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.10 P.757-844

Cover:

<235>

Contents:

<176>

<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Modeling the optimal compensation capacitance of a giant magnetostrictive ultrasonic transducer with a loosely-coupled contactless power transfer system

Tian LAN, Ping-fa FENG, Jian-jian WANG, Jian-fu ZHANG, Hui-lin ZHOU

DOI: 10.1631/jzus.A2200367 Downloaded: 2641 Clicked: 707 Cited: 0 Commented: 0(p.757-770) <Full Text> <PPT> 277

Chinese summary <68> 采用松耦合非接觸式電能傳輸裝置的超磁緻伸縮超聲換能器最佳補償電容

作者：蘭天¹，馮平法¹，王健健¹，張建富¹，周輝林^1,2
機構：¹清華大(dà)學，機械工(gōng)程系摩擦學國家重點實驗室，中(zhōng)國北(běi)京，100084；²中(zhōng)國兵器工(gōng)業導航與控制技術研究所，中(zhōng)國北(běi)京，100089
目的：具有松耦合非接觸式電能傳輸裝置（LCCPT）的超磁緻伸縮旋轉超聲加工(gōng)系統（LCCPT）可高效低損傷地加工(gōng)硬脆材料。爲實現超聲加工(gōng)的最大(dà)效率，GMUPS需要在諧振狀态下(xià)工(gōng)作，因此需要對系統進行電容補償，以實現更大(dà)的超聲振幅。
創新點：1.考慮系統機電耦合特性，建立GMUPS的最佳電容補償模型，并在帶載與不帶載的情況下(xià)讨論模型的适用性；2.分(fēn)析系統的相位滞後角的成因，并探讨電壓與材料特性對相位滞後角的影響。
方法：1.在考慮GMUPS機械等效回路和電回路之間的相位滞後角的情況下(xià)建立系統機電等效模型，并加以推導，從而獲得空載最佳電容補償模型。2.考慮負載的影響，分(fēn)析負載下(xià)系統阻抗特性的變化情況和系統的補償方法。3.進行空載振幅測量實驗和加工(gōng)實驗，以驗證理論模型的有效性。
結論：1.無論是在空載狀态下(xià)還是在加工(gōng)過程中(zhōng)，采用最優補償電容都表現出優越的性能。采用最優補償電容時，系統可以獲得最大(dà)振幅，同時在整個加工(gōng)過程中(zhōng)切削力最小(xiǎo)。2. LCCPT的使用和補償電容的取值對系統的電路特性有顯著的影響，而對機械諧振頻(pín)率的影響很小(xiǎo)。電諧振頻(pín)率更接近機械諧振頻(pín)率可以提高系統的振動性能。3.系統電回路與機械等效回路之間的相位滞後角導緻最小(xiǎo)電流頻(pín)率與機械諧振頻(pín)率之間存在差異。系統的相位滞後角與系統不必要的功率損耗直接相關。在系統達到磁飽和前，驅動電壓對相位滞後角影響不大(dà)。導磁結構的材料特性會顯著地影響相位滞後角。因此，選擇在高頻(pín)處損耗低的導磁材料可以有效地降低相位滞後角。

關鍵詞組：旋轉超聲加工(gōng)；超磁緻伸縮換能器；松耦合非接觸式電能傳輸；機電等效電路；最佳補償電容

Anthropomorphic hand based on twisted-string-driven da Vinci’s mechanism for approaching human dexterity and power of grasp

Yong-bin JIN, Shao-wen CHENG, Yan-yan YUAN, Hong-tao WANG, Wei YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200216 Downloaded: 689 Clicked: 908 Cited: 0 Commented: 0(p.771-782) <Full Text> <PPT> 271

