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.10 P.757-844

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Modeling the optimal compensation capacitance of a giant magnetostrictive ultrasonic transducer with a loosely-coupled contactless power transfer system

Tian LAN, Ping-fa FENG, Jian-jian WANG, Jian-fu ZHANG, Hui-lin ZHOU

DOI: 10.1631/jzus.A2200367 Downloaded: 4463 Clicked: 1123 Cited: 0 Commented: 0(p.757-770) <Full Text> <PPT> 456

Chinese summary <73> 采用松耦合非接触式电能传输装置的超磁致伸缩超声换能器最佳补偿电容

作者：兰天¹，冯平法¹，王健健¹，张建富¹，周辉林^1,2
机构：¹清华大学，机械工程系摩擦学国家重点实验室，中国北京，100084；²中国兵器工业导航与控制技术研究所，中国北京，100089
目的：具有松耦合非接触式电能传输装置（LCCPT）的超磁致伸缩旋转超声加工系统（LCCPT）可高效低损伤地加工硬脆材料。为实现超声加工的最大效率，GMUPS需要在谐振状态下工作，因此需要对系统进行电容补偿，以实现更大的超声振幅。
创新点：1.考虑系统机电耦合特性，建立GMUPS的最佳电容补偿模型，并在带载与不带载的情况下讨论模型的适用性；2.分析系统的相位滞后角的成因，并探讨电压与材料特性对相位滞后角的影响。
方法：1.在考虑GMUPS机械等效回路和电回路之间的相位滞后角的情况下建立系统机电等效模型，并加以推导，从而获得空载最佳电容补偿模型。2.考虑负载的影响，分析负载下系统阻抗特性的变化情况和系统的补偿方法。3.进行空载振幅测量实验和加工实验，以验证理论模型的有效性。
结论：1.无论是在空载状态下还是在加工过程中，采用最优补偿电容都表现出优越的性能。采用最优补偿电容时，系统可以获得最大振幅，同时在整个加工过程中切削力最小。2. LCCPT的使用和补偿电容的取值对系统的电路特性有显著的影响，而对机械谐振频率的影响很小。电谐振频率更接近机械谐振频率可以提高系统的振动性能。3.系统电回路与机械等效回路之间的相位滞后角导致最小电流频率与机械谐振频率之间存在差异。系统的相位滞后角与系统不必要的功率损耗直接相关。在系统达到磁饱和前，驱动电压对相位滞后角影响不大。导磁结构的材料特性会显著地影响相位滞后角。因此，选择在高频处损耗低的导磁材料可以有效地降低相位滞后角。

关键词组：旋转超声加工；超磁致伸缩换能器；松耦合非接触式电能传输；机电等效电路；最佳补偿电容

Anthropomorphic hand based on twisted-string-driven da Vinci’s mechanism for approaching human dexterity and power of grasp

Yong-bin JIN, Shao-wen CHENG, Yan-yan YUAN, Hong-tao WANG, Wei YANG

DOI: 10.1631/jzus.A2200216 Downloaded: 1013 Clicked: 1441 Cited: 0 Commented: 0(p.771-782) <Full Text> <PPT> 471

Chinese summary <72> 通过绞合线驱动与达芬奇机构实现兼顾人手般灵巧性与抓握力的仿生机械手

作者：金永斌^1,2,3,4，程绍文^1,4，袁炎炎^1,4，王宏涛^1,2,3,4，杨卫^1,4
机构：¹浙江大学，交叉力学中心，中国杭州，310027；²浙江大学杭州国际科创中心，中国杭州，310027；³浙江大学，流体传动及控制国家重点实验室，中国杭州，310027；⁴浙江大学，航空航天学院应用力学研究所，中国杭州，310027
目的：由于空间的限制，在仿生灵巧机械手设计的时候存在灵巧性与抓握力量之间的矛盾。本文旨在通过智能机构设计，实现机械手综合性能的提升。
创新点：1.基于人手运动数据库对达芬奇机构进行优化，复现人手运动学特征；2.基于绞合线传动机构实现机械手的轻量化和紧凑性设计；3.仿生机械手应用于植入式脑机接口临床试验。
方法：1.通过理论推导，构建欠驱动的达芬奇机构运动学与机构参数的关系（公式(2)）；2.通过主成分分析，得到人手关节之间的耦合关系并用于优化达芬奇机构的参数（图3）；3.通过几何分析得到绞合线驱动系统的非线性传动公式（图4和公式(7)）。
结论：1.基于绞合线驱动和达芬奇机构的仿生机械手可以在受限空间中实现机械手的抓握力量与灵巧性的平衡；2.得益于欠驱动的达芬奇机构，机械手的灵巧性较好，能够适应不同形状的物体；3.本文所设计的机械手得以成功地应用于中国首例临床植入式脑机接口实验，展示了高超的灵巧性、适应性与鲁棒性。

