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

2015 Vol.16 No.11 P.851-934

<<< CONTENTS >>>

Mechanical Engineering

Fluid flow analysis of drooping phenomena in pump mode for a given guide vane setting of a pump-turbine model

De-you Li, Ru-zhi Gong, Hong-jie Wang, Wen-wen Fu, Xian-zhu Wei, Zhan-sheng Liu

DOI: 10.1631/jzus.A1500087 Downloaded: 3068 Clicked: 6479 Cited: 4 Commented: 0(p.851-863) <Full Text> <PPT> 2134

Chinese summary <37> 给定活动导叶开口水泵水轮机模型泵工况驼峰现象流动分析

目的：探索水泵水轮机泵工况在超负荷工况（1.24φ_BEP）、最优工况（1.00φ_BEP）、靠近最优工况（0.90φ_BEP）、驼峰区工况（0.65φ_BEP）以及低负荷工况（0.45φ_BEP）的流动特性，期望获得流动特性变化规律，揭示驼峰特性形成机理。
方法：对某一水泵水轮机模型，采用剪切压力传输(SST) k-ω湍流模型进行三维定常数值模拟，在实验验证的基础上：1. 在曲面坐标系中，分析由叶片形状所引起的各个工况叶片进出口边在周向和叶片方向上的分布规律；2. 运用经典欧拉理论分析叶片进出口边液流角变化对各个工况的欧拉水头的影响；3. 通过水力损失分析，获得不同部件各个工况损失变化规律。
结论：1. 转轮叶片进出水边的液流角随着叶片方向在不同流量工况分布下具有明显差异，导致转轮流道不同程度流动分离；2. 运用经典欧拉理论得出驼峰区工况点出口角液流的减小与入口液流的增加是驼峰特性产生的主要原因之一；3. 通过损失分析，确定泵工况损失主要在转轮和双列叶栅中，得出转轮部分损失是驼峰特性形成的主要原因之一；4. 综合分析，驼峰特性是由该工况欧拉动量的减小和转轮部分损失的增加共同作用的结果。

关键词组：水泵水轮机；流动分析；液流角；水力损失；驼峰区

Multi-actuated mechanism design considering structure flexibility using correlated performance reinforcing

Jing-hua Xu, Shu-you Zhang, Jian-rong Tan, Zhen Zhao

DOI: 10.1631/jzus.A1500003 Downloaded: 2885 Clicked: 4622 Cited: 2 Commented: 0(p.864-873) <Full Text> <PPT> 2140

Chinese summary <38> 考虑结构柔性的多激励机构关联性能强化设计方法

目的：揭示多场耦合环境下的多自由度系统中柔性结构对机构性能的影响规律，以低压断路器多激励操动机构为例，研究机-电-热-磁耦合的多模态分断性能强化设计方法，提高短路、过载、欠压、缺相和漏电时的瞬时、短延时和长延时分断性能。
创新点：1. 将多自由度刚柔耦合系统的物理坐标转换为模态坐标，实现模型降阶和关联性能解耦；2. 运用类比法获得零部件对关联性能的影响度，通过实验设计将难测属性转化为关联易测量，实现机构的关联性能强化。
方法：1. 将多自由度的含柔体动力学系统转化为自由度乘模态阶的方阵，通过Craig-Bampton逐层降阶模态矩阵，并由迭代步反馈激活柔体的高阶模态；2. 通过类比求解霍尔姆力、洛伦兹力、电动斥力、电磁力和悬臂双金属片激励力，获得多激励系统机构关节的性能关联程度；3. 通过低压断路器电气实验和温升实验，验证零件结构柔性对机构的性能影响规律，实现多激励机构多模态分断性能强化设计。
结论：1. 提出的考虑结构柔性的多激励机构关联性能强化设计方法有助于提高多自由度动力学系统的瞬态性能；2. 结构柔性降低分断性能，使高频分断中的峰值段性能退化；3. 基于实验设计的电气实验和温升实验，验证了多激励机构关联性能强化方法的有效性。

关键词组：多激励机构；机-电-热-磁耦合；多体刚柔耦合动力学系统；低压断路器；关联性能强化

Modeling of a virtual grinding wheel based on random distribution of multi-grains and simulation of machine-process interaction

