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

2025 Vol.26 No.6 P.499-604

Cover:

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Contents:

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CONTENTS

Special Feature on Advanced Ocean Wave Energy Harvesting: Mechanisms, Technologies, and Applications

Guest Editors: Fang HE, Pengcheng JIAO

Research Article

Hydrodynamic characteristics of a wind turbine monopile foundation integrated with an oscillating water column wave energy device

Zhigang SHAN, Mengxia SONG, Jiapeng PAN, Baolong ZHANG, Miaojun SUN, Fang HE

DOI: 10.1631/jzus.A2400045 Downloaded: 930 Clicked: 1367 Cited: 0 Commented: 0(p.499-511) <Full Text> <PPT > 21

Chinese summary <4> 集成振荡水柱波能装置的海上风电单桩基础水动力特性试验研究

作者：单治钢¹，宋孟夏²，潘佳鹏²，张宝龙³，孙淼军¹，何方²
机构：¹中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，中国杭州，311100；²浙江大学，海洋学院，中国舟山，316021；³浙江省能源集团有限公司，中国杭州，310007
目的：通过振荡水柱装置与海上风电单桩基础结合的方式来提高成本效益，有望在提供波浪能的同时增加波能耗散、降低波浪载荷。本文对振荡水柱装置-单桩基础集成系统的水动力特性展开实验研究，旨在探讨波浪条件、动力输出(PTO)特性等参量对其波能俘获和波浪荷载的影响规律，为未来潜在的工程应用设计提供支持。
创新点：1.揭示PTO二次阻尼效应对于波能俘获和波浪荷载的作用机理；2.探讨振荡水柱装置-单桩基础集成系统波能俘获和波浪减荷的协同效应。
方法：1.采用不同尺寸圆形孔板模拟非线性能量俘获系统；2.通过一系列波浪水槽试验，对振荡水柱装置-单桩基础集成系统的水动力特性、波能俘获及波浪荷载展开研究；3.测量气室内气压及液面高程，获取不同入射波浪要素和孔板开口率下的气压及液面振荡信息，并计算气动功率、捕获宽度比等波能俘获性能指标；4.采用减载比量化振荡水柱装置-单桩基础集成系统相对于传统单桩基础的波浪减荷效果。
结论：1.由于二次阻尼效应的存在，不同空气流量下孔板的等效线性阻尼效果不同，而改变孔板开口率将导致气室内液面振荡和波能俘获的峰值波频发生偏移；2.振荡水柱装置-单桩基础集成系统在高频波浪作用下正向减荷效果显著；3.通过调整孔板开口率可使振荡水柱装置-单桩基础集成系统在宽频波浪范围下兼顾较高波能俘获效率和良好结构受力。

关键词组：振荡水柱；海上风电；单桩；波能转换器；波浪荷载

Multi-directional wind energy harvesting based on the coupling effect between a piezoelectric beam and an elastic-supported sphere

Shun WENG, Liying WU, Lanbin ZHANG, Ke GAO, Junshu ZHANG, Zhiyue ZHANG, Huliang DAI

DOI: 10.1631/jzus.A2400260 Downloaded: 566 Clicked: 683 Cited: 0 Commented: 0(p.512-524) <Full Text> <PPT > 25

Chinese summary <4> 基于压电梁与弹性支撑球体耦合效应的多方向风能采集

作者：翁顺¹，吴俐滢¹，张岚斌²，高珂¹，张俊树¹，张之越¹，代胡亮³
机构：¹华中科技大学，土木与水利工程学院，中国武汉，430074；²中国地质大学，工程学院，中国武汉，430074；³华中科技大学，航空航天学院，中国武汉，430074
目的：无线传感器网络在结构健康监测中非常关键，却受限于电池寿命，因此迫切需要环境能量收集技术以实现长期稳定的电力供应。本文旨在探索和开发一种新型的压电能量收集器，以期利用压电梁和弹性支撑球之间的耦合效应，实现多方向风能的有效捕获和转换。
创新点：1.提出利用压电梁和弹性支撑球之间的耦合效应来捕获风能的新方法；2.基于欧拉-拉格朗日方程开发非线性耦合动力学理论模型；3.通过实验验证耦合系统的动态模型，并研究频率比对输出性能的影响；4.研究来流角度对电气性能的影响，体现其在复杂环境中的潜在应用价值。
方法：1.利用压电梁和弹性支撑球的耦合效应设计能量收集器；2.建立基于欧拉-拉格朗日方程的非线性耦合动力学理论模型；3.通过实验验证理论模型，并进行Galerkin离散化分析；4.通过在风洞中调整收集器与来流风向之间的角度，测试不同来流方向下的电气性能。
结论：1.提出了弹性支撑球与压电梁耦合的球体涡激振动能量采集系统，且开发的动力学理论模型得到了实验验证；2.该俘能器可以有效的俘获多个来流方向的风能，且峰值输出电压相差不超过5%；3.理论和实验结果表明，球体固有频率与压电梁固有频率之比为1.34时可达到最大输出功率，且3.9 m/s风速时平均输出功率约为190 μW。

