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

2022 Vol.23 No.2 P.83-156

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Computational fluid dynamics analysis on flow-induced vibration of a cryogenic poppet valve in consideration of cavitation effect

Ai-bo WEI, Rong GAO, Wei ZHANG, Shun-hao WANG, Rui ZHOU, Xiao-bin ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100118 Downloaded: 2828 Clicked: 4168 Cited: 0 Commented: 0(p.83-100) <Full Text> <PPT> 430

Chinese summary <37> 低温调节阀空化流致振动的计算流体力学分析

目的：大型低温风洞大流量液氮调节阀内部流场与阀门结构相互作用，不仅会引起阀芯表面不对称的瞬态压力分布从而导致阀芯的振动，而且会损坏密封装置和管路元件，严重时甚至会导致低温风洞无法正常运行。本文旨在探讨调节阀空化流动及其诱导振动的相互作用机理，并分析阀门开度和进出口压差对阀芯振动特性的影响，以期为低温阀门的设计及优化提供参考。
创新点：1.建立低温调节阀空化与阀芯振动特性耦合作用分析的三维数值模型；2.获得低温调节阀内液氮空化流动的动态演变规律及其与阀芯振动的相互作用机制。
方法：1.通过有限元静力分析，获得阀杆受力与变形的关系曲线（图4）；2.通过理论分析，构建阀芯的运动方程（公式(11)），并得到阀芯的流固耦合计算程序（图5）；3.通过仿真模拟，建立低温调节阀空化与阀芯振动特性耦合作用分析的三维数值模型；4.使用用户自定义函数和动网格法对阀芯的动态运动过程进行模拟，获得液氮空化流动的动态演变规律，并分析阀门开度和进出口压差对阀芯空化流致振动特性的影响。
结论：1.阀芯的空化流激运动呈现出振幅逐渐增大的周期性振荡规律；在阀门开度为30%，进口压力为1000 kPa时阀芯的振动频率约为116.6 Hz；阀芯在振荡过程中与右侧阀座发生撞击并形成稳定的循环，且伴随着大量空泡在阀芯表面附近快速产生和溃灭。2.空化发生时，大量空泡的破裂导致流场局部压力瞬时突增，并产生10倍于空化未考虑时的压力峰值；考虑空化效应时，阀芯与阀座之间的平均撞击频率和撞击速度相对较小。3.阀门的开度和进出口压差对阀芯的振动特性有显著影响；当开度较小、压差较大时，阀芯的振动频率以及位移脉动峰值显著增大，阀芯撞击阀座的时间也更早且平均撞击速度更大，使阀芯与阀座间的碰撞加剧，进而导致阀芯的冲蚀和疲劳破坏，严重影响阀门的强度性能与使用寿命。

关键词组：调节阀；计算流体力学；空化；流致振动；流固耦合

Cavitation evolution and damage by liquid nitrogen in a globe valve

Xia ZHOU, Xiao-qin ZHI, Xu GAO, Hong CHEN, Shao-long ZHU, Kai WANG, Li-min QIU, Xiao-bin ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2100168 Downloaded: 1845 Clicked: 2935 Cited: 0 Commented: 0(p.101-117) <Full Text> <PPT> 345

Chinese summary <29> 低温截止阀内液氮空化演变和危害研究

目的：阀内流体空化将对阀门壁面产生冲击，造成气蚀剥蚀和噪音，并影响流体输运系统的安全运行。低温流体和常温流体物性区别大，并且低温流体空化有更为复杂的机理。本文旨在讨论低温截止阀内液氮空化的发展规律，并进一步研究空化对壁面产生的压力冲击，以及如何避免阀门系统发生共振，从而为阀门系统的安全运行提供参考。
创新点：1.在数值模拟中加入能量方程，并考虑低温流体在空化过程中压力和温度的相互影响；2.分析在不同阀门开度下液氮空化的发展过程和壁面不同位置受到的压力冲击。
方法：1.利用Fluent空化模型和Mixture模型，建立低温截止阀空化模型（图3）；2.模拟不同开度下阀内液氮的空化过程（图6~9）；3.分析壁面各监测点的压力变化情况，提取压力幅值和流体脉动频率，并与阀门固有频率比较（图12，13，15和20）。
结论：低温截止阀内液氮空化呈现周期性特征，并且空化周期随阀门的开度增大而减小；2.最大压力脉冲峰值出现在中等开度（66%）；3.最大振动位移出现在阀体处，且存在临界管长，使得阀门系统的固有频率和流体脉动频率相等。