Chinese summary <66> 通過絞合線驅動與達芬奇機構實現兼顧人手般靈巧性與抓握力的仿生(shēng)機械手

作者：金永斌^1,2,3,4，程紹文^1,4，袁炎炎^1,4，王宏濤^1,2,3,4，楊衛^1,4
機構：¹浙江大(dà)學，交叉力學中(zhōng)心，中(zhōng)國杭州，310027；²浙江大(dà)學杭州國際科創中(zhōng)心，中(zhōng)國杭州，310027；³浙江大(dà)學，流體(tǐ)傳動及控制國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310027；⁴浙江大(dà)學，航空航天學院應用力學研究所，中(zhōng)國杭州，310027
目的：由于空間的限制，在仿生(shēng)靈巧機械手設計的時候存在靈巧性與抓握力量之間的矛盾。本文旨在通過智能機構設計，實現機械手綜合性能的提升。
創新點：1.基于人手運動數據庫對達芬奇機構進行優化，複現人手運動學特征；2.基于絞合線傳動機構實現機械手的輕量化和緊湊性設計；3.仿生(shēng)機械手應用于植入式腦機接口臨床試驗。
方法：1.通過理論推導，構建欠驅動的達芬奇機構運動學與機構參數的關系（公式(2)）；2.通過主成分(fēn)分(fēn)析，得到人手關節之間的耦合關系并用于優化達芬奇機構的參數（圖3）；3.通過幾何分(fēn)析得到絞合線驅動系統的非線性傳動公式（圖4和公式(7)）。
結論：1.基于絞合線驅動和達芬奇機構的仿生(shēng)機械手可以在受限空間中(zhōng)實現機械手的抓握力量與靈巧性的平衡；2.得益于欠驅動的達芬奇機構，機械手的靈巧性較好，能夠适應不同形狀的物(wù)體(tǐ)；3.本文所設計的機械手得以成功地應用于中(zhōng)國首例臨床植入式腦機接口實驗，展示了高超的靈巧性、适應性與魯棒性。

關鍵詞組：仿生(shēng)機械手；達芬奇機構；絞合線驅動；智能機構；主成分(fēn)分(fēn)析

Effect of droplet superficial velocity on mixing efficiency in a microchannel

Jin-yuan QIAN, Lei ZHAO, Xiao-juan LI, Wen-qing LI, Zhi-jiang JIN

DOI: 10.1631/jzus.A2200159 Downloaded: 637 Clicked: 685 Cited: 0 Commented: 0(p.783-794) <Full Text> <PPT> 314

Chinese summary <60> 微通道内液滴表面流速對混合效率的影響分(fēn)析

作者：錢錦遠^1,2，趙磊¹，李曉娟¹，李文慶¹，金志(zhì)江¹
機構：¹浙江大(dà)學，能源工(gōng)程學院，化工(gōng)機械研究所，中(zhōng)國杭州，310027；²浙江大(dà)學，流體(tǐ)動力與機電系統國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310027
目的：液滴表面流速是決定液滴混合性能的重要參數，可影響微流控系統中(zhōng)不同界面的更新頻(pín)率和總傳輸時間。本文旨在建立具有正方形截面的十字型微通道，并基于VOF方法耦合标量方程，探究液滴表面流速對液滴長度、液滴形成時間以及液滴混合效率的影響機制，以期爲微流控系統的進一(yī)步優化設計提供依據。
創新點：1.設計了具有正方形截面的十字型微通道用于液滴形成，改變了分(fēn)散相和連續相的注入方式；2.建立數值模型，自定義标量方程，實現了混合過程的可視化，并利用無量綱數定量分(fēn)析了不同液滴表面流速下(xià)液滴長度、形成時間以及混合效率等液滴特性。
方法：1.建立具有正方形截面的十字型微通道數值計算模型，驗證數值方法的準确性（圖3）；2.自定義标量方程，調加标量至分(fēn)散相中(zhōng)，實現混合過程的可視化分(fēn)析，并以分(fēn)散相液滴内标量的濃度變化作爲混合效率的評價指标；3.改變液滴表面流速，并采用無量綱數定量分(fēn)析液滴表面流速對液滴長度（圖5）、液滴形成時間（圖6）以及液滴混合效率（圖10）的影響機制。
結論：1.液滴表面流速的增加可導緻液滴長度和液滴形成時間減少；恒定液滴表面流速下(xià)，液滴長度随分(fēn)散相分(fēn)率的增加而增加，分(fēn)散相和連續相的速度相互交換，液滴生(shēng)成頻(pín)率幾乎不變；分(fēn)散相體(tǐ)積分(fēn)率越小(xiǎo)，液滴混合效率越好。2.液滴在微通道内流動時，液滴内部産生(shēng)内循環；内循環可分(fēn)爲主循環和次循環：主循環由液滴和壁面相互作用産生(shēng)，而次循環由液滴和連續相流體(tǐ)相互作用産生(shēng)。3.液滴混合效率可分(fēn)爲時間主導和長度主導兩個階段，且這兩個階段中(zhōng)液滴表面流速對混合效率的影響規律相反。