关键词组：仿生机械手；达芬奇机构；绞合线驱动；智能机构；主成分分析

Effect of droplet superficial velocity on mixing efficiency in a microchannel

Jin-yuan QIAN, Lei ZHAO, Xiao-juan LI, Wen-qing LI, Zhi-jiang JIN

DOI: 10.1631/jzus.A2200159 Downloaded: 970 Clicked: 1124 Cited: 0 Commented: 0(p.783-794) <Full Text> <PPT> 497

Chinese summary <65> 微通道内液滴表面流速对混合效率的影响分析

作者：钱锦远^1,2，赵磊¹，李晓娟¹，李文庆¹，金志江¹
机构：¹浙江大学，能源工程学院，化工机械研究所，中国杭州，310027；²浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310027
目的：液滴表面流速是决定液滴混合性能的重要参数，可影响微流控系统中不同界面的更新频率和总传输时间。本文旨在建立具有正方形截面的十字型微通道，并基于VOF方法耦合标量方程，探究液滴表面流速对液滴长度、液滴形成时间以及液滴混合效率的影响机制，以期为微流控系统的进一步优化设计提供依据。
创新点：1.设计了具有正方形截面的十字型微通道用于液滴形成，改变了分散相和连续相的注入方式；2.建立数值模型，自定义标量方程，实现了混合过程的可视化，并利用无量纲数定量分析了不同液滴表面流速下液滴长度、形成时间以及混合效率等液滴特性。
方法：1.建立具有正方形截面的十字型微通道数值计算模型，验证数值方法的准确性（图3）；2.自定义标量方程，调加标量至分散相中，实现混合过程的可视化分析，并以分散相液滴内标量的浓度变化作为混合效率的评价指标；3.改变液滴表面流速，并采用无量纲数定量分析液滴表面流速对液滴长度（图5）、液滴形成时间（图6）以及液滴混合效率（图10）的影响机制。
结论：1.液滴表面流速的增加可导致液滴长度和液滴形成时间减少；恒定液滴表面流速下，液滴长度随分散相分率的增加而增加，分散相和连续相的速度相互交换，液滴生成频率几乎不变；分散相体积分率越小，液滴混合效率越好。2.液滴在微通道内流动时，液滴内部产生内循环；内循环可分为主循环和次循环：主循环由液滴和壁面相互作用产生，而次循环由液滴和连续相流体相互作用产生。3.液滴混合效率可分为时间主导和长度主导两个阶段，且这两个阶段中液滴表面流速对混合效率的影响规律相反。

关键词组：液滴特性；混合效率；内循环；液滴表面流速

Three-dimensional flow field mathematical model inside the pilot stage of the deflector jet servo valve

Shuang-lu LI, Yao-bao YIN, Jiang-yang YUAN, Sheng-rong GUO

DOI: 10.1631/jzus.A2200030 Downloaded: 1092 Clicked: 3102 Cited: 0 Commented: 462(p.795-806) <Full Text> <PPT> 468

Chinese summary <69> 偏转板伺服阀前置级三维流场数学模型

作者：李双路¹，訚耀保¹，原佳阳²，郭生荣²
机构：¹同济大学，机械与能源工程学院，中国上海，201804；²中航工业航空机电系统综合航空科技重点实验室，中国南京，210061
目的：偏转板伺服阀前置级二维流场模型因忽略了射流在射流盘厚度上的拓展现象，无法准确地描述偏转板伺服阀前置级流场结构。为了更加精确地描述流场结构并计算前置级的静态特性，并有利于优化偏转板伺服阀前置级的结构参数，本文提出一个符合真实状态的三维流场数学模型。
创新点：1.在前置级三维流场数学模型中，将流场分为五个区域，考虑射流在空间上的三维拓展。2.运用三维紊动射流描述自由射流区流场结构，并提出该区域的射流速度分布表达式。3.在压力恢复区提出射流卷吸模型，并建立起接收腔射流流量和恢复压力的耦合关系。
方法：1.通过理论分析，建立前置级流场各阶段的数学模型（图2~9），得到前置级静态特性的理论分析方法（图11和12）；2.通过实验研究某型前置级在不同供油压力下的断载压力特性，验证本文提出的数学模型在计算静态特性时的准确性（图15）；3.通过仿真模拟，分析前置级自由射流区射流截面的速度分布以及接收腔内的射流影响因素，验证三维射流模型和射流卷吸模型的可行性和有效性（图17）。
结论：1.前置级流场内的射流属于三维射流。本文采用的三维射流可以更加准确地描述流场的结构（图2）。2.自由射流区的等速度线接近直槽口形，可近似用矩形等速度线描述（图17），并且接收腔内的射流流量和恢复压力等参数存在耦合关系，可以用本文提出的卷吸射流模型描述。3.在不同供油压力下的前置级无因次断载压力基本一致，基于三维流场模型得到的前置级静态方法计算结果准确（图15），可以为前置级的结构优化提供理论支持。

