目的:为提高资源重复利用率,建筑垃圾常常被回收、粉碎并重新应用在土木工程建设中. 本文旨在将回收建筑垃圾骨料应用于三层土覆盖层系统,并研究植物对其防渗特性的影响.
创新点:1. 提出一种由建筑垃圾构筑而成的三层土覆盖层系统; 2. 对比灌木、草以及裸土3种工况下该覆盖层的防渗特性.
方法:1. 采用一维土柱渗透试验研究由建筑垃圾构筑而成的三层土覆盖层系统的防渗特性. 2. 分别模拟灌木、草和裸土3种植被覆盖情况. 3. 移栽植物并养护,而后进行降雨试验,对比3种植被覆盖层的吸力响应及水分渗入.
结论:1. 在干旱条件下,蒸腾作用的大小顺序为:灌木>草>裸土,因为植物可以将更多的水分从覆盖层中释放到大气中; 2. 在极端降雨条件下,相比裸土覆盖层,植被覆盖层可以更好地保持吸力并阻止渗滤液的产生,且灌木比草效果更佳; 3. 在极端降雨条件下,由建筑垃圾构筑而成的植被型三层土覆盖系统是一种理想覆盖层,可以在湿润地区有效防止雨水下渗而进入垃圾体.

关键词组：回收骨料; 吸力; 三层土覆盖系统; 植物种类; 土壤含水率

目的:了解孔径分布函数对水分在非饱和土体中迁移的影响,并提出相关数学模型,量化非饱和土体在不同吸力作用下的渗透系数.
创新点:从孔径分布函数出发探讨土体的工程性质,以日常生活中所用的阀门模型解释非饱和土体在不同吸力作用下的渗透系数. 提出采用非饱和土渗透系数的实验数据,间接估算土体的孔径分布函数.
方法: 从物理模型推导相关数学公式,并用实验结果对数学公式进行验证.
结论: 孔径分布函数主导非饱和土的渗透系数; 孔径分布函数是连接土体两大水力特性(包括水土特征曲线和渗流方程)的桥梁. 孔径分布函数对水分在土体中迁移的作用可以用日常生活中使用的阀门模型简单描述. 基于阀门模型,土体的孔径分布函数也可以由土体的非饱和渗透系数的相关实验数据间接估算得到.

关键词组：水土特征曲线; 水力特性; 孔径分布函数; 渗透方程; 阀门模型

目的:掌握分叉隧道的空气流动特征与阻力损失特性是进行分叉隧道通风设计和控制的关键. 本文旨在探讨小角度分叉结构中的流动特征及局部损失机制,并基于流动分离机制构建可供设计使用的分叉隧道分流局部损失系数的理论公式.
创新点:1. 揭示气流在小角度分叉结构中的流动分离特征及损失机制; 2. 提出流向偏转角假设,建立可供设计使用的分叉隧道分流局部损失预测模型.
方法:1. 通过数值模拟,获得隧道分叉处的流动特征(图5、6a和6d),以及分流局部损失系数随分流比及 夹角的变化规律(图6b和6c); 2. 通过理论推导,构建小夹角分叉结构的分流局部损失系数预测公式(公式(18)和(21)); 3. 通过现场实测,验证预测公式的可靠性(图15).
结论:1. 空气在隧道分叉处的分流将导致流速和流向的变化; 当分流比β较小时,流动分离出现在靠近分叉点一侧的主线边壁和远离分叉点一侧的匝道边壁; 当β较大时,流动分离出现在远离分叉点一侧的主线边壁和靠近分叉点一侧的匝道边壁. 2. 当分流后主线与匝道的流量比q等于两者的面积比ϕ时,主线及匝道的分流局部损失系数ξ₁₂和ξ₁₃最小; 当q>ϕ时,ξ₁₂和ξ₁₃均随β的增大而减小,且ξ₁₃随着θ的增大而增大; 当q<ϕ时,ξ₁₂和ξ₁₃均随β的增大而增大,且ξ₁₃随着θ的增大而减小. 3. 基于隧道分叉处的流动分离机制,提出了空气流向偏转角假设,构建了可用于预测分叉隧道分流局部损失系数的理论公式,与已有文献公式相比,具有更好的预测精度.

关键词组：分叉隧道; 分流; 局部损失机制; 流动分离特征; 计算流体动力学; 理论公式

目的:成型后的金属内胆复合材料气瓶,即III型复合材料气瓶(以下简称气瓶),需采用自紧工艺来提高疲劳寿命. 最佳自紧压力是自紧工艺的重要参数. 本文旨在建立确定最佳自紧压力和气瓶渐进失效的有限元方法,研究自紧后气瓶纤维和基体损伤演化规律,并探讨自紧后气瓶复合材料层和金属内衬层的应力变化.
创新点:1. 建立针对三维气瓶的Hashin失效准则和指数型损伤演化的渐进失效模型,并通过ABAQUS-UMAT隐式有限元方法确定气瓶最佳自紧压力; 2. 通过渐进失效分析,揭示自紧后的气瓶纤维和基体损伤的损伤演化规律,并阐明自紧对气瓶渐进失效的影响.
方法:1. 基于连续损伤力学,建立三维Hashin失效准则和指数型损伤演化的渐进失效理论模型; 2. 通过ABAUQS-UMAT二次开发用户子程序实现渐进失效理论模型,并开展气瓶渐进失效计算; 3. 通过平板拉伸算例以及与气瓶试验数据对比,验证模型的准确性.
结论:1. 基体损伤首先出现在螺旋层,而纤维损伤首先出现在环向层. 2. 除了自紧后的泄压阶段和自紧后重新加压至压力值等于自紧压力的升压阶段,有无自紧的气瓶损伤演化规律基本一致; 而在上述泄压和升压阶段,基体损伤保持不变,说明经过自紧后的气瓶在工作压力下存在基体损伤. 3. 当内压压力低于自紧压力时,自紧工艺才会影响气瓶应力分布; 且随着压力的升高,基体损伤不变,内衬应力减少,纤维应力增加; 此外,经过自紧的气瓶在工作压力下最大环向和轴向内衬应力减少且出现在筒体部分的两端.