關鍵詞組：液滴特性；混合效率；内循環；液滴表面流速

Three-dimensional flow field mathematical model inside the pilot stage of the deflector jet servo valve

Shuang-lu LI, Yao-bao YIN, Jiang-yang YUAN, Sheng-rong GUO

DOI: 10.1631/jzus.A2200030 Downloaded: 762 Clicked: 821 Cited: 0 Commented: 462(p.795-806) <Full Text> <PPT> 279

Chinese summary <64> 偏轉闆伺服閥前置級三維流場數學模型

作者：李雙路¹，訚耀保¹，原佳陽²，郭生(shēng)榮²
機構：¹同濟大(dà)學，機械與能源工(gōng)程學院，中(zhōng)國上海，201804；²中(zhōng)航工(gōng)業航空機電系統綜合航空科技重點實驗室，中(zhōng)國南(nán)京，210061
目的：偏轉闆伺服閥前置級二維流場模型因忽略了射流在射流盤厚度上的拓展現象，無法準确地描述偏轉闆伺服閥前置級流場結構。爲了更加精确地描述流場結構并計算前置級的靜态特性，并有利于優化偏轉闆伺服閥前置級的結構參數，本文提出一(yī)個符合真實狀态的三維流場數學模型。
創新點：1.在前置級三維流場數學模型中(zhōng)，将流場分(fēn)爲五個區域，考慮射流在空間上的三維拓展。2.運用三維紊動射流描述自由射流區流場結構，并提出該區域的射流速度分(fēn)布表達式。3.在壓力恢複區提出射流卷吸模型，并建立起接收腔射流流量和恢複壓力的耦合關系。
方法：1.通過理論分(fēn)析，建立前置級流場各階段的數學模型（圖2~9），得到前置級靜态特性的理論分(fēn)析方法（圖11和12）；2.通過實驗研究某型前置級在不同供油壓力下(xià)的斷載壓力特性，驗證本文提出的數學模型在計算靜态特性時的準确性（圖15）；3.通過仿真模拟，分(fēn)析前置級自由射流區射流截面的速度分(fēn)布以及接收腔内的射流影響因素，驗證三維射流模型和射流卷吸模型的可行性和有效性（圖17）。
結論：1.前置級流場内的射流屬于三維射流。本文采用的三維射流可以更加準确地描述流場的結構（圖2）。2.自由射流區的等速度線接近直槽口形，可近似用矩形等速度線描述（圖17），并且接收腔内的射流流量和恢複壓力等參數存在耦合關系，可以用本文提出的卷吸射流模型描述。3.在不同供油壓力下(xià)的前置級無因次斷載壓力基本一(yī)緻，基于三維流場模型得到的前置級靜态方法計算結果準确（圖15），可以爲前置級的結構優化提供理論支持。

關鍵詞組：偏轉闆伺服閥；前置級；三維射流；射流卷吸；靜态特性；數學模型

Effects of bump parameters on hypersonic inlet starting performance

Shang-cheng XU, Yi WANG, Zhen-guo WANG, Xiao-qiang FAN, Bing XIONG

DOI: 10.1631/jzus.A2200155 Downloaded: 736 Clicked: 722 Cited: 0 Commented: 0(p.807-819) <Full Text> <PPT> 247

Chinese summary <63> 鼓包構型對高超聲速進氣道起動性能的影響研究

作者：徐尚成，王翼，王振國，範曉樯，熊冰
機構：國防科技大(dà)學，空天科學學院，中(zhōng)國長沙，410073
目的：在高超聲速進氣道中(zhōng)加入鼓包構型可有效提高起動性能，然而目前對于鼓包構型對起動的影響規律及其流動機理的認識還不充分(fēn)。本文旨在研究鼓包構型參數對起動性能的影響，明晰鼓包對起動過程的作用機理，進而爲高超聲速鼓包進氣道的設計提供參考依據。
創新點：1.獲得了鼓包高度和寬度對起動性能的影響規律；2.明晰了鼓包對不起動進氣道大(dà)尺度分(fēn)離(lí)區的重構作用，并闡釋了鼓包參數影響起動性能的内在機理。
方法：1.利用基于橫向壓力梯度的鼓包進氣道設計方法生(shēng)成具有不同鼓包高度和寬度的進氣道構型；2.采用數值方法計算不同的鼓包進氣道在設計條件下(xià)的流場和起動過程，分(fēn)析鼓包對進氣道性能影響規律；3.通過分(fēn)析不起動流場結構，研究鼓包對大(dà)尺度分(fēn)離(lí)區的重構作用。
結論：1.鼓包可對邊界層氣流産生(shēng)排移作用，使得進氣道流量稍有下(xià)降，但總壓恢複性能明顯提升；2.增加鼓包高度可加速分(fēn)離(lí)區内氣流的橫向溢流，進而提高進氣道起動性能；3.爲提高起動性能，應使鼓包略寬于進氣道入口。