关键词组：偏转板伺服阀；前置级；三维射流；射流卷吸；静态特性；数学模型

Effects of bump parameters on hypersonic inlet starting performance

Shang-cheng XU, Yi WANG, Zhen-guo WANG, Xiao-qiang FAN, Bing XIONG

DOI: 10.1631/jzus.A2200155 Downloaded: 1028 Clicked: 1192 Cited: 0 Commented: 0(p.807-819) <Full Text> <PPT> 413

Chinese summary <68> 鼓包构型对高超声速进气道起动性能的影响研究

作者：徐尚成，王翼，王振国，范晓樯，熊冰
机构：国防科技大学，空天科学学院，中国长沙，410073
目的：在高超声速进气道中加入鼓包构型可有效提高起动性能，然而目前对于鼓包构型对起动的影响规律及其流动机理的认识还不充分。本文旨在研究鼓包构型参数对起动性能的影响，明晰鼓包对起动过程的作用机理，进而为高超声速鼓包进气道的设计提供参考依据。
创新点：1.获得了鼓包高度和宽度对起动性能的影响规律；2.明晰了鼓包对不起动进气道大尺度分离区的重构作用，并阐释了鼓包参数影响起动性能的内在机理。
方法：1.利用基于横向压力梯度的鼓包进气道设计方法生成具有不同鼓包高度和宽度的进气道构型；2.采用数值方法计算不同的鼓包进气道在设计条件下的流场和起动过程，分析鼓包对进气道性能影响规律；3.通过分析不起动流场结构，研究鼓包对大尺度分离区的重构作用。
结论：1.鼓包可对边界层气流产生排移作用，使得进气道流量稍有下降，但总压恢复性能明显提升；2.增加鼓包高度可加速分离区内气流的横向溢流，进而提高进气道起动性能；3.为提高起动性能，应使鼓包略宽于进气道入口。

关键词组：高超声速飞行器；鼓包；边界层气流；起动性能；大尺度分离区

Hydrodynamics of high-speed robots driven by the combustion-enabled transient driving method

Yang YANG, Yingzhong LOU, Guanzheng LIN, Zhiguo HE, Pengcheng JIAO

DOI: 10.1631/jzus.A2200331 Downloaded: 1129 Clicked: 1655 Cited: 0 Commented: 0(p.820-831) <Full Text> <PPT> 516

Chinese summary <69> 基于化学放能反应的瞬变速水下高速机器人水动力特性研究

作者：杨旸^2,5，楼映中^2,3，林官正²，贺治国^1,2,4，焦鹏程^1,2,4
机构：¹浙江大学，海南研究院，中国三亚，572000；²浙江大学，港口海岸与近海工程研究所，中国舟山，316021；³华盛顿大学，土木工程学院，美国西雅图，WA 98195；⁴浙江大学，海洋感知技术与装备教育部工程研究中心，中国舟山，316021;⁵香港中文大学，电子工程系，中国香港，99907
目的：水下航行器在水下观测、海洋资源勘探和样本采集中发挥着重要作用。软机器人是一种独特的水下机器人，具有良好的环境适应性和运动灵活性，但它们的驱动和响应能力较弱。同时，机器人的快速运动与流场之间的相互作用尚未得到充分研究。为解决这些问题，本文旨在开发一种计算流体动力学模型，以模拟由机器人产生的瞬态高速运动所干扰的流场。
创新点：1.通过流固耦合与动网格技术开发了瞬变速机器人水下运动的数模模型。2.基于偏心率和化学放能反应驱动过程，建立二者与机器人水下运动表现、压力场、速度场和湍流结构的关系。
方法：1.关注机器人动力学对推力和偏心率的依赖性，并开发基于流固耦合方法与动网格技术的计算流体力学模型。2.获得机器人周围湍流场的典型结构，并定量分析速度分布、涡流结构、压力和湍流特性。
结论：1.机器人头部和尾部都会因突然加速而出现高流速区域，且在推力较高的一侧拐角处出现湍涡；机器人尾部产生的高k（湍流动能）区域随运动向内发展。2.本研究揭示了最大流速与偏心率之间的关系。3.机器人表面上的最大压力与推力呈正相关，与偏心率呈负相关；偏心率使机器人旋转，会增强流场的扰动，也会使头部区域的k和ε（湍流耗散率）降低。

