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

2023 Vol.24 No.12 P.1043-1146

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Review

Review: Key technologies and development trends of the soft abrasive flow finishing method

Yunfeng TAN, Yesha NI, Weixin XU, Yuanshen XIE, Lin LI, Dapeng TAN

DOI: 10.1631/jzus.A2300038 Downloaded: 725 Clicked: 620 Cited: 0 Commented: 0(p.1043-1064) <Full Text>

Chinese summary <11> 軟性磨粒流光整加工(gōng)方法的關鍵技術及發展趨勢

作者：譚雲峰^1,2,3，倪耶莎^1,3，許炜鑫^1,3，謝遠深^1,3，李霖^1,2,3，譚大(dà)鵬^1,3
機構：¹浙江工(gōng)業大(dà)學，特種裝備與先進加工(gōng)技術教育部/浙江省重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310014；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，310058；³浙江工(gōng)業大(dà)學，高端激光制造裝備省部共建協同創新中(zhōng)心，中(zhōng)國杭州，310014
概要：本文綜述了約束空間内軟性磨粒流光整加工(gōng)（SAF）方法的最新進展。簡要介紹了多相流體(tǐ)動力學建模、材料表面加工(gōng)去(qù)除機理、輔助強化光整加工(gōng)技術以及磨粒和氣泡空化對表面沖擊效應的觀測技術。從薄壁曲面元件、生(shēng)物(wù)醫學功能元件、電子信息及精密光學元件表面超精密加工(gōng)四個方面給出了軟性磨粒流加工(gōng)技術未來的發展前景和所面臨的挑戰。

關鍵詞組：軟性磨粒流光整加工(gōng)（SAF）；動力學建模；材料去(qù)除機理；工(gōng)藝優化；強化加工(gōng)控制技術

Research Articles

Enhanced mixing efficiency for a novel 3D Tesla micromixer for Newtonian and non-Newtonian fluids

Abdellah AAZMI, Zixian GUO, Haoran YU, Weikang LV, Zengchen JI, Huayong YANG, Liang MA

DOI: 10.1631/jzus.A2300589 Downloaded: 327 Clicked: 319 Cited: 0 Commented: 0(p.1065-1078) <Full Text> <PPT> 91

Chinese summary <9> 一(yī)種能顯著提升牛頓和非牛頓流體(tǐ)混合效率的新型3D特斯拉微混勻器

作者：Abdellah AAZMI^1,2，郭子賢^1,2，于浩然^1,2，呂爲康^1,2，季增琛^1,2，楊華勇^1,2，馬梁^1,2
機構：¹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，310058；²浙江大(dà)學，機械工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310058
目的：使用梯度結構水凝膠打印制造具有生(shēng)物(wù)活性的梯度結構是生(shēng)物(wù)制造領域的研究熱點之一(yī)，但傳統用于擠出式生(shēng)物(wù)3D打印的混勻器仍具有混合不充分(fēn)、不适用于高粘性生(shēng)物(wù)墨水等缺陷。本文旨在提出一(yī)種新型的特斯拉混勻器結構，并通過計算流體(tǐ)力學（CFD）仿真與實驗來驗證其混合性能以及對不同特性流體(tǐ)的适應性，爲生(shēng)物(wù)3D打印自然生(shēng)物(wù)組織的複雜(zá)異質結構提供一(yī)個可靠的工(gōng)具。
創新點：1.以傳統特斯拉閥爲靈感，引入相似結構設計微流控混勻器來實現更高效的混合。2.利用CFD模拟與實際實驗，廣泛地驗證該混勻器對于不同特性流體(tǐ)的适應性。3.通過在CIELab中(zhōng)進行顔色均勻性的檢查，證明混勻器能夠精确地實現不同組分(fēn)比例的混合，發掘了其在生(shēng)物(wù)打印領域的應用潛力。
方法：1.通過數值方法與CFD分(fēn)析進行建模與仿真，以及通過實驗測量壓降，驗證CFD建模的正确性（圖3），并測定不同混合周期下(xià)的混合效率（圖4）；2.通過仿真分(fēn)析，分(fēn)别測定不同流速下(xià)流體(tǐ)的混合效果、雷諾數與皮克列數，分(fēn)析混合的流體(tǐ)力學機理，驗證其對牛頓流體(tǐ)與非牛頓流體(tǐ)的出色混合性能，并探讨最佳混合效果對應的參數；3.制造3D特斯拉混勻器實物(wù)并進行實驗驗證，檢驗其實際打印的可行性與應用優勢，并進一(yī)步驗證其混合均勻性與精确性。
結論：1.新型特斯拉混勻器能用很少的混合周期達到較高的混合效率；2.混勻器适用于不同粘度和擴散系數的牛頓流體(tǐ)和流變特性變化的非牛頓流體(tǐ)，且具有出色混合性能；3.打印液滴顔色均勻性的評估結果驗證了該混勻器在混合材料組分(fēn)控制上的精确性。

