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), 1.490 (2019), 2.263 (2020), 2.485 (2021), 3.2 (2022).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

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

2024 Vol.25 No.11 P.889-970

Cover:

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Contents:

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CONTENTS

Review

Review: Revolutionizing wind energy: exploring triboelectric and piezoelectric nanogenerators for sustainable power generation

Ali MATIN NAZAR, Haiwei XU, Mingfeng HUANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300530 Downloaded: 476 Clicked: 776 Cited: 0 Commented: 0(p.889-907) <Full Text> <PPT > 216

Chinese summary <444> 风能革命：探索摩擦电和压电纳米发电机在可持续电力生成中的应用

作者：Ali MATIN NAZAR¹，徐海巍²，黄铭枫²
机构：¹浙江大学，浙江大学伊利诺伊大学厄巴纳香槟校区联合学院,中国嘉兴，314400；²浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058
概要：纳米发电机技术作为可持续的能源收集方式和为各种应用供电的方法，受到了广泛关注。本文回顾了用于风能收集的摩擦电和压电纳米发电机的研究进展和面临的障碍。在清洁能源需求日益增长的背景下，这一研究至关重要，尤其是能够有效收集这类能源的技术。本文重点介绍了摩擦电和压电纳米发电机在捕捉风能机械能方面的潜力。首先，文章讨论了摩擦电和压电纳米发电机的基础物理模型，解释了摩擦电效应和压电效应的机制，并强调了它们在能量收集应用中的重要性。接下来，文章概述了利用摩擦电和压电纳米发电机进行能量收集的最新进展。文章还探讨了摩擦电和压电纳米发电机的设计原理、材料选择和制造技术，并深入研究了纳米发电机在风能收集中的应用。本文探讨了优化这些设备性能的各种方法以及将其集成到风能收集系统中的手段，并分析了这些设备的潜在应用及其实现过程中可能遇到的挑战。最后，文章总结了当前的研究现状，展望了摩擦电和压电纳米发电机在风能收集中的未来发展方向，并提出了未来研究应解决的问题，如规模化、耐久性和系统集成等。

关键词组：能量收集；摩擦电纳米发电机；压电纳米发电机；风工程

Research Articles

Design and performance study on adaptive sealing of a dry cabin for maintenance of submarine pipeline

Jin GUO, Xinghui TAN, Hai ZHU, Jiawang CHEN, Shidi JIN, Yuanjie CHEN, Jie CHEN, Ruiduo YIN

DOI: 10.1631/jzus.A2300507 Downloaded: 608 Clicked: 974 Cited: 0 Commented: 0(p.908-921) <Full Text> <PPT > 59

Chinese summary <441> 用于维护海底管道的干舱自适应密封设计与性能研究

作者：郭进^1,3，谭星晖¹，朱海¹，陈家旺⁴，金诗迪¹，陈元杰²，陈洁²，尹瑞多²
机构：¹浙江大学，海洋工程与技术研究所，中国舟山，316021；²浙江省计量科学研究院，中国杭州，310018；³浙江大学，海南研究院，中国三亚，572025；⁴东海实验室，中国舟山，316021
目的：以干式舱为基础的水下干式维护方法可以达到陆地上的维护质量。在干式舱和管道之间建立可靠的密封是形成干式环境的先决条件。本文旨在探讨气囊的物理特性对变形特性和密封性能的影响，并研究气囊在时变间隙条件下的自适应密封机制。
创新点：1.提出将非标准气囊应用于海底管道干舱的密封；2.提出气囊在时变间隙条件下的自适应密封机制。
方法：1.进行单轴试验，得到硅胶气囊的应力-应变构成模型；2.利用ABAQUS分析五种截面形状的密封气囊的密封性和受力特性；3.在间隙恒定的工作条件下，研究材料硬度、壁厚和充气压力对气囊变形、力学和密封特性的影响；4.研究所选安全气囊在时变间隙下的密封特性，并讨论安全气囊的自适应密封机理；5.进行全尺寸安全气囊压力试验，验证模拟结果的合理性。
结论：1.在满足密封的前提下，矩形截面安全气囊的米塞斯应力最小，可以提高安全气囊运行的安全性。2.安全气囊的接触应力峰值与气压大小接近，因此安全气囊的硬度对接触应力峰值几乎没有影响；硬度对安全气囊的米塞斯应力有轻微影响。3.厚气囊产生的接触应力更大，因此密封性能随着壁厚的增加而提高；随着壁厚的增加，气囊的变形程度减小，气囊的米塞斯应力呈下降趋势；但是，大的壁厚导致气囊的延展性较差，且气囊膨胀所能填充的间隙较小。4.在间隙时变条件下，随着间隙的增大，所需的气体压力也随之增大；米塞斯应力峰值随气囊膨胀量的增加而增加，且趋势与气体压力的趋势相似；间隙与气压之间的模拟关系可以指导干式座舱实际运行时安全气囊气压的控制。5.气囊膨胀试验结果与模拟结果的最大差值仅0.4 mm，且气囊压力结果与模拟结果的最大差值仅3.0%，这表明利用ABAQUS可以准确研究气囊的充气变形和密封特性。

