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.8 P.587-668

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Design and friction loss study of full-ocean depth oil-filled direct current motor

Hao WANG, Chen CAO, Jin GUO, Wei WANG, Peng ZHOU, Jia-wang CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2100375 Downloaded: 1378 Clicked: 3848 Cited: 0 Commented: 764(p.587-598) <Full Text> <PPT> 440

Chinese summary <131> 全海深充油电机设计及其摩擦损耗特性研究

作者：王豪，曹晨，郭进，王威，周朋，陈家旺
机构：浙江大学，海洋学院，中国舟山，316000
目的：设计一种压力自平衡式充油电机以适应全海深工作的需求，并探究输出轴处旋转密封件的摩擦阻以及四种不同类型油的粘性阻力，为深海电动执行器的设计提供参考。
创新点：1.提出了旋转密封用格莱圈对电机输出轴旋转阻力的影响。2.通过仿真与实验相结合的方法探究了几种不同的液压油在不同温度下电机的粘性阻力影响。
方法：1.在分析对比磁耦合电机与充油电机的基础上，设计充油电机的结构（图1），并介绍其控制方式和工作模式（图2）。2.从两个方面研究充油电机的摩擦损耗特性：首先，研究旋转密封对电机的摩擦损耗，在有限元分析软件Abaqus中建立分析模型（图3），得到不同压缩率下的旋转密封接触压力分布（图4），并搭建旋转密封测试平台以验证分析结果（图5）；其次，研究充油类型在高压和低温情况下对充油电机工作的影响。3.基于Fluent建立充油电机旋转分析模型，并得到其在不同温度、不同油类型下的油粘损耗（图8）。4.在高压舱内进行测试，研究高压对电机工作性能的影响（图10）。5.介绍所研制的电机在马里亚纳海沟的应用（图14）。
结论：1.旋转密封格莱圈对于电机的摩擦阻力随着压缩率的增大而增大，并且其启动阻力约为稳定运行时阻力的2.5倍。2.电机所受到的粘性阻力与油的动力粘度高度正相关。3.二甲基硅油是充油电机用油的合适选择之一；其粘性阻力低且在低温下的动力粘度变化不大。

关键词组：充油电机；全海深；旋转密封；摩擦损耗；粘性功率；海上试验

Flow control characteristics of the digital and mechanical redundancy control electric modulation valve

He LIU, Bin ZHAO, Bo WANG, Long QUAN, Yun-xiao HAO, Yun-wei LI

DOI: 10.1631/jzus.A2100526 Downloaded: 1139 Clicked: 1312 Cited: 0 Commented: 1(p.599-609) <Full Text> <PPT> 512

Chinese summary <122> 数字机械冗余控制电调制阀的流量控制特性

作者：刘赫¹，赵斌¹，王波¹，权龙¹，郝云晓¹，李运帷^1,2
机构：¹太原理工大学，新型传感器与智能控制教育部重点实验室，中国太原，030024；²阿尔伯塔大学，电气与计算机工程系，加拿大埃德蒙顿，ABT6G1H9
目的：电调制阀可根据连续变化的输入电信号提供成比例输出的阀芯位移、流量或压力，是电液比例控制技术的核心元件。本文旨在消除压差变化对阀输出流量的影响，实现对电调制阀流量的高精度控制和安全冗余控制。
创新点：1.提出了一种数字机械冗余控制电调制阀输出流量的方法，实现了对流量的高精度控制和安全冗余控制。2.建立了联合仿真模型和试验测试平台，并通过仿真和试验证明了创新方案的可行性，且系统动静态特性良好。
方法：1.通过理论推导和数学模型分析，得到压差变化时阀芯位移和输出流量的关系。2.在仿真软件中建立电调制阀的机电液联合仿真模型，并进行联合仿真研究，验证所提方案的可行性。3.建立电调制阀试验测试平台进行试验测试，验证所提方案的正确性和可行性。
结论：1.数字补偿流量方案可以在压差变化时保持通过阀的流量恒定，流量控制精度高；根据不同的流量要求，可在控制器中设置参数，灵活调整设定压差。2.数字补偿流量方案可以在机械压力补偿阀的作用下控制流量，达到冗余控制的目的，提高系统的安全性。

关键词组：电调制阀；控制特性；联合仿真；冗余控制

Effects of moisture content and dry bulk density on the thermal conductivity of compacted backfill soil

Yu-hao WU, Yan-hao FENG, Li-wu FAN, Qing WANG, Xin SONG, Zi-tao YU

DOI: 10.1631/jzus.A2100673 Downloaded: 1483 Clicked: 1312 Cited: 0 Commented: 470(p.610-620) <Full Text> <PPT> 443