关键词组：风能采集；涡激振动；压电效应；自锁区间

Performance of a hybrid system with a semi-submersible wind platform and annular wave-energy converters

Binzhen ZHOU, Yu WANG, Zhi ZHENG, Peng JIN, Lei WANG, Yujia WEI

DOI: 10.1631/jzus.A2300285 Downloaded: 1509 Clicked: 8553 Cited: 0 Commented: 1637(p.525-539) <Full Text>

Chinese summary <2> 半潜式风力机平台与环形波能装置混合系统性能研究

作者：周斌珍¹，王玙¹，郑值¹，金鹏^1,2，王磊¹，魏宇嘉^3,4
机构：¹华南理工大学，土木交通学院，中国广州，510641；²华南理工大学，海洋科学与工程学院，中国广州，511442；³思克莱德大学，船舶与海洋工程院，英国格拉斯哥，G4 0LZ；⁴克兰菲尔德大学，可持续能源系，英国克兰菲尔德，MK43 0AL
目的：波浪能具有分布广、能流密度大等优点，近年来逐渐成为研究热点，然而波浪能技术的实际应用仍处于初级阶段，存在装机成本高、维护困难、难以收回投资等问题。本文旨在提出一种新型半潜式风力机平台-环形波能装置混合系统，研究混合系统的运动特性与能量特性，并实现波能装置的几何尺寸优化。
创新点：1.提出了一种新型WindFloat半潜式风力机平台-环形波能装置混合系统；2.优化了混合系统中的波能装置；3.分析了入射波角度对混合系统发电功率与运动的影响。
方法：通过约束矩阵，建立半潜式风力机平台-环形波能装置混合系统耦合数值模型，并进行混合系统运动特性与能量特性的研究。
结论：1.混合系统的总发电功率存在两个峰值，一个是环形波能装置共振引起的，另一个是波能装置与平台之间很大的动力输出系统阻尼导致波能装置与平台发生同步运动状态引起的；2.在混合系统总发电功率中，以波能装置共振引起的峰值作为波能装置尺寸优化依据更为合适；3.在部署混合系统时，将两个波能装置的一侧朝向入射波更为合适。

关键词组：半潜式风力机平台；波浪能；波能装置；能量；运动

Review

Review: Coastal bridge infrastructure: energy-harvesting and sensing capabilities through magnetic structured triboelectric nanogenerators

Ali MATIN NAZAR, Arash RAYEGANI, Maria RASHIDI, Fatemeh RAHIMI SARDO

DOI: 10.1631/jzus.A2300231 Downloaded: 1342 Clicked: 1593 Cited: 0 Commented: 0(p.540-557) <Full Text> <PPT > 25