關鍵詞組：高超聲速飛行器；鼓包；邊界層氣流；起動性能；大(dà)尺度分(fēn)離(lí)區

Hydrodynamics of high-speed robots driven by the combustion-enabled transient driving method

Yang YANG, Yingzhong LOU, Guanzheng LIN, Zhiguo HE, Pengcheng JIAO

DOI: 10.1631/jzus.A2200331 Downloaded: 722 Clicked: 1016 Cited: 0 Commented: 0(p.820-831) <Full Text> <PPT> 284

Chinese summary <64> 基于化學放(fàng)能反應的瞬變速水下(xià)高速機器人水動力特性研究

作者：楊旸^2,5，樓映中(zhōng)^2,3，林官正²，賀治國^1,2,4，焦鵬程^1,2,4
機構：¹浙江大(dà)學，海南(nán)研究院，中(zhōng)國三亞，572000；²浙江大(dà)學，港口海岸與近海工(gōng)程研究所，中(zhōng)國舟山，316021；³華盛頓大(dà)學，土木工(gōng)程學院，美國西雅圖，WA 98195；⁴浙江大(dà)學，海洋感知(zhī)技術與裝備教育部工(gōng)程研究中(zhōng)心，中(zhōng)國舟山，316021;⁵香港中(zhōng)文大(dà)學，電子工(gōng)程系，中(zhōng)國香港，99907
目的：水下(xià)航行器在水下(xià)觀測、海洋資(zī)源勘探和樣本采集中(zhōng)發揮着重要作用。軟機器人是一(yī)種獨特的水下(xià)機器人，具有良好的環境适應性和運動靈活性，但它們的驅動和響應能力較弱。同時，機器人的快速運動與流場之間的相互作用尚未得到充分(fēn)研究。爲解決這些問題，本文旨在開(kāi)發一(yī)種計算流體(tǐ)動力學模型，以模拟由機器人産生(shēng)的瞬态高速運動所幹擾的流場。
創新點：1.通過流固耦合與動網格技術開(kāi)發了瞬變速機器人水下(xià)運動的數模模型。2.基于偏心率和化學放(fàng)能反應驅動過程，建立二者與機器人水下(xià)運動表現、壓力場、速度場和湍流結構的關系。
方法：1.關注機器人動力學對推力和偏心率的依賴性，并開(kāi)發基于流固耦合方法與動網格技術的計算流體(tǐ)力學模型。2.獲得機器人周圍湍流場的典型結構，并定量分(fēn)析速度分(fēn)布、渦流結構、壓力和湍流特性。
結論：1.機器人頭部和尾部都會因突然加速而出現高流速區域，且在推力較高的一(yī)側拐角處出現湍渦；機器人尾部産生(shēng)的高k（湍流動能）區域随運動向内發展。2.本研究揭示了最大(dà)流速與偏心率之間的關系。3.機器人表面上的最大(dà)壓力與推力呈正相關，與偏心率呈負相關；偏心率使機器人旋轉，會增強流場的擾動，也會使頭部區域的k和ε（湍流耗散率）降低。

關鍵詞組：水下(xià)航行器；計算流體(tǐ)力學（CFD）；機器人學；瞬變速驅動方法（TDM）；燃燒驅動；流體(tǐ)動力學

Correspondence

Correspondence: Complex integrity constraint discovery: measuring trust in modern intelligent railroad systems

Wen-tao HU, Da-wei JIANG, Sai WU, Ke CHEN, Gang CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2200156 Downloaded: 672 Clicked: 815 Cited: 0 Commented: 0(p.832-837) <Full Text> <PPT> 236