Chinese summary <120> 含水率和干容积密度对压实回填土热导率的影响

作者：吴宇豪¹，冯彦皓¹，范利武^1,2，王晴³，宋昕³，俞自涛^1,2
机构：¹浙江大学，热工与动力系统研究所，中国杭州，310027；²浙江大学，能源清洁利用国家重点实验室，中国杭州，310027；³中国科学院，南京土壤研究所，中国南京，210008
目的：本文旨在探究多种物性参数（含水率、干容积密度、粒径分布和化学组成）对充分压实（相对压实度接近100%，绝对压实度大于85%）的回填土热导率的影响规律，并提出便于工程上使用的压实回填土热导率的预测公式。
创新点：通过普氏击实试验（落锤法）使各土壤试样的相对压实度均接近100%，以模拟压实回填土的实际工况，从而使测得的热导率数据和预测模型能够为工程提供可靠的参考。
方法：1.通过实验测试，探究含水率、干容积密度、粒径分布和化学组成于充分压实回填土热导率的影响规律。2.通过回归分析，提出基于质地分类的压实回填土热导率的预测公式。3.预测首先通过相关性分析确定的对土壤热导率影响程度最大的两个参数。
结论：1.压实回填土热导率的最大值比其他文献所报道的自然状态或非压实土壤热导率的最大值大20%~50%。2.与容积干密度类似，压实回填土的热导率随含水率的升高并非一直单调增大；当含水率超过某临界值时，热导率会基本保持不变或缓慢减小，且热导率的峰值点对应的临界含水率一般略大于容积干密度的峰值点对应的临界含水率。3.总体而言，随含水率的升高、干容积密度的增大、粒径的增大、石英含量的升高和有机质含量的降低，压实回填土的热导率均增大，且含水率和干容积密度对热导率的影响较其他因素更显著。4.基于含水率和干容积密度的1/2次方的二元线性回归得到的压实回填土热导率的预测公式具有较高的置信度（各项回归系数的P值均小于0.05）和拟合精度（复相关系数R²大于0.9）。

关键词组：回填土；压实；热导率；含水率；干容积密度

How fast is it to city centers? The average travel speed as an indicator of road traffic accessibility potential

Xiao-guang RUAN

DOI: 10.1631/jzus.A2100435 Downloaded: 1734 Clicked: 1490 Cited: 0 Commented: 900(p.621-638) <Full Text> <PPT> 445

Chinese summary <117> 到市中心有多快？道路交通通达性潜力的指标--平均行驶速度

作者：阮晓光
机构：浙江水利水电学院，测绘与市政工程学院，中国杭州，310018
目的：对于道路交通通达性的研究，可获得的地理数据有限。一般以多个节点来分析它们的通达性与区域社会经济的耦合关系，即缺少整个城市的精细栅格数据。为解决地理数据不易获得的问题，本研究利用网络位置数据，计算更加接近实际情况的出行速度，以评估全球80个主要城市内部的通达性潜力。
创新点：基于路径时间和距离，计算起点抵达市中心的出行速度，分析城市内部道路的通达潜力，并对目标城市进行通达潜力排名。该方法为利用网络数据和地理空间方法分析交通通达性提供了新的可能性。
方法：1.数据预处理：NPP-VIIRS和Landsat-8 OLI/TIRS遥感影像进行辐射和几何校正、图像拼接、图像配准、图像增强等；所有栅格数据、矢量数据（行政区数据）统一坐标系。2.起点和终点确定：基于阈值法提取建成区；行政区和建成区的500 m×500 m格网数据作为路径起点；基于局部轮廓树法确定城市中心位置，并作为路径终点。3.路径爬取：借助Google MapDirections API爬取起点到达城市中心的若干最佳驾车路径数据，包括时间和距离。4.速度计算：基于路径时间和距离，计算起点抵达市中心的出行速度，分析城市内部道路的通达性潜力（图1）；以平均出行速度对研究城市进行通达性潜力排名。
结论：1.所研究城市行政区平均出行速度为37.56 km/h，城市建成区平均出行速度为34.30 km/h，速度与道路基础设施水平、车流和区域发展水平一致。2.所选指标可以有效地确定道路通达性潜力的空间分异；通过该方法获得的行程时间和行程距离可作为城市道路分析的地理数据，即高出行速度的地区通达性潜力好，而低出行速度的地区通达性潜力差。3.该方法为利用互联网数据和地理空间方法分析交通通达性提供了新的可能性，且能够定量分析交通地理学中的问题；城市出行速度结果和排名可以作为一个国际数据集。

关键词组：交通通达性；谷歌地图API；行驶速度；道路交通网络；地理信息系统

Experimental study of the bearing capacity of a drainage pipe pile under vacuum consolidation

Xiao-wu TANG, Wei-kang LIN, Yuan ZOU, Jia-xin LIANG, Wen-fang ZHAO

DOI: 10.1631/jzus.A2100585 Downloaded: 1083 Clicked: 1264 Cited: 0 Commented: 462(p.639-651) <Full Text> <PPT> 472

