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

2017 Vol.18 No.10 P.757-840

<<< CONTENTS >>>

Articles

Surface settlements induced by tunneling in permeable strata: a case history of Shenzhen Metro

Xiao-wu Tang, Peng-lu Gan, Wei Liu, Yu Zhao

DOI: 10.1631/jzus.A1600522 Downloaded: 3602 Clicked: 4412 Cited: 0 Commented: 0(p.757-775) <Full Text> <PPT> 1778

Chinese summary <24> 渗透性地层中隧道施工引起的地表沉降--以深圳地铁为例

目的：在城市地铁的建设过程中，地下水渗流对地表沉降存在较大影响。然而，渗透性地层中浅埋暗挖法施工的案例报道较少，地表沉降规律尚不明晰。本文以深圳地铁5号线和7号线重叠段工程为例，详细分析在渗流作用下浅埋暗挖法施工引起的地表沉降特征以及小导管注浆区和初支衬砌渗透性对地表沉降的影响，并进一步研究超前排水措施在沉降控制方面的作用。
创新点：1. 系统分析了富水渗透性地层中浅埋暗挖隧道施工引起的地表沉降的发展过程以及沉降特征；2. 验证了三维流固耦合数值模型模拟富水环境下重叠隧道施工过程的可行性；3. 研究了小导管注浆区、初支衬砌的渗透性和超前排水措施对地表沉降的影响。
方法：1. 结合隧道施工方案和地表沉降监测数据，分析渗流作用下的地表沉降特征（包括沉降影响范围、沉降槽宽度以及与拱顶沉降的关系等）；2. 通过三维流固耦合数值模型，研究小导管注浆区和初支衬砌渗透性对地表沉降以及地层孔压变化过程的影响；3. 通过模拟掌子面前方水平排水孔，研究超前排水措施对掌子面稳定性和地表沉降发展的影响。
结论：1. 对于渗透性地层中的浅埋暗挖隧道工程，地下水渗流引起的固结效应是地表沉降量以及沉降范围大幅增长的主要原因。2. 全断面注浆能够很好地控制地表沉降，而小导管注浆的效果则十分有限。3. 降低小导管注浆区的渗透性，尤其是初支衬砌的渗透性，可以减少地层孔压的下降程度，进而降低地表沉降。4. 打设超前水平排水孔可以显著提高掌子面稳定性，却对地表沉降影响有限；当无法进行全断面注浆时，推荐采取小导管注浆与超前排水相结合的方式施工。

关键词组：地表沉降；浅埋暗挖法；地下水渗流；预注浆；超前排水；流固耦合分析

Analysis of the dynamic stress path under obliquely incident P-waves and its influencing factors

Bo Huang, Qi-qun Li, Dao-sheng Ling, Jing-wen Liu, Yu Wang

DOI: 10.1631/jzus.A1600497 Downloaded: 2574 Clicked: 4554 Cited: 0 Commented: 0(p.776-792) <Full Text> <PPT> 1813

Chinese summary <23> P波斜入射形成的动应力路径及影响因素分析

目的：研究P波斜入射下的地基动应力路径，探讨其影响因素和可能变化范围，为进一步研究斜入射地震波作用下场地动力响应奠定理论基础。
创新点：1. 从数学上证明斜入射P波在任一深度的地基中形成的应力路径在剪应力分量（偏差正应力-水平剪应力）组成的平面中为一个斜椭圆； 2. 分析了P波入射角、土体泊松比和单位波长深度对斜椭圆应力路径形状与大小的影响。
方法：1. 基于半无限弹性空间的地震波传播理论，考虑地震波在自由界面的反射，推导土体中任一深度处由P波斜入射产生的动应力，并表示成由剪应力分量组成的平面下的应力路径（公式（9））及该应力路径的特征参数表达式（公式（A12） ~（A14））；2. 通过控制变量法，分析参数敏感性（图7、9、10和12）。
结论：1. 虽然证实P波斜入射引起的应力路径为斜椭圆形式，但在地基深度、入射波频率和波速的特定组合下，斜椭圆仍可从斜线一直变化到圆形，形式较为多样化；2. P波斜入射角度在30(~60( 时引起的动偏应力幅最大，最大可达同等条件下其它入射角产生的动应力幅的2倍以上；3. 斜入射角大于45(后，斜椭圆路径形状几乎不随入射角改变，在研究范围内以竖直扁椭圆形为主；4. 土体饱和度大于70%时，泊松比的变化对土体斜椭圆路径形状影响不大，但动应力幅随泊松比增大而显著降低。