关键词组：水下航行器；计算流体力学（CFD）；机器人学；瞬变速驱动方法（TDM）；燃烧驱动；流体动力学

Correspondence

Correspondence: Complex integrity constraint discovery: measuring trust in modern intelligent railroad systems

Wen-tao HU, Da-wei JIANG, Sai WU, Ke CHEN, Gang CHEN

DOI: 10.1631/jzus.A2200156 Downloaded: 991 Clicked: 1258 Cited: 0 Commented: 0(p.832-837) <Full Text> <PPT> 387

Chinese summary <63> 复杂完整性约束：在现代智能交通系统中衡量模型可信性

作者：胡文涛，江大伟，伍赛，陈珂，陈刚
机构：浙江大学，浙江省大数据智能计算重点实验室，中国杭州，310027
目的：由于使用的列车运行数据偏离系统应用的数据特征，现代智能交通系统部署的模型推理结果可能不可靠。本文旨在研究部署在系统中的模型使用的数据变化对模型性能的影响，通过研究衡量模型可信性方法，实现在现实场景中无需标注数据实时检测部署在系统中的模型可信性。
创新点：1.提出一种复杂完整性约束概念，在无标注数据的情况下，衡量模型使用数据的不安全程度。2.为实现现代智能交通系统实时检测模型的可信性，我们设计一种新颖的算法，利用位向量索引技术和规则推理系统，快速发现模型应用数据的复杂完整性约束。
方法：1.通过输入部署在现代智能交通系统模型中的训练数据，系统构建面向输入数据的索引向量从而避免对大规模数据进行多次。2.通过规则推理系统和支持度剪枝技术，将语意重复的冗余约束和一些无意义的约束忽略，得到有效的复杂完整性约束。3.利用完整性约束计算违反约束的数据在数据集中的比例从而衡量模型使用的数据不安全程度。4.通过使用真实的列车运行数据集测试，分析复杂完整性约束衡量的数据不安全程度和模型性能的关系，从而验证复杂完整性约束的可行性和有效性。
结论：1.模型使用的数据偏离模型训练数据特征会影响模型的性能。2.通过发现复杂完整性约束，衡量模型使用的数据不安全程度，可以快速检测部署的模型可信性。3.通过对模型可信性的研究，可以无需标注而快速发现不可信的模型，从而及时重新部署可信模型，提升现代智能交通系统的稳定性。

关键词组：现代智能交通系统；列车运行控制；约束发现；可信机器学习

Correspondence: Regimes of near-stoichiometric hydrogen/air combustion under reciprocating engine conditions

Anna E. SMYGALINA, Alexey D. KIVERIN

DOI: 10.1631/jzus.A2200217 Downloaded: 1110 Clicked: 1181 Cited: 0 Commented: 931(p.838-844) <Full Text> <PPT> 403

Chinese summary <65> 往复式发动机条件下近化学计量的氢气/空气燃烧模式

作者：Anna E. SMYGALINA, Alexey D. KIVERIN
机构：俄罗斯科学院高温联合研究所，俄罗斯莫斯科，125412
目的：采用与火花点火往复式发动机相关的初始条件和参数，对近化学计量氢气/空气混合物在圆柱形燃烧室内运动活塞下的燃烧进行数值研究，并特别研究以强压振荡为特征的氢气燃烧模式是否可以被视为爆震。
创新点：1.明确考虑了在高含氢量的火花点火发动机条件下氢气/空气混合物的燃烧情况。2.根据初始含氢量的不同，燃烧可分为爆燃、快速燃烧和缓慢燃烧三种模式。3.研究证明了以高幅高频压力振荡为特征的快速燃烧模式不能被视为爆震。
方法：1.采用"粗颗粒"数值方法求解二维圆柱坐标系下的纳维-斯托克斯气体动力方程组。2.模拟往复式发动机条件下可燃混合气体的动力学状态。
结论：从输出参数（压力振幅全程的快速傅里叶变换）来看，近化学计量的氢气/空气燃烧与爆震相似。然而，尾气区域的温度不足以使该区域发生自燃，因此不能将该燃烧模式视为爆震。

关键词组：往复式发动机；燃烧模式；爆震