Chinese summary <3> 沿海桥梁基础设施：通过磁结构摩擦纳米发电机实现能量收集和传感功能

作者：Ali MATIN NAZAR¹, Arash RAYEGANI²,Maria RASHIDI², Fatemeh RAHIMI SARDO³
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西悉尼大学，基础设施工程中心，澳大利亚悉尼，Kingswood 2747；³克尔曼沙希德·巴霍纳尔大学，矿业工程系，伊朗克尔曼
概要：本文概述了磁结构摩擦纳米发电机的最新进展及其在沿海桥梁基础设施的能量收集和传感方面的潜力。本文首先简要综述了摩擦纳米发电机的基本物理模式、静电序列以及影响摩擦纳米发电机发电和传输的因素，为后续章节奠定基础。本文的重点是不同类型的磁结构摩擦纳米发电机及其在沿海基础设施中的应用，其主要包括磁性球形摩擦纳米发电机、磁辅助摩擦纳米发电机、用于桥梁的磁结构摩擦纳米发电机以及基于摩擦纳米发电机的磁性多层结构。本文详细讨论了每种类型的磁结构摩擦纳米发电机的优势和局限性，强调了它们各自在不同沿海桥梁基础设施应用中的适用性。此外，论文还探讨了磁结构摩擦纳米发电机面临的挑战，并对其未来发展提出了见解。这些挑战包括需要提高磁结构摩擦纳米发电机在恶劣沿海环境中的耐久性和可持续性，提高其功率输出水平以满足高能量需求，以及需要学术界、工业界和政府机构通力合作以优化磁结构摩擦纳米发电机的性能。

关键词组：能量采集；智能沿海基础设施；摩擦纳米发电机；磁结构

Regular paper

Analyzing the strengthening effect of steel-ultra high performance concrete composite on segmental linings

Renpeng CHEN, Meng FAN, Hongzhan CHENG, Huaina WU, Yang ZHANG, Bingyong GAO, Shiqiang RUAN

DOI: 10.1631/jzus.A2400100 Downloaded: 828 Clicked: 1188 Cited: 0 Commented: 0(p.558-572) <Full Text>

Chinese summary <1> 钢-超高性能混凝土组合结构对盾构管片衬砌加固效果的分析

作者：陈仁朋^1,2,3，凡猛^1,2,3，程红战^1,2,3，吴怀娜^1,2,3，张阳⁴，高斌勇^1,2,3，阮世强^1,2,3
机构：¹湖南大学，地下空间先进技术研究中心，中国长沙，410082；²湖南大学，建筑安全与节能教育部重点实验室，中国长沙,410082；³湖南大学，土木工程系，中国长沙，410082；⁴湖南省风工程与桥梁工程重点实验室，中国长沙，410082
目的：本研究旨在评估钢-超高性能混凝土（UHPC）复合加固方法的综合加固效果。
创新点：该研究通过利用极限状态下的截面应变演化以及各材料受力实时监测反演结构内力的新方法计算轴力-弯矩相互作用曲线（N-M曲线）。
方法：1.计算N-M曲线，使用截面应变和实时应力测量；2.通过数值模拟和足尺四点弯曲实验验证计算方法；3.基于材料应力响应比较不同正和负弯矩的加固效果；4.分析各种加固参数的影响。
结论：1.加固截面的N-M曲线包络未加固截面的N-M曲线。2.在正弯矩作用下，大偏心破坏阶段的抗弯能力提高更大；在负弯矩作用下，小偏心破坏阶段的抗弯能力提高更大。3.加固效果的差异源于加固材料利用率对水平轴力的需求不同。4.研究结果为理解钢-UHPC复合材料的加固效果和参数提供了参考。

关键词组：加固效果；钢-超高性能混凝土（UHPC）组合结构；压弯耦合作用曲线；盾构管片衬砌

Centrifuge modeling of contaminant transport in keyed sand-bentonite cutoff walls

Bo HUANG, Linfeng CAO, Jiachen GUO, Chunrui XU, Yuchao LI

DOI: 10.1631/jzus.A2400148 Downloaded: 933 Clicked: 1270 Cited: 0 Commented: 0(p.573-584) <Full Text> <PPT > 30