关键词组：近场地震；P波；斜入射；弹性半空间；动应力路径

Large eddy simulation of unsteady aerodynamic behavior of long-span vaulted roofs

Wei Ding, Yasushi Uematsu

DOI: 10.1631/jzus.A1600691 Downloaded: 2696 Clicked: 5818 Cited: 0 Commented: 0(p.793-806) <Full Text> <PPT> 1845

Chinese summary <25> 基于大涡模拟方法研究大跨度曲面屋盖非定常气动力的特性

目的：探讨作用于大跨度曲面屋盖非定常气动力的特性，为考虑非定常气动力影响的大跨度曲面屋盖抗风设计提供理论参考。
创新点：1. 采用强迫振动试验；2. 采用大涡模拟（LES）流入脉动风的生成方法；3. 研究大跨度曲面屋盖非定常气动力特性。
方法：1. 通过强迫振动风洞试验方法探讨风速、强迫振动振幅、屋盖的矢跨比和缩减频率对非定常气动力的影响；2. 采用计算流体力学数值模拟重现风洞试验，从而在更宽的缩减频率范围内分析非定常气动力的特性，并且通过可视化流场的分析探讨风与屋盖相互作用的机理。
结论：1. 屋盖的振动对屋盖表面的风压分布影响较大。2. 屋盖的振动可能抑制屋盖背风面漩涡的脱落。3. 根据风洞试验和数值模拟的结果分析得到的矢跨比、风速和振动振幅对气动阻尼系数和气动刚度系数的影响较小；气动阻尼系数和气动刚度系数主要随着缩减频率的变化而变化。4. 气动刚度系数为正值，使得结构的总刚度减小，从而减小结构的固有频率；气动阻尼系数为负值，使得结构总阻尼增加。5. 风洞试验和LES模拟结果的一致性可以说明，LES是一个能够有效研究非定常气动力特性的数值模拟方法。

关键词组：大涡模拟；大跨度曲面屋盖；非定常气动力；风洞试验；强迫振动试验

Characterization of the mean velocity of a circular jet in a bounded basin

Jun-ning Li, Jian-min Zhang, Yong Peng

DOI: 10.1631/jzus.A1600761 Downloaded: 2095 Clicked: 3462 Cited: 0 Commented: 0(p.807-818) <Full Text> <PPT> 1414

Chinese summary <25> 有限空间内圆形射流时均流速特性研究

目的:圆形射流在实际工程中有着重要应用.本文旨在探讨弗劳德数(Fr)、跌坎高度和淹没度的变化对有界圆形射流时均流速在主流方向、横向和垂向上的衰减扩散规律的影响,对圆形射流的现有研究成果作进一步的补充.
创新点:1. 推导出圆形跌坎射流主流方向上流速与射流距离之间的关系;2. 综合考虑了不同Fr、跌坎高度和淹没度对有限空间内的圆形射流流速分布的影响.
方法:1. 通过理论推导,验证流速测量方法的可行性和合理性;2. 通过试验的方法,分析Fr、跌坎高度和淹没度的变化对圆形射流时均流速衰减和扩散的影响规律.
结论:1. 得出圆形射流主流方向流速衰减的公式;圆形射流的横向流速分布与高斯、柯西-洛伦兹分布吻合较好.2. 当 Re>1×10⁴时,Fr变化对流速衰减影响较小.3. 当X/d<10时,横向和垂向流速扩散与主流方向的距离呈二次方关系.4. 时均流速最大值的位置与Fr和S/d无关.