關鍵詞組：微觀混合；3D打印；非牛頓流體(tǐ)；計算流體(tǐ)力學（CFD）

Numerical modeling and experimental study of microstamping process for fabricating microchannels using thin sheets of titanium

Wenze MAO, Yancheng WANG, Deqing MEI, Lingfeng XUAN, Caiying ZHOU

DOI: 10.1631/jzus.A2300083 Downloaded: 691 Clicked: 1090 Cited: 0 Commented: 0(p.1079-1095) <Full Text> <PPT> 105

Chinese summary <8> 钛基薄闆微流道的微沖壓成形工(gōng)藝數值建模與實驗研究

作者：毛文澤^1,2，汪延成^1,2，梅德慶^1,2，宣淩鋒²，周彩瑩²
機構：¹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，310058；²浙江大(dà)學，浙江省先進制造技術重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310058
目的：钛基薄闆微沖壓成形時，钛基薄闆的力學各向異性特點會導緻薄闆出現不同程度的回彈變形。本文旨在建立正交各向異性的彈塑性本構模型，用于準确預測钛基薄闆的力學各向異性特點對微流道沖壓成形時回彈變形和成形性能，分(fēn)析模具尺寸參數（模具圓角半徑、模具間隙、沖頭寬度）對微流道沖壓成形的影響規律，并對钛基薄闆的取向和模具尺寸進行優選以提高沖壓成形的精度。
創新點：1.基于偏軸彈性模量和希爾屈服準則，建立钛基薄闆的正交各向異性彈塑性本構模型。2.建立钛基薄闆微流道沖壓成形工(gōng)藝的數值仿真模型，并研究钛基薄闆各向異性和模具參數對回彈變形和成形性能的影響規律。
方法：1.通過單向拉伸試驗分(fēn)析，基于偏軸彈性模量和希爾屈服準則推導出钛薄闆各向異性的應力應變關系，并建立钛基薄闆微流道沖壓成形的仿真模型。2.通過與微沖壓實驗結果對比，驗證仿真模型的準确性。3.通過仿真模拟，分(fēn)析钛薄闆的各向異性特性對微沖壓的影響，并研究在不同模具尺寸參數下(xià)钛薄闆的成形能力。
結論：1.正交各向異性本構模型能準确預測钛薄闆彈塑性行爲，建立的微沖壓仿真模型可準确預測钛薄闆的回彈變形量。2.在微沖壓加工(gōng)中(zhōng)钛薄闆的各向異性導緻不同取向的試樣産生(shēng)了不同程度的成形載荷和回彈。3.模具圓角半徑、間隙和沖頭寬度都與回彈呈正相關，與應力集中(zhōng)程度呈負相關；爲降低斷裂風險，選擇RD試樣和圓角半徑爲0.10mm的模具制造深度爲279.3 μm、拔模角度爲34.34°的流道。

關鍵詞組：钛基薄闆；微沖壓；各向異性；本構模型；回彈

Solid-liquid flow characteristics and sticking-force analysis of valve-core fitting clearance

Jin-yuan QIAN, Jiaxiang XU, Fengping ZHONG, Zhenhao LIN, Tingfeng HUA, Zhijiang JIN

DOI: 10.1631/jzus.A2300061 Downloaded: 449 Clicked: 491 Cited: 0 Commented: 0(p.1096-1105) <Full Text> <PPT> 98

