空氣碳捕集技術表明,其最小(xiǎo)理想能耗是相同反應條件下(xià)煙氣處理技術的4.916倍.

關鍵詞組：碳捕集;能耗;理論模型;熱力學碳泵