Chinese summary <119> 真空固结排水管桩承载力试验研究

作者：唐晓武^1,2，林维康^1,2，邹渊^1,2，梁家馨^1,2，赵文芳^1,2
机构：¹浙江大学，滨海与城市岩土工程研究中心，中国杭州，310058；²浙江省城市地下空间开发工程研究中心，中国杭州，310058
目的：为进一步促进地基处理与桩基工程的结合，本文提出真空固结排水管桩。通过与普通桩与开孔桩对比，研究真空固结排水管桩的承载力增长趋势、桩侧摩阻力分布、桩周土抗剪强度与含水量的变化规律等，为真空固结排水管桩应用与实际工程提供理论依据。
创新点：1.提出了一种能加快软土固结且不会发生淤堵的地基处理与桩基工程相结合的真空固结排水管桩；2.通过承载力、含水量、十字板剪切等试验定义了真空固结排水管桩对桩周土的强（弱）增强区，并利用该定义修正规范，提出了一种单桩极限承载力估算方法。
方法：1.对静压和真空预压条件下的管桩、钻孔桩和排水管桩进行单桩静载试验、十字板剪切试验和含水量试验；2.根据试验结果，对比分析不同桩型在不同工况下单桩承载力、桩身轴力和桩侧摩阻力的变化规律（图7~9）；3.对桩周土体不同位置的抗剪强度和含水量分布进行试验（图11~15）。
结论：1.真空固结排水管桩无淤塞现象；根据单桩静载试验，真空固结排水管桩承载力从普通管桩的89.5N提高到271.5N，提升约3倍（考虑到桩顶密封对真空度的影响以及桩间距对排水固结的影响，实际工程中增长幅度可能会下降）；一方面，孔隙水在负压作用下加速排泄，提高了土体的抗剪强度；另一方面，土壤中的细颗粒逐渐聚集到桩壁上，形成一个密实的土层，从而扩大桩径。2.真空固结排水管桩最大桩摩阻力是普通桩的3~4倍，且真空固结改变了摩擦阻力的分布形式；桩侧摩阻力在桩的中下部得到了更好的发挥。3.加固区半径与排水量呈正相关；利用两个区域交界处的抗剪强度来估算单桩的极限承载力可以取得良好的效果。

关键词组：排水管桩；软土；固结；承载力；地基处理

Active flow control of S-duct by plasma synthetic jet

Ru-bing LIU, Xiao-yin MEI, Sheng-hui XUE, Yu-wen LU, Zhe-zhe SU, Qi LIN

DOI: 10.1631/jzus.A2100618 Downloaded: 1160 Clicked: 1318 Cited: 0 Commented: 462(p.652-668) <Full Text> <PPT> 475

Chinese summary <119> 基于等离子体合成射流的S形进气道主动流动控制研究

作者：刘汝兵^1,2，梅笑隐^1,2，薛生辉^1,2，卢钰文¹，苏哲哲¹，林麒^1,2
机构：1.厦门大学，航空航天学院，中国厦门，361102；2.福建省等离子体与磁共振研究重点实验室，中国厦门，361102
目的：S形进气道内的流动分离和二次流造成进气道出口压力损失和气流畸变较为严重，严重影响发动机的工作性能。为改善其流场特性，本文采用串联式等离子体合成射流主动控制进气道内的流场，抑制进气道内流动分离和出口压力畸变，提高进气道气动性能。
创新点：1.系统探究等离子体合成射流控制位置、布局形式、动量系数和激励频率对控制效果的作用规律，并采用正交实验法确定上述参数的主次和最优组合。2.从流向和出口截面流场及压力分布出发，厘清等离子体合成射流主动控制S型进气道流动的机理。
方法：1.在低速风洞试验中（图2），利用压力扫描阀采集进气道壁面静压分布和出口总压分布，并通过粒子图像测速（PIV）技术测量进气道壁面沿程和出口流场（图5）。2.在壁面布置等离子体合成射流阵列对进气道内的流动分离进行主动控制，改变等离子体合成射流相关参数（图7和9），探究其作用规律，并利用正交实验法确定各参数的影响主次。3.通过对比分析沿程、出口的流场和压力分布（图13），探究等离子体合成射流控制流动分离的机理（图16）。
结论：1.等离子体合成射流能够显著提高静压恢复系数，抑制流动分离并改善出口压力畸变；射流控制位置在分离点附近最佳，而“Λ”型布局形式是最优的。2.本实验中，壁面静压系数提高最大可达127.8%，而出口稳态畸变指数降低了9.15%。3.控制机理是高速射流的直接能量注入及其产生的流向涡间接控制效应；一方面，可提高边界层抵抗逆压梯度的能力，抑制流动分离；另一方面，可有效降低二次流的强度，减弱出口截面回流，降低压力畸变。

关键词组：S形进气道；流动控制；等离子体合成射流；流动分离；总压畸变