关键词组：海底管道；水下干式舱；硅胶气囊；密封性能

Efficient reliability analysis via a nonlinear autoregressive multi-fidelity surrogate model and active learning

Yifan LI, Yongyong XIANG, Luojie SHI, Baisong PAN

DOI: 10.1631/jzus.A2300340 Downloaded: 670 Clicked: 1063 Cited: 0 Commented: 0(p.922-937) <Full Text> <PPT > 60

Chinese summary <440> 基于非线性自回归多保真代理模型和主动学习的高效可靠性分析方法

作者：李一帆，项涌涌，施罗杰，潘柏松
机构：浙江工业大学，机械工程学院，中国杭州，310023
目的：针对现有多保真建模方法需要嵌套训练样本来捕捉数据相关性导致的计算成本增加与未充分考虑不同保真度样本之间非线性关系导致模型精度低的问题，本文提出一种结合多保真建模和主动学习的可靠性分析方法，旨在实现高效且准确的失效概率估计。
创新点：1.基于非线性自回归方案构建了一种非线性自回归多保真克里金（NAMK）模型；2.在模型更新过程中，用集成的多保真学习函数代替传统的学习函数，通过综合考虑采样成本和多保真样本之间的相关性，从多保真样本空间中选择新的采样点；3.当选择高保真样本时，使用残差模型生成嵌套的低保真样本。
方法：1.在指定的参数范围内选择初始多保真样本，并使用NAMK构建初始代理模型；2.通过集成学习函数确定新样本的位置和保真度；3.一旦选择了一个高保真样本，根据残差模型生成嵌套的低保真度样本并根据新的样本更新模型；4.使用基于相对误差估计的停止准则终止主动学习过程并输出失效概率估计结果。
结论：1.本文所提出的基于多保真建模和主动学习的可靠分析方法提高了失效概率估计的效率和精度；2.利用NAMK模型来捕捉多保真样本之间的非线性关系，有效提高了代理模型的准确性；3.考虑多保真样本的相关性和采样成本的学习函数能自适应地确定新样本的位置和保真度；4.当学习函数选择高保真样本时，通过构造残差模型生成嵌套的低保真度样本可减少低保真度模型的调用次数。

关键词组：可靠性分析；多保真代理模型；主动学习；非线性；残差模型

Distribution law analysis and calculating method for windage power in a geotechnical centrifuge

Chuanxiang ZHENG, Yuchen DAI, Jiao LIN, Jianqun JIANG, Jinjie LU, Zhenyu WANG, Jiaming YAN

DOI: 10.1631/jzus.A2300288 Downloaded: 650 Clicked: 990 Cited: 0 Commented: 0(p.938-952) <Full Text> <PPT > 54