Chinese summary <5> 閥芯間隙固液兩相流動特性及卡滞研究

作者：錢錦遠¹，許家祥¹，鍾豐平²，林振浩¹，華霆峰¹，金志(zhì)江^1,3
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浙江省特種設備科學研究院，中(zhōng)國杭州，310009；³浙江大(dà)學，溫州研究院，中(zhōng)國溫州，325036
目的：閥門在運行期間，如有外(wài)部污染顆粒或閥内元件自身腐蝕的磨損顆粒混入流體(tǐ)中(zhōng)，其随着流體(tǐ)進入閥芯配合間隙從而導緻閥芯所受阻力增大(dà)，容易出現閥芯卡滞現象。因此，本文旨在分(fēn)析閥芯配合間隙内顆粒流動特性及其引起的卡滞問題，研究顆粒濃度、直徑和均壓槽形狀對閥芯卡滞力的影響，爲抑制閥芯卡滞方法的研究提供參考。
創新點：1.基于Euler-Euler方法建立固液兩相流模型，獲得閥芯配合間隙内的固液兩相流動特性；2.研究顆粒濃度和直徑對流動特性及閥芯卡滞力的影響，确定敏感顆粒直徑；3.揭示不同均壓槽結構對閥芯卡滞力的影響規律。
方法：1.基于Euler-Euler固液兩相流模型，分(fēn)析閥芯配合間隙内的固液兩相流動特性；2.通過數值模拟方法研究顆粒濃度和直徑對流動特性及閥芯卡滞力的影響；3.分(fēn)析橢圓形、矩形和三角形均壓槽結構對顆粒分(fēn)布及閥芯卡滞力的影響。
結論：1.顆粒在均壓槽中(zhōng)的體(tǐ)積分(fēn)數最高，并且峰值也随着顆粒直徑的增大(dà)而增大(dà)，卡滞力随着顆粒濃度的增加而增加。2.随着顆粒直徑的增大(dà)，卡滞力先增大(dà)後減小(xiǎo)，當顆粒直徑爲12 μm時，卡滞力最大(dà)，爲敏感顆粒直徑。3.橢圓形和矩形均壓槽中(zhōng)的流體(tǐ)偏轉角較大(dà)，分(fēn)别爲32.83°和39.15°；三角形均壓槽中(zhōng)的流體(tǐ)偏轉角相對較小(xiǎo)，是橢圓形或矩形均壓槽的50%左右；矩形均壓槽中(zhōng)的顆粒體(tǐ)積分(fēn)數最高，橢圓形均壓槽中(zhōng)次之，三角形均壓槽中(zhōng)最低，其峰值分(fēn)别爲0.0317、0.0316和0.0312；當顆粒直徑爲12 μm時，橢圓形、矩形和三角形均壓槽的卡滞力分(fēn)别爲4.796、4.802和4.757 N。因此，在閥芯上選擇一(yī)個流體(tǐ)偏轉角小(xiǎo)、底部儲存污染顆粒能力強的三角形均壓槽，有利于緩解閥芯卡滞現象。

關鍵詞組：固液流動特性；閥芯；卡滞力；Euler-Euler模型

Influence of adjacent shield tunneling construction on existing tunnel settlement: field monitoring and intelligent prediction

Long RAN, Yang DING, Qizhi CHEN, Baoping ZOU, Xiaowei YE

DOI: 10.1631/jzus.A2200573 Downloaded: 485 Clicked: 500 Cited: 0 Commented: 570(p.1106-1119) <Full Text> <PPT> 128

Chinese summary <6> 鄰近盾構施工(gōng)對既有隧道沉降的影響：現場監測與智能預測

作者：冉龍¹，丁楊²，陳其志(zhì)¹，鄒寶平¹，葉肖偉³
機構：¹浙江科技學院，土木與建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310023；²浙大(dà)城市學院，城市基礎設施智能化浙江省工(gōng)程研究中(zhōng)心，中(zhōng)國杭州，310015；³浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310058
目的：随着我(wǒ)國城市地下(xià)空間的迅猛發展，盾構法因其具有地質适應性強、速度快、安全可靠等優點，逐步成爲了城市地鐵建設的主流。盾構在開(kāi)挖掘進的過程中(zhōng)勢必會對四周圍岩造成一(yī)定的擾動，從而引發地層變形與地基的隆起或沉降，進而對臨近建築物(wù)造成影響。然而，由于土體(tǐ)介質的複雜(zá)性，國内外(wài)對于地表沉降規律的研究尚處于不成熟階段。因此，開(kāi)展地鐵施工(gōng)過程中(zhōng)的結構健康監測、預測地鐵施工(gōng)引起的周邊結構變形以及總結變形規律可以爲地鐵施工(gōng)的安全預警提供技術支持和理論參考，對提高地鐵施工(gōng)安全性有重要意義。
創新點：1.以杭州地鐵施工(gōng)爲工(gōng)程背景，分(fēn)析臨近施工(gōng)對既有地鐵結構變形的影響，并研究監測中(zhōng)的難點和重點；2.基于監測獲取的海量數據，建立基于反向傳播（BP）神經網絡的變形預測模型。
方法：分(fēn)析BP神經網絡的4種結構（即單輸入-單隐含層-單輸出、多輸入-單隐含層-單輸出、單輸入-雙隐含層-單輸出和多輸入-雙隐含層-單輸出）對預測性能的影響，并通過實測數據進行驗證。
結論：1.本工(gōng)程基坑影響範圍内同時存在地鐵車(chē)站、附屬結構和盾構隧道等不同結構形式的地鐵設施，且其受基坑施工(gōng)影響的程度各不相同；保護區監測工(gōng)作過程中(zhōng)除了關注各自自身結構變形情況外(wài)，還應重點加強車(chē)站與附屬結構、車(chē)站與盾構隧道結構間的差異沉降監測。2.對于單輸入-單隐含層-單輸出的BP神經網絡，其最優隐含層節點數爲1；對于多輸入-單隐含層-單輸出的BP神經網絡，其最優輸入數爲2，隐含層節點數爲1；對于單輸入-雙隐含層-單輸出的BP神經網絡，其最優隐含層節點數分(fēn)别爲1和1；對于多輸入-雙隐含層-單輸出的BP神經網絡，其最優輸入數爲5，隐含層節點數分(fēn)别爲1和5。3.當确定輸入量時，隐含層節點數應不大(dà)于輸入數量，以避免出現過拟合現象；當輸入量爲1~3時，最優隐含層節點數爲1。