Chinese summary <58> 複雜(zá)完整性約束：在現代智能交通系統中(zhōng)衡量模型可信性

作者：胡文濤，江大(dà)偉，伍賽，陳珂，陳剛
機構：浙江大(dà)學，浙江省大(dà)數據智能計算重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310027
目的：由于使用的列車(chē)運行數據偏離(lí)系統應用的數據特征，現代智能交通系統部署的模型推理結果可能不可靠。本文旨在研究部署在系統中(zhōng)的模型使用的數據變化對模型性能的影響，通過研究衡量模型可信性方法，實現在現實場景中(zhōng)無需标注數據實時檢測部署在系統中(zhōng)的模型可信性。
創新點：1.提出一(yī)種複雜(zá)完整性約束概念，在無标注數據的情況下(xià)，衡量模型使用數據的不安全程度。2.爲實現現代智能交通系統實時檢測模型的可信性，我(wǒ)們設計一(yī)種新穎的算法，利用位向量索引技術和規則推理系統，快速發現模型應用數據的複雜(zá)完整性約束。
方法：1.通過輸入部署在現代智能交通系統模型中(zhōng)的訓練數據，系統構建面向輸入數據的索引向量從而避免對大(dà)規模數據進行多次。2.通過規則推理系統和支持度剪枝技術，将語意重複的冗餘約束和一(yī)些無意義的約束忽略，得到有效的複雜(zá)完整性約束。3.利用完整性約束計算違反約束的數據在數據集中(zhōng)的比例從而衡量模型使用的數據不安全程度。4.通過使用真實的列車(chē)運行數據集測試，分(fēn)析複雜(zá)完整性約束衡量的數據不安全程度和模型性能的關系，從而驗證複雜(zá)完整性約束的可行性和有效性。
結論：1.模型使用的數據偏離(lí)模型訓練數據特征會影響模型的性能。2.通過發現複雜(zá)完整性約束，衡量模型使用的數據不安全程度，可以快速檢測部署的模型可信性。3.通過對模型可信性的研究，可以無需标注而快速發現不可信的模型，從而及時重新部署可信模型，提升現代智能交通系統的穩定性。

關鍵詞組：現代智能交通系統；列車(chē)運行控制；約束發現；可信機器學習

Correspondence: Regimes of near-stoichiometric hydrogen/air combustion under reciprocating engine conditions

Anna E. SMYGALINA, Alexey D. KIVERIN

DOI: 10.1631/jzus.A2200217 Downloaded: 786 Clicked: 788 Cited: 0 Commented: 931(p.838-844) <Full Text> <PPT> 240

Chinese summary <60> 往複式發動機條件下(xià)近化學計量的氫氣/空氣燃燒模式

作者：Anna E. SMYGALINA, Alexey D. KIVERIN
機構：俄羅斯科學院高溫聯合研究所，俄羅斯莫斯科，125412
目的：采用與火(huǒ)花點火(huǒ)往複式發動機相關的初始條件和參數，對近化學計量氫氣/空氣混合物(wù)在圓柱形燃燒室内運動活塞下(xià)的燃燒進行數值研究，并特别研究以強壓振蕩爲特征的氫氣燃燒模式是否可以被視爲爆震。
創新點：1.明确考慮了在高含氫量的火(huǒ)花點火(huǒ)發動機條件下(xià)氫氣/空氣混合物(wù)的燃燒情況。2.根據初始含氫量的不同，燃燒可分(fēn)爲爆燃、快速燃燒和緩慢(màn)燃燒三種模式。3.研究證明了以高幅高頻(pín)壓力振蕩爲特征的快速燃燒模式不能被視爲爆震。
方法：1.采用"粗顆粒"數值方法求解二維圓柱坐标系下(xià)的納維-斯托克斯氣體(tǐ)動力方程組。2.模拟往複式發動機條件下(xià)可燃混合氣體(tǐ)的動力學狀态。
結論：從輸出參數（壓力振幅全程的快速傅裏葉變換）來看，近化學計量的氫氣/空氣燃燒與爆震相似。然而，尾氣區域的溫度不足以使該區域發生(shēng)自燃，因此不能将該燃燒模式視爲爆震。

關鍵詞組：往複式發動機；燃燒模式；爆震