关键词组：圆形射流;流速衰减;Fr;跌坎高度;淹没度

Integrated direct air capture and CO₂ utilization of gas fertilizer based on moisture swing adsorption

Cheng-long Hou, Yu-song Wu, You-zhou Jiao, Jie Huang, Tao Wang, Meng-xiang Fang, Hui Zhou

DOI: 10.1631/jzus.A1700351 Downloaded: 1987 Clicked: 3393 Cited: 0 Commented: 0(p.819-830) <Full Text> <PPT> 1571

Chinese summary <26> 基于变湿吸附的空气CO₂捕集与植物利用的耦合研究

目的：探究季铵型聚合物CO₂解吸附过程温度和CO₂浓度等变量对解吸附热力学和动力学的影响；研究空气CO₂捕集供给植物增产的耦合方法，降低空气CO₂捕集与利用的能耗与成本。
创新点：1. 基于变湿吸附技术，探究了季铵型聚合物CO₂解吸附过程的热力学及动力学特性；2. 获得了CO₂作为气肥供给植物增产的关键影响参数； 3. 建立并优化了空气CO₂捕集与植物利用的耦合模型。
方法：1. 通过CO₂吸附平衡与动力学实验，获得季铵型聚合物CO₂解吸附的平衡常数和动力学常数的影响参数；2. 通过植物CO₂吸收实验，获得CO₂供给植物增产过程中CO₂浓度和光照强度对吸收速率的影响；3. 通过理论推导，构建解吸附CO₂浓度与吸附剂质量、温度以及吹扫气流量等的关系，获得空气CO₂捕集与植物增产的耦合模型并计算CO₂捕集的能耗与成本。
结论：1. 季铵型聚合物材料吸附CO₂的平衡常数随温度的升高而降低；吸附、解吸附动力学常数随温度的升高而升高。2. CO₂供给植物增产的最佳浓度和光照强度为1000 ppm和8000 lux。3. 基于优化的空气捕集与植物利用的耦合算法，CO₂的捕集能耗与成本分别为35.67 kJ/mol和34.68 USD/t。

关键词组：直接空气捕集；解吸附动力学；温室；CO₂气肥；成本分析

Simulation and experimental evaluation of a combustion-powered actuator for hopping

Yun-guang Luan, Hua-ming Wang, Dong-biao Zhao, Yang Wang, Feng-hong Chen

DOI: 10.1631/jzus.A1600773 Downloaded: 2254 Clicked: 4054 Cited: 0 Commented: 0(p.831-840) <Full Text>

Chinese summary <23> 燃爆弹跳驱动器仿真与试验研究

目的：研究燃爆弹跳驱动器热-动力学模型，分析驱动器的输出性能，并通过试验验证驱动器热-动力学模型的正确性。
创新点：1. 建立了燃爆弹跳驱动器热-动力学模型，得到燃爆弹跳驱动器的相关输出参数随时间的变化规律；2. 通过理论仿真与试验测试分析了驱动器的输出性能。
方法：1. 根据对燃爆弹跳机器人工作过程分析，推导出燃爆弹跳驱动器工作过程中的动力学模型，并对锁紧力与弹簧刚度参数进行测试；2. 根据热-动力学模型推导出燃烧室内压力随时间变化的函数；3. 通过试验测试驱动器驱动弹跳过程中压力和位移随时间的变化曲线，将测试结果与热-动力学模型仿真的结果进行比较。
结论：1. 建立了燃爆弹跳驱动器的热-动力学模型，得到了驱动器的输出性能参数；2. 试验测试结果与仿真计算结果吻合，证明了驱动器热-动力学模型的正确性。