Chinese summary <3> 嵌入式砂-膨润土防污阻隔墙污染物运移的离心模拟

作者：黄博，曹林峰，郭嘉琛，徐春瑞，李育超
机构：浙江大学，建筑工程学院，软弱土与环境土工教育部重点实验室，中国杭州，310058
目的：嵌入式土-膨润土防污阻隔墙的嵌入部分对其服役性能至关重要。本文通过开展离心模型试验，探讨嵌入部分对污染物迁移的影响，以期为嵌入式砂-膨润土防污阻隔墙的施工设计提供指导。
创新点：1.首次通过离心模型试验模拟了嵌入式砂-膨润土防污阻隔墙内的污染物运移；2.通过在数值模拟中添加裂隙这一内部边界条件，成功模拟了污染物的界面优势运移，使得模拟结果与试验结果吻合。
方法：1.通过离心模型试验，获得嵌入式土-膨润土防污阻隔墙服役36小时（相当于原型41年）后的污染物浓度分布；2.通过分析模型的渗漏量和阻隔墙内污染物浓度分布，探究阻隔墙嵌入部分与弱透水层界面处污染物的运移行为；3.通过小尺度染料示踪试验，验证界面优势运移的存在；4.通过界面优势运移的数值模拟，验证所提方法的可行性，并探究嵌入式砂-膨润土防污阻隔墙的击穿时间和服役寿命。
结论：1.阻隔墙的水平有效应力随深度先增加后减小，这与一些现场测量结果一致；2.在阻隔墙嵌入部分与弱透水层之间的界面存在污染物的优势运移，污染物沿着界面迅速运移，绕过阻隔墙的底部并到达下游；3.在数值模型中使用裂缝这一内部边界来模拟界面优势运移，模拟结果与离心试验结果较为吻合；4.界面优势运移作为一种缺陷，大大加快了污染物的运移速度，将阻隔墙的击穿时间缩短到没有界面优势运移时的1/9；5.在实际工程中，当原位土壤为粒径较大的砂土时，应使用粒径较小的粉土或粘土作为砂-膨润土防污阻隔墙的基土，以防止界面优势运移的产生。

关键词组：防污阻隔墙；离心模拟；污染物迁移；缺陷；击穿时间

Vibration characteristics of ballastless track and its effect on wheel‍–‍rail broadband dynamic interaction

Chaozhi MA, Liang GAO, Pu WANG, Bolun AN, Peng ZHOU, Mahantesh M NADAKATTI

DOI: 10.1631/jzus.A2400462 Downloaded: 246 Clicked: 266 Cited: 0 Commented: 0(p.585-604) <Full Text> <PPT > 17

Chinese summary <3> 无砟轨道振动特性及其对轮轨宽频动态相互作用的影响机理

作者：马超智¹，高亮²，王璞³，安博伦⁴，周鹏¹，Mahantesh M NADAKATTI⁵
机构：¹中国矿业大学，力学与土木工程学院，中国徐州，221116；²北京交通大学，土木建筑工程学院，中国北京，100044；³中国铁道科学研究院集团有限公司，铁道建筑研究所，中国北京，100081；⁴中国铁道科学研究院集团有限公司，金属及化学研究所，中国北京，100081；⁵高格特理工学院，机械工程系，印度贝尔高姆
目的：明确轮轨动载及其在无砟轨道中传递规律对提升高铁轨道动力学性能具有的重要意义。本文旨在探讨无砟道床自身振动特性对轮轨动载及其振动能量传递的贡献规律，以及阐明无砟道床参振对轮轨宽频动态相互作用的影响机理。
创新点：1.首次通过现场试验辨识了铺设不同隔离层（土工布、缓冲垫层等）下无砟道床的高阶模态参数；2.构建了精细考虑无砟轨道宽频振动特性的车辆-轨道动态相互作用分析模型；3.从模态互调的角度阐明了无砟道床参振对轮轨宽频相互作用的贡献规律和影响机理。
方法：1.通过布设密集的激励点和多个非对称排列的响应点，并结合每个响应点相干函数的实时评估及优化，辨识出无砟道床的高阶模态参数（图4和5）；2.融合试验辨识模态和理论仿真模态，并运用模态叠加法精细构建车辆-无砟轨道相互作用模型（图6）；3.基于无砟道床和轮轨子系统各自模态分析以及耦合下模态互调分析，阐明无砟道床参振对轮轨宽频相互作用的影响机理（图21~23）。
结论：1.无砟道床参振仅对轮轨低频动载有显著贡献，而对无砟轨道全频段振动能量传递规律均有影响；2.无砟道床和轮轨子系统间分别在低频和高频存在强烈和微弱的模态互调效应，而当聚焦在200 Hz以上的轮轨高频动态相互作用时可忽略无砟道床参振的影响；3.隔离层合理刚度的选取应避免无砟道床与轮轨子系统间的模态耦合共振，以减弱无砟轨道的振动能量。

关键词组：无砟轨道；高阶模态辨识；轮轨动载；振动能量传递；互调效应；合理刚度