關鍵詞組：地鐵；隧道水平位移；隧道道床沉降；隧道差異沉降；變形預測；BP神經網絡

GPU-accelerated vector-form particle-element method for 3D elastoplastic contact of structures

Wei WANG, Yanfeng ZHENG, Jingzhe TANG, Chao YANG, Yaozhi LUO

DOI: 10.1631/jzus.A2200311 Downloaded: 1567 Clicked: 8449 Cited: 0 Commented: 1159(p.1120-1130) <Full Text> <PPT> 99

Chinese summary <6> 結構三維彈塑性接觸問題的圖形處理器并行有限質點法求解

作者：汪偉^1,2，鄭延豐^1,3,4，唐敬哲¹,楊超^1,4,羅堯治^1,4
機構：¹浙江大(dà)學，建築工(gōng)程學院，中(zhōng)國杭州，310058；²浙江大(dà)學，平衡建築研究中(zhōng)心，中(zhōng)國杭州，310028；³浙江大(dà)學建築設計研究院有限公司，中(zhōng)國杭州，310028；⁴浙江省空間結構重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310058
目的：結構的三維彈塑性接觸問題通常包含強非線性，且計算比較耗時。爲解決這類問題，本文提出基于圖形處理器加速的有限質點法。
創新點：1.發展基于有限質點法的六面體(tǐ)縮減積分(fēn)單元；2.提出結構的三維并行接觸算法。
方法：1.發展基于有限質點法的六面體(tǐ)縮減積分(fēn)單元，并采用沙漏控制技術，用于模拟結構的彈塑性行爲；2.提出結構的三維并行接觸算法，将包含接觸面的三維空間分(fēn)解爲立方體(tǐ)單元格，僅在相鄰單元格之間進行接觸搜索，并使用鏈式數據結構存儲接觸質點；3.通過基于圖形處理器的并行計算技術對算法進行加速。
結論：1.本文方法與有限元軟件Abaqus/Explicit相比，在總計算時間和接觸計算時間上分(fēn)别提升效率約80倍和340倍；2.本文方法的有效性和計算效率都得到了驗證。

關鍵詞組：圖形處理器；并行加速；彈塑性接觸；接觸搜索；有限質點法

Dynamics of buoyancy-driven microflow in a narrow annular space

Yanzhong WANG, Yaping ZHANG, Kai YANG, Boji LU, Hao GAO

DOI: 10.1631/jzus.A2200617 Downloaded: 436 Clicked: 568 Cited: 0 Commented: 0(p.1131-1139) <Full Text> <PPT> 105