Xiang-lei Zhang, Bin Yao, Wei Feng, Zhi-huang Shen, Meng-meng Wang

DOI: 10.1631/jzus.A1400316 Downloaded: 3954 Clicked: 5032 Cited: 3 Commented: 0(p.874-884) <Full Text> <PPT> 1952

Chinese summary <34> 基于多颗磨粒随机分布的虚拟砂轮建模及机床-工艺交互仿真

目的：以硬质合金材料的精密磨削加工为对象，探索机床-工艺之间的交互作用，构建多颗磨粒磨削模型和机床模型，通过两个模型之间参数传递与交互耦合仿真，实现对机床-工艺交互作用的预测。
方法：1. 根据金刚石砂轮形貌构建磨粒位姿随机分布的虚拟砂轮，建立多颗磨粒磨削模型，对新模型的磨削力预测进行实验验证；2. 建立机床模型，特别是主轴-砂轮模型，并通过刚度试验；3. 将磨削模型的磨削力与机床模型的砂轮变形作为交互参数实现机床-工艺之间的交互作用仿真。
结论：1. 构建的多颗磨粒模型可以实现磨削力预测；2. 构建的机床模型可以模拟机床结构刚度；3. 机床产生的变形与磨削力之间存在显著的交互作用，文中提出的有限元耦合仿真法可以实现预测机床-工艺的交互作用。

关键词组：虚拟砂轮；随机分布；交互作用；精密磨削；耦合仿真

Relationship among S-N curves corresponding to different mean stresses or stress ratios

Shan-qin Hou, Jin-quan Xu

DOI: 10.1631/jzus.A1400321 Downloaded: 3822 Clicked: 4293 Cited: 2 Commented: 0(p.885-893) <Full Text> <PPT> 1850

Chinese summary <32> 不同平均应力或应力比下S-N曲线之间的关系

目的：探讨平均应力或应力比对S-N曲线的影响，并期望得到不同应力比或平均应力下统一的S-N曲线的数学形式。
方法：1. 基于Kachanov的疲劳损伤演化律，考虑循环载荷作用下高周疲劳的实际情况，提出疲劳损伤演化模型；2. 采用高镇同（1981）的实验数据，验证不同平均应力下S-N曲线的数学表达式； 3. 利用等效对称应力幅和等效对称寿命的概念，研究不同平均应力下的S-N曲线数学表达式。
结论：1. 提出任意循环比或平均应力下S-N曲线的统一数学表达式；2. 给出疲劳极限、比例系数和平均应力间的关系；3. 引入等效对称循环应力和寿命的概念，可以将任意循环比或平均应力下的疲劳等效为对称疲劳。

关键词组：损伤力学；S-N曲线；演化律；等效方法；疲劳极限

Energy Engineering

Transient thermal behavior of a microchannel heat sink with multiple impinging jets

Ting-zhen Ming, Yan Ding, Jin-le Gui, Yong-xin Tao

DOI: 10.1631/jzus.A1400313 Downloaded: 3055 Clicked: 6368 Cited: 3 Commented: 0(p.894-909) <Full Text> <PPT> 2001

Chinese summary <35> 基于多冲击射流的微小通道热沉的瞬态热行为

目的：利用数值模拟方法分析动态变化的受热面热流密度和入口速度对多冲击射流微小通道（MHSMIJ）的传热性能和温度波动特征的影响。
创新点：1. 提出MHSMIJ热行为数值模拟方法；2. 分析受热面热流密度的振幅和周期对MHSMIJ行为的影响；3. 分析冲击射流速度的振幅和周期对MHSMIJ动态热行为的影响；4. 分析材料热物性参数对MHSMIJ的时间滞后效应的影响。
方法：1. 采用周期性函数来描述冲击射流的速度入口和受热面的热流密度的波动；2. 利用数值模拟方法分析周期和振幅对MHSMIJ的动态热行为的影响。
结论：1. 受热面热流密度的波动周期对MHSMIJ行为的影响十分显著，MHSMIJ的时间滞后效应随着波动周期的增加而增加，其基底表面温度和表面传热系数也随之发生变化；2. 受热面热流密度的波动振幅对MHSMIJ的温度波动产生显著的影响；3. 冲击射流的入口速度的振幅对MHSMIJ的动态传热性能产生影响。