关键词组：空化；热效应；低温液体；低温截止阀

A novel multi-level model for quasi-brittle cracking analysis with complex microstructure

Xiao-xiao SUN, Xiang-yu CHEN, Xiao-ming GUO

DOI: 10.1631/jzus.A2100158 Downloaded: 1886 Clicked: 2939 Cited: 0 Commented: 0(p.118-139) <Full Text> <PPT> 428

Chinese summary <29> 用于复杂微观结构准脆性开裂分析的创新多层级模型

目的：建立完全无需进行网格重划分且能够有效提高裂纹带模拟精度的多层级模型。
创新点：1.建立了材料粒子边界位移为基本未知量的全局控制方程，避免了全局层级材料粒子内部复杂状态的讨论；2.将具有连续台阶的富集函数用于描述粒子边界的开裂位移，可以得到先验未知解；3.建立了控制单元状态的补充方程，使全局模型的自由度数稳定在低水平；4.实现了代表性体积元（RVE）的退出，进而将模型整体的自由度数控制在稳定的低水平；5.裂纹带可以在任意位置进入和离开材料粒子。
方法：1.采用多层级信息传递方法建立模型；2.采用单位分解法的思想对材料粒子边界位移进行近似。
结论：1.实现了计算过程中RVE的动态激活和退出，大大降低了整个模型的自由度数；2.模型的模拟结果与完全微观模型及实验的结果一致，说明本文所提出的模型具有较高的计算精度。

关键词组：多层级模型；混凝土；富集函数；准脆性开裂；损伤演化；数字图像相关测试

Experimental and theoretical study on the break phenomenon of self-pulsation for liquid-centered swirl coaxial injectors

Peng-jin CAO, Xiao BAI, Qing-lian LI, Peng CHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2100222 Downloaded: 2042 Clicked: 2947 Cited: 0 Commented: 0(p.140-155) <Full Text> <PPT> 408

Chinese summary <32> 液体中心式气液同轴离心式喷嘴自激振荡间断现象的实验和理论研究

目的：液体中心式气液同轴离心式喷嘴在一定条件下会出现自激振荡间断现象。本文旨在探讨自激振荡间断过程中缩进室内的液膜流动形态、压力振荡特性以及自激振荡自维持机理。
创新点：1.通过测量喷嘴缩进室内部多点高频压力，分析压力扰动相位变换关系；2.建立自激振荡理论模型，成功地模拟液膜微元流动过程。
方法：1.通过实验分析，得到喷嘴缩进室内部液膜流动的变化形态，并对比自激振荡和稳态时缩进室内压力振荡关系（图6和7）；2.通过理论推导，构建液膜微元运动位置随时间的变化关系（公式(16)），并得到缩进室内压力和气/液动量随时间的变化关系（图12和13）。
结论：1.气液动量通量比增加会使缩进较大的气液同轴离心式喷嘴出现自激振荡间断现象，并且间断前后自激振荡的频率和强度发生显著变化。2.自激振荡间断现象发生时，缩进室内液膜流动模态依次由周期性扩张主导流动转变为稳定流动再转变为周期性收缩主导流动。3.通过自激振荡理论模型，可以较好地预测自激振荡频率，气液两相的能量传递是维持自激振荡过程的重要因素。

关键词组：间断现象；自激振荡理论模型；压力特性；缩进；液体中心式气液同轴离心式喷嘴

Erratum

Erratum: Erratum to: Effects of the geometrical parameters of the injection nozzle on ethylene-air continuous rotating detonation

Wei-jie FAN, Jin ZHOU, Shi-jie LIU, Hao-yang PENG

DOI: 10.1631/jzus.A20e0314 Downloaded: 702 Clicked: 706 Cited: 0 Commented: 0(p.156-156) <Full Text>