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

2022 Vol.23 No.2 P.83-156

Cover:

<251>

Contents:

<370>

<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Computational fluid dynamics analysis on flow-induced vibration of a cryogenic poppet valve in consideration of cavitation effect

Ai-bo WEI, Rong GAO, Wei ZHANG, Shun-hao WANG, Rui ZHOU, Xiao-bin ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100118 Downloaded: 2886 Clicked: 4230 Cited: 0 Commented: 0(p.83-100) <Full Text> <PPT> 446

Chinese summary <37> 低溫調節閥空化流緻振動的計算流體(tǐ)力學分(fēn)析

目的：大(dà)型低溫風洞大(dà)流量液氮調節閥内部流場與閥門結構相互作用，不僅會引起閥芯表面不對稱的瞬态壓力分(fēn)布從而導緻閥芯的振動，而且會損壞密封裝置和管路元件，嚴重時甚至會導緻低溫風洞無法正常運行。本文旨在探讨調節閥空化流動及其誘導振動的相互作用機理，并分(fēn)析閥門開(kāi)度和進出口壓差對閥芯振動特性的影響，以期爲低溫閥門的設計及優化提供參考。
創新點：1.建立低溫調節閥空化與閥芯振動特性耦合作用分(fēn)析的三維數值模型；2.獲得低溫調節閥内液氮空化流動的動态演變規律及其與閥芯振動的相互作用機制。
方法：1.通過有限元靜力分(fēn)析，獲得閥杆受力與變形的關系曲線（圖4）；2.通過理論分(fēn)析，構建閥芯的運動方程（公式(11)），并得到閥芯的流固耦合計算程序（圖5）；3.通過仿真模拟，建立低溫調節閥空化與閥芯振動特性耦合作用分(fēn)析的三維數值模型；4.使用用戶自定義函數和動網格法對閥芯的動态運動過程進行模拟，獲得液氮空化流動的動态演變規律，并分(fēn)析閥門開(kāi)度和進出口壓差對閥芯空化流緻振動特性的影響。
結論：1.閥芯的空化流激運動呈現出振幅逐漸增大(dà)的周期性振蕩規律；在閥門開(kāi)度爲30%，進口壓力爲1000 kPa時閥芯的振動頻(pín)率約爲116.6 Hz；閥芯在振蕩過程中(zhōng)與右側閥座發生(shēng)撞擊并形成穩定的循環，且伴随着大(dà)量空泡在閥芯表面附近快速産生(shēng)和潰滅。2.空化發生(shēng)時，大(dà)量空泡的破裂導緻流場局部壓力瞬時突增，并産生(shēng)10倍于空化未考慮時的壓力峰值；考慮空化效應時，閥芯與閥座之間的平均撞擊頻(pín)率和撞擊速度相對較小(xiǎo)。3.閥門的開(kāi)度和進出口壓差對閥芯的振動特性有顯著影響；當開(kāi)度較小(xiǎo)、壓差較大(dà)時，閥芯的振動頻(pín)率以及位移脈動峰值顯著增大(dà)，閥芯撞擊閥座的時間也更早且平均撞擊速度更大(dà)，使閥芯與閥座間的碰撞加劇，進而導緻閥芯的沖蝕和疲勞破壞，嚴重影響閥門的強度性能與使用壽命。

關鍵詞組：調節閥；計算流體(tǐ)力學；空化；流緻振動；流固耦合

Cavitation evolution and damage by liquid nitrogen in a globe valve

Xia ZHOU, Xiao-qin ZHI, Xu GAO, Hong CHEN, Shao-long ZHU, Kai WANG, Li-min QIU, Xiao-bin ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100168 Downloaded: 1872 Clicked: 2986 Cited: 0 Commented: 0(p.101-117) <Full Text> <PPT> 358

Chinese summary <29> 低溫截止閥内液氮空化演變和危害研究

目的：閥内流體(tǐ)空化将對閥門壁面産生(shēng)沖擊，造成氣蝕剝蝕和噪音，并影響流體(tǐ)輸運系統的安全運行。低溫流體(tǐ)和常溫流體(tǐ)物(wù)性區别大(dà)，并且低溫流體(tǐ)空化有更爲複雜(zá)的機理。本文旨在讨論低溫截止閥内液氮空化的發展規律，并進一(yī)步研究空化對壁面産生(shēng)的壓力沖擊，以及如何避免閥門系統發生(shēng)共振，從而爲閥門系統的安全運行提供參考。
創新點：1.在數值模拟中(zhōng)加入能量方程，并考慮低溫流體(tǐ)在空化過程中(zhōng)壓力和溫度的相互影響；2.分(fēn)析在不同閥門開(kāi)度下(xià)液氮空化的發展過程和壁面不同位置受到的壓力沖擊。
方法：1.利用Fluent空化模型和Mixture模型，建立低溫截止閥空化模型（圖3）；2.模拟不同開(kāi)度下(xià)閥内液氮的空化過程（圖6~9）；3.分(fēn)析壁面各監測點的壓力變化情況，提取壓力幅值和流體(tǐ)脈動頻(pín)率，并與閥門固有頻(pín)率比較（圖12，13，15和20）。
結論：低溫截止閥内液氮空化呈現周期性特征，并且空化周期随閥門的開(kāi)度增大(dà)而減小(xiǎo)；2.最大(dà)壓力脈沖峰值出現在中(zhōng)等開(kāi)度（66%）；3.最大(dà)振動位移出現在閥體(tǐ)處，且存在臨界管長，使得閥門系統的固有頻(pín)率和流體(tǐ)脈動頻(pín)率相等。