Chinese summary <6> 狹窄環形空間内浮力驅動微對流的動力學特性

作者：王延忠¹，張亞萍¹，楊凱²，魯博佶¹，高浩³
機構：¹北(běi)京航空航天大(dà)學，機械工(gōng)程及自動化學院，中(zhōng)國北(běi)京，100191；²北(běi)京衛星制造廠，中(zhōng)國北(běi)京，100094；³三明學院，機電工(gōng)程學院，中(zhōng)國三明，365001
目的：液浮陀螺儀環形流道的宏微觀特征影響内部浮油的動力學特性，與儀表精度水平密切相關。本文旨在探讨狹窄環形流道的間隙尺寸、粗糙高度、粗糙密度等因素對浮油流場、溫度場、粘滞力矩的影響，爲陀螺儀表的設計優化和精度提升提供理論參考。
創新點：1.抽取液浮陀螺儀内部環形流道的結構特征，建立流體(tǐ)域的流熱耦合模型；2.提出一(yī)種表征壁面粗糙特征的方法，獲取粗糙特征對浮油流熱特性的影響規律。
方法：1.通過分(fēn)析液浮陀螺儀的結構和工(gōng)況，建立簡化的理論分(fēn)析模型（圖2）；2.采用幾何微圓構造粗糙特征，并定義壁面粗糙參數（圖3）；3.建立陀螺儀環形流體(tǐ)域的流熱耦合模型；4.通過耦合模型的求解計算，分(fēn)析壁面宏微觀尺寸對浮油動力學特性的影響規律。
結論：1.間隙效應對粘滞力矩的影響大(dà)于粘溫效應，且力矩随着間隙尺寸的增加先增大(dà)後減小(xiǎo)，最後趨于穩定；2.流道壁面粗糙度對浮油動力學特性有顯著影響，粗糙度高度對粘滞力矩的影響大(dà)于粗糙度密度對粘滞力矩的影響。

關鍵詞組：液浮陀螺儀；環形通道；粗糙特征；流體(tǐ)阻力

Correspondence

Correspondence: A novel approach for the optimal arrangement of tube bundles in a 1000-MW condenser

Jinju GUO, Taoye YIN, Shuai WANG, Wei CHEN, Peiwang ZHU, Kun LUO, Yun KUANG, Jie LIU, Junjun HUANG, Bing HUO, Hui WANG, Chunlin ZHANG, Jian WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300183 Downloaded: 396 Clicked: 520 Cited: 0 Commented: 570(p.1140-1146) <Full Text> <PPT> 88

Chinese summary <6> 1000MW級凝汽器的殼側流場的一(yī)種新的數值模拟方法

作者：郭金菊¹，尹韬烨¹，王帥¹，陳炜¹，祝培旺¹，羅坤^1,2，匡雲³，劉傑³，黃軍軍³，霍兵⁴，王輝³，張春琳⁵，王堅³
機構：¹浙江大(dà)學，能源清潔利用國家重點實驗室，中(zhōng)國杭州，310027；²浙江大(dà)學上海高等研究院，中(zhōng)國上海，200120；³中(zhōng)國電力工(gōng)程顧問集團中(zhōng)南(nán)電力設計院有限公司，中(zhōng)國武漢，430071；⁴黃岡大(dà)别山發電有限責任公司，中(zhōng)國黃岡，438300；⁵中(zhōng)能建數字科技集團有限公司，中(zhōng)國北(běi)京，100022
目的：針對大(dà)型凝汽器，提出一(yī)種新的方法來解決傳統多孔介質模型的缺點，優化冷凝器管束布局。
創新點：流場被分(fēn)爲兩個區域，即凝結區和非凝結區。在凝結區使用相對較細的網格，并分(fēn)析蒸汽凝結過程中(zhōng)的熱阻，在質量輸運方程中(zhōng)加入一(yī)個源項來描述蒸汽凝結量。與多孔介質模型相比，這種方法能更好地反映不同管束布置下(xià)的流場特征，同時與直接建模相比大(dà)大(dà)降低計算成本。
方法：1.研究凝汽器殼側流場的流動和傳熱規律，将其劃分(fēn)爲管束區域和非管束區域。2.在冷凝發生(shēng)的區域即管束區域，通過物(wù)理規律分(fēn)析與理論計算推導出冷凝的質量源項，并将該質量源項通過用戶自定義函數加載于管束區域，構成新的蒸汽冷凝模型。3.以某1000MW級凝汽器爲例，使用新的蒸汽冷凝模型模拟殼側流場，與其設計參數對比并驗證該方法的有效性。4.使用該方法，對1000MW級凝汽器兩種不同管束布置及三種工(gōng)況下(xià)的殼側流場進行數值模拟，進一(yī)步驗證該方法的可行性和必要性。
結論：1.本文提出的數值模拟方法，在模拟流動動力學以及1000MW冷凝器内的冷凝過程方面表現出合理的精度。2.當空氣質量分(fēn)數達到約0.001的臨界值時，實現氣流中(zhōng)空氣層的動平衡；低于該臨界值，傳熱系數從4250 W/(m²·K)至155 W/(m²·K)，相當于下(xià)降96.35%；高于該臨界值的區域稱爲空氣積聚區域。3.在額定漏氣條件下(xià)，均勻管束布置的壓降比非均勻管束布置低51.73%；此外(wài)，随着空氣濃度的增加，傳熱效率随着空氣洩漏量的增加而降低，導緻傳熱系數降低。

關鍵詞組：凝汽器；殼側流場；蒸汽冷凝模型；管束布置；漏空氣量