关键词组：带冲击射流的微小通道；传热；正弦热流密度；正弦入口速度；相位滞后

Review: Temperature inhomogeneity in high capacity pulse tube cryocoolers

Kai Fang, Li-min Qiu, Xiao Jiang, Zhi-hua Gan, Ning-xiang Tong

DOI: 10.1631/jzus.A1400296 Downloaded: 3005 Clicked: 5041 Cited: 0 Commented: 0(p.910-921) <Full Text> <PPT> 1845

Chinese summary <36> 大功率脉管制冷机的温度非均匀性

目的：大功率脉管制冷机中存在的温度非均匀性问题导致回热器效率低下，严重阻碍制冷机性能的提高。本文回顾回热器非均匀性问题的理论与试验研究，对当前理论与实验的研究结果进行细致的分类与探讨，并展望将来非均匀性研究可能的发展方向。
方法：1. 当前回热器非均匀性理论与实验研究主要包括形成机理、发展机制和抑制方法三个方面。其中对其形成机理和发展机制的研究以理论为主，抑制方法的研究以实验为主。2. 回热器温度非均匀性的形成机理，按照其诱发因素的来源可划分为内源性与外源性因素，其中内源性因素包括与回热器相关和变径流道等，外源性因素包括自然对流效应及外界温度扰动。3. 发展机制主要认为是气体粘度与温度之间的正向关系导致的回热器内温度与流阻的正反馈效应。4. 抑制方法主要是增加回热器内径向热导率，阻断其发展机制，或增加回热器长径比，抑制其影响范围。
结论：1. 温度非均匀性形成机制复杂，为多因素耦合作用；2. 气体粘度与温度之间的正向关系导致的回热器内温度与流阻的正反馈效应是导致非均匀性发展的主要因素；3. 增加回热器径向热导率和回热器长径比可有效抑制非均匀性。

关键词组：温度非均匀性；内部流；大功率；脉管制冷机

Civil Engineering

A semi-analytical method and its application for calculating the thermal stress and displacement of sparsely fractured rocks with water flow and heat transfer

Yong Zhang, Yan-yong Xiang

DOI: 10.1631/jzus.A1400364 Downloaded: 2686 Clicked: 5596 Cited: 0 Commented: 0(p.922-934) <Full Text> <PPT> 2137

Chinese summary <32> 稀疏裂隙岩体水流传热过程中热应力及位移的半解析计算方法和应用

目的：探索核废料地质处置库近场岩体在热源（核素衰变产生热量）和裂隙水流动影响下的应力和变形规律，为处置库的安全评估提供理论基础。
创新点：针对包含内热源和饱和裂隙水流动的岩体，提出一种稀疏裂隙岩体水流传热过程中热应力及位移的半解析计算方法，并将该方法应用于核废物处置库近场裂隙岩体温度、热应力和位移的分布特征分析。
方法：首先根据热弹性位移势法建立拉普拉斯变换域内的基本积分方程，然后将裂隙离散化，利用数值积分方法计算不含奇点的裂隙单元积分，采用解析法计算包含奇点的单元积分，再根据拉普拉斯数值逆变换将热弹性位移势转换到时间域中，最后利用中心差分法计算热应力和位移。
结论：1. 在处置库运营早期，岩石受分布热源影响而产生热膨胀区域的范围（即受压区域）较为有限； 2. 核素在经过长期的衰变过程后，热流强度大幅降低，使得处置库近场岩石中仅有热源附近的极小部分岩石为受压区域；3. 裂隙水的流动传热作用使得处置库下游的温度峰值更高，且裂隙水流速越大，流动传热作用越明显，裂隙水流速对热应力和位移的影响与温度类似；4. 过小的热源间距会使不同热源间传热作用叠加，从而导致处置库近场的温度、热应力和位移峰值急剧增大。

关键词组：稀疏裂隙岩体；裂隙水流；热传导；热弹性位移势；热应力