关键词组：复合材料气瓶; 损伤演化行为; Hashin失效准则; 有限元分析

目的:微通道以其效率高、体积小等特点在许多领域有着越来越广泛的应用. 特斯拉阀是一种没有运动部件的止回阀,在微流动控制领域有着明显的优势. 大量研究表明,将纳米流体运用到微尺度通道中可明显提高换热效率. 本文将二者结合,研究Al₂O₃-水纳米流体在微尺度特斯拉阀中的流动特性,为微尺度特斯拉阀以及纳米流体的进一步研究提供参考.
创新点:1. 将特斯拉阀应用于纳米流体的微流动控制中; 2. 研究不同的操作条件和不同的介质特性对纳米流体在微尺度特斯拉阀中流动特性的影响; 3. 研究纳米流体在微尺度特斯拉阀中不同流动方向的流体分布和压力情况,并根据特斯拉阀的压降比(反向流动压降/正向流动压降)来分析特斯拉阀对微流动的控制效果.
方法:1. 建立微尺度特斯拉阀的三维模型; 2. 通过有效性验证的数值方法,在不同操作条件和不同流动介质特性的情况下,模拟纳米流体在微尺度特斯拉阀中正反两个方向的流动; 3. 根据流体在流动过程中的分布以及压力的变化情况,分析温度、流体流量和纳米颗粒体积分数对纳米流体在微尺度特斯拉阀中流动特性的影响.
结论:1. 纳米流体在特斯拉阀中正向流动时,大部分流体进入了分叉段中的直通道; 而反向流动时,大部分流体进入了分叉段中的弧形通道,并且随着流量、温度和纳米颗粒体积分数的增加,主流量的百分比增加. 2. 当纳米流体反向流动时,在弧形通道出口处的射流对压降的影响非常明显,这是导致反向流动压降大于正向流动的重要原因. 3. 特斯拉阀的压降比受流量的影响最显著; 在本文的研究范围内,压降比随着流量的增加而线性增加.

关键词组：纳米流体; 特斯拉阀; 纳米颗粒; 计算流体动力学

目的:提出一种自由汇流旋涡形成过程建模求解方法,得到其临界贯穿条件,并揭示其Ekman边界层抽吸演化机理.
创新点:1. 基于二维Rankine位势涡理论,建立自由汇流旋涡动力学模型,得到其压力、速度分布; 2. 提出一种基于Helmholtz方程的汇流旋涡贯穿临界条件求解方法; 3. 成功搭建一种基于双目内窥技术的汇流旋涡观测实验平台,可实现对旋涡贯穿及Ekman抽吸过程的精确观测.
方法:1. 将汇流旋涡定义为涡核与核外流两部分,并基于Bernoulli方程与Lamb-ΓΡΟΜΕΚΟ方程得到汇流旋涡界面形状及压力、速度分布; 2. 基于上述动力学模型,结合Helmholtz涡量动力学方程,利用分离变量积分方法,得到旋涡形成轴向速度与深度的解析关系表达式; 3. 基于粒子图像测速(PIV)方法,结合双目内窥技术,实现对汇流旋涡临界贯穿与边界层抽吸的流动细节特征的实时追踪.
结论:1. 汇流旋涡临界贯穿条件是一个解集,这是由不同的流场初始扰动条件造成的; 2. 旋涡抽吸孔最 低点的高度由容器的几何参数决定,与初始扰动速度无关; 3. 若初始扰动增强,旋涡深度与Ekman层厚度增加,但在抽吸过程中的边界层涡量强度有减弱趋势; 4. PIV实验验证了上述理论结果的正确性,并观测到旋涡半径边界与涡量集聚现象.

关键词组：汇流旋涡; 临界贯穿条件; Ekman边界层; 抽吸演化机理

目的:材料挤出成型增材制造技术在成形质量与加工效率方面仍有很大的提升空间. 本文通过探究成形过程中的关键参数(打印速度和施加气压)对挤出丝宽的影响,研究实现可变丝宽的方法,提出自适应丝宽在提升工艺方面的应用,从而提高该工艺的适用性.
创新点:1. 通过实验与物理模型结合的方法,推导关键参数与丝宽的函数关系; 2. 基于增材制造技术的工艺特点,提出自适应丝宽在该工艺中的典型应用.
方法:1. 通过物理模型分析与数学推导,构建挤出丝宽与关键过程参数的函数关系,得到众多过程参数中对丝宽影响最为显著的两个参数; 2. 通过实验分析与对比,对构建的数学模型进行验证; 3. 提出自适应可变丝宽的实现方法及典型应用的实施方案.
结论:1. 挤出成型增材制造技术可以通过参数调节获得可控的挤出丝宽; 2. 两大关键工艺参数与丝宽之间存在关联函数; 3. 运用自适应可变丝宽可以提高工艺的适用性.

关键词组：挤出成型; 工艺参数; 可变丝宽; 典型应用