Chinese summary <442> 土工离心机风阻功率分布规律分析及计算方法研究

作者：郑传祥¹，戴煜宸¹，林娇¹，蒋建群¹，卢锦杰¹，王振宇¹，颜加明²
机构：¹浙江大学，能源工程学院，中国杭州，310027；²华东勘测设计研究院，中国杭州，300450
目的：风阻功率引起的温升是土工离心机大型化过程中的一个主要限制因素。本文旨在探究土工离心机内不同区域风阻功率的分布规律，并得到一种可以更为准确地计算风阻功率的方法，以期为大型土工离心机的温控设计提供理论支撑。
创新点：1.通过误差传递分析和排除设备的固有功率，获得了高可靠性的风阻功率实验数据；2.提出了新的风阻功率计算公式，明确了速度系数α和阻力系数C_i的影响因素。
方法：1.通过建造离心式超重力及跨学科实验设施（CHIEF）的缩比模型实验装置，准确测量设备的风阻功率，并用实验数据标定对应的数值模型；2.通过对仿真结果的分析，量化土工离心机内不同区域风阻功率的占比（表3和4，图7），从而确定影响风阻功率的关键区域；3.通过对关键区域关键参数（α、C_i）变化规律的探究（图9），确定关键参数的影响因素；4.根据关键参数的变化规律，推导出风阻功率的计算公式；5.通过对固有功率的分析，提出总功率的函数形式，并通过对已有土工离心机总功率的拟合，验证函数形式的正确性。
结论：1.采用间接测量方法获得风阻功率时，需要评估其传递误差；2.吊篮和转臂上风阻功率的占比分别为72%和28%，表明吊篮是关键部件；3.速度系数和风阻系数与设备的几何尺寸有关，几乎与角速度无关；4.消除固有功率的影响后，风阻功率与角速度的三次方成正比。

关键词组：土工离心机；风阻功率；关键部件和参数；CHIEF；固有功率

Effects of high geotemperature and high altitude on the pressure wave of high-speed trains running in a long tunnel

Lei LIU, Lin JING, Tian LI, Kaiyun WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300361 Downloaded: 685 Clicked: 1030 Cited: 0 Commented: 645(p.953-969) <Full Text> <PPT > 51

Chinese summary <440> 高地温和高海拔对高速列车长大隧道运行压力波的影响

作者：刘磊，敬霖，李田，王开云
机构：西南交通大学，轨道交通运载系统全国重点实验室，中国成都，610031
目的：高速列车隧道运行时产生的空气压力波会对车体及隧道结构的安全造成不良影响，是铁路隧道设计中需要解决的关键科技问题之一。高海拔地区高速铁路隧道具有长度大的显著特点，并且低气压、高地热等特殊线路环境条件将会对隧道内空气的密度、粘度等参数产生影响，从而影响列车隧道运行时产生的空气压力波的特性。研究高地温和高海拔对高速列车长大隧道运行压力波的影响，对于保证隧道高速列车在该地区隧道内运行时车体及隧道的结构安全有重要价值，并可为隧道的设计提供技术支持。
创新点：1.通过分析隧道长度对于高速列车隧道运行压力波特性的影响，确定具有代表性的隧道长度用于仿真模拟，以降低计算成本和有效反映高速列车长大隧道运行压力波特性。2.建立的计算空气动力学仿真模型中考虑了高温沿整个隧道的分布情况，可模拟更加真实的高地温环境。
方法：采用三维、非定常、可压缩雷诺时均方程和RNGk-ε湍流模型，研究高地温和高海拔对高速列车隧道通过和隧道交会压力波特性的影响。
结论：1.与正常环境温度的情况相比，当高速列车通过高地温隧道时，隧道和列车表面的压力峰值减小，并且出现得越来越早。2.与正常环境温度的情况相比，当高速列车在高地温隧道中交会时，隧道表面压力最大值沿隧道分布的对称点向隧道入口移动，压力最小值的分布也发生变化。3.随着海拔的上升，列车隧道通过及交会时，隧道和列车表面的压力波形以及列车两侧的压差保持不变，并且峰值线性减小。4.列车在高海拔、高地温的长大隧道中运行时，列车和隧道表面的压力幅值整体减小；然而，温度的变化会影响隧道表面压力幅值出现的位置，在隧道设计和维护时，这些位置可能需要更多的关注以及更准确的定位。

关键词组：高地温；高海拔；高速列车；长大隧道；压力波

Erratum

Erratum: Erratum to: Influence of momentum ratio control mode on spray and combustion characteristics of a LOX/LCH₄ pintle injector

Rui ZHOU, Chi-bing SHEN

DOI: 10.1631/jzus.A21e0402 Downloaded: 55 Clicked: 72 Cited: 0 Commented: 0(p.970-970) <Full Text>