關鍵詞組：空化；熱效應；低溫液體(tǐ)；低溫截止閥

A novel multi-level model for quasi-brittle cracking analysis with complex microstructure

Xiao-xiao SUN, Xiang-yu CHEN, Xiao-ming GUO

DOI: 10.1631/jzus.A2100158 Downloaded: 1921 Clicked: 2980 Cited: 0 Commented: 0(p.118-139) <Full Text> <PPT> 449

Chinese summary <30> 用于複雜(zá)微觀結構準脆性開(kāi)裂分(fēn)析的創新多層級模型

目的：建立完全無需進行網格重劃分(fēn)且能夠有效提高裂紋帶模拟精度的多層級模型。
創新點：1.建立了材料粒子邊界位移爲基本未知(zhī)量的全局控制方程，避免了全局層級材料粒子内部複雜(zá)狀态的讨論；2.将具有連續台階的富集函數用于描述粒子邊界的開(kāi)裂位移，可以得到先驗未知(zhī)解；3.建立了控制單元狀态的補充方程，使全局模型的自由度數穩定在低水平；4.實現了代表性體(tǐ)積元（RVE）的退出，進而将模型整體(tǐ)的自由度數控制在穩定的低水平；5.裂紋帶可以在任意位置進入和離(lí)開(kāi)材料粒子。
方法：1.采用多層級信息傳遞方法建立模型；2.采用單位分(fēn)解法的思想對材料粒子邊界位移進行近似。
結論：1.實現了計算過程中(zhōng)RVE的動态激活和退出，大(dà)大(dà)降低了整個模型的自由度數；2.模型的模拟結果與完全微觀模型及實驗的結果一(yī)緻，說明本文所提出的模型具有較高的計算精度。

關鍵詞組：多層級模型；混凝土；富集函數；準脆性開(kāi)裂；損傷演化；數字圖像相關測試

Experimental and theoretical study on the break phenomenon of self-pulsation for liquid-centered swirl coaxial injectors

Peng-jin CAO, Xiao BAI, Qing-lian LI, Peng CHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2100222 Downloaded: 2083 Clicked: 2977 Cited: 0 Commented: 0(p.140-155) <Full Text> <PPT> 420

Chinese summary <33> 液體(tǐ)中(zhōng)心式氣液同軸離(lí)心式噴嘴自激振蕩間斷現象的實驗和理論研究

目的：液體(tǐ)中(zhōng)心式氣液同軸離(lí)心式噴嘴在一(yī)定條件下(xià)會出現自激振蕩間斷現象。本文旨在探讨自激振蕩間斷過程中(zhōng)縮進室内的液膜流動形态、壓力振蕩特性以及自激振蕩自維持機理。
創新點：1.通過測量噴嘴縮進室内部多點高頻(pín)壓力，分(fēn)析壓力擾動相位變換關系；2.建立自激振蕩理論模型，成功地模拟液膜微元流動過程。
方法：1.通過實驗分(fēn)析，得到噴嘴縮進室内部液膜流動的變化形态，并對比自激振蕩和穩态時縮進室内壓力振蕩關系（圖6和7）；2.通過理論推導，構建液膜微元運動位置随時間的變化關系（公式(16)），并得到縮進室内壓力和氣/液動量随時間的變化關系（圖12和13）。
結論：1.氣液動量通量比增加會使縮進較大(dà)的氣液同軸離(lí)心式噴嘴出現自激振蕩間斷現象，并且間斷前後自激振蕩的頻(pín)率和強度發生(shēng)顯著變化。2.自激振蕩間斷現象發生(shēng)時，縮進室内液膜流動模态依次由周期性擴張主導流動轉變爲穩定流動再轉變爲周期性收縮主導流動。3.通過自激振蕩理論模型，可以較好地預測自激振蕩頻(pín)率，氣液兩相的能量傳遞是維持自激振蕩過程的重要因素。

關鍵詞組：間斷現象；自激振蕩理論模型；壓力特性；縮進；液體(tǐ)中(zhōng)心式氣液同軸離(lí)心式噴嘴

Erratum

Erratum: Erratum to: Effects of the geometrical parameters of the injection nozzle on ethylene-air continuous rotating detonation

Wei-jie FAN, Jin ZHOU, Shi-jie LIU, Hao-yang PENG

DOI: 10.1631/jzus.A20e0314 Downloaded: 723 Clicked: 733 Cited: 0 Commented: 0(p.156-156) <Full Text>