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

2023 Vol.24 No.6 P.473-556

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Investigation of flow characteristics in a rotor-stator cavity under crossflow using wall-modelled large-eddy simulation

Lei XIE, Qiang DU, Guang LIU, Zengyan LIAN, Yaguang XIE, Yifu LUO

DOI: 10.1631/jzus.A2200565 Downloaded: 627 Clicked: 844 Cited: 0 Commented: 0(p.473-496) <Full Text> <PPT> 197

Chinese summary <16> 基于壁面函数大涡模拟研究横流通道对转静系盘腔流动特性的影响

作者：谢垒^1,2,3，杜强^1,2,3，柳光^1,2,3，廉曾妍^1,2,3，谢亚广^1,2,3，罗一夫^1,2,3
机构：¹中国科学院工程热物理研究所，轻型动力实验室，中国北京，100190；²中国科学院大学，工程科学学院，中国北京，100049；³中国科学院轻型动力创新研究院，中国北京，100190
目的：本文旨在探究带有均匀预旋速度的外部横流对转静系盘腔流动特性的影响，从而指导对真实发动机条件下涡轮盘腔流动特性的研究。
创新点：1.采用壁面函数大涡模拟（WMLES）方法，获得了带有横流通道的转静系盘腔更为精细的流场结构；2.识别了盘腔轮缘处的开尔文-赫姆霍茨（K-H）不稳定性，并探究了K-H剪切涡结构对轮缘处流动特性的影响。
方法：1.通过高精度大涡模拟方法，捕捉流场中的精细化流场结构。2.结合理论推导，通过对于流动结构的机理和动力学分析，探究外部横流和盘腔耦合流动特性。
结论：1.由于雷诺平均（RANS）模拟对壁面小尺度涡结构和输运方程的解析能力不足，所以RANS模拟流场与WMLES模拟流场出现了明显偏差。2.在横流和盘腔流动的耦合作用下，由于轮缘处的速度剪切诱导产生K-H涡结构，所以这些涡结构将会加强轮缘处的外部入侵和盘腔出流流动。3.在外部入侵和盘腔出流的影响下，盘腔端区发现了大尺度流动结构；这些大尺度流动结构以一定的转速旋转，且其转速和数量可以通过快速傅里叶变换以及相关性分析确定。

关键词组：壁面函数大涡模拟；转-静系盘腔；流动不稳定性；RANS

Two-stage identification of interlayer contact loss for CRTS III prefabricated slab track based on multi-index fusion

Wei DU, Juanjuan REN, Kaiyao ZHANG, Shijie DENG, Shuyi ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300010 Downloaded: 773 Clicked: 762 Cited: 0 Commented: 0(p.497-515) <Full Text> <PPT> 209

Chinese summary <10> 基于多指标融合的CRTSIII型板式无砟轨道层间脱空两阶段识别

作者：杜威，任娟娟，章恺尧，邓世杰，张书义
机构：西南交通大学，高速铁路线路工程教育部重点实验室，中国成都，610031
目的：无砟轨道层间损伤削弱了轨道结构的整体刚度，有可能影响列车运行的平稳性和安全性。本文旨在分析层间损伤对轨道板振动响应的影响规律，构建一种快速精准的损伤识别方法，以期为无砟轨道层间损伤识别提供参考。
创新点：1.基于振动响应的特征指标，提出无砟轨道层间脱空损伤的两阶段识别方法；2.建立精细化有限元仿真模型，实现对CRTSIII型板式无砟轨道自密实混凝土损伤的准确识别。
方法：1.利用室内足尺模型试验验证含层间脱空损伤的板式无砟轨道有限元模型的合理性（图8）；2.通过仿真模拟，获取时域和频域内对层间脱空敏感的损伤特征指标（图10、12和13）；3.运用D-S证据融合理论对多个损伤特征指标进行融合，并采用包括损伤区域大致识别（阶段I）和精确识别（阶段II）的两阶段识别方法实现对自密实混凝土损伤区域的识别（图24和25）。
结论：1.从时域和频域提取的5个损伤指标可全面反映隐藏在振动信号中的损伤信息，但仅使用单一损伤指标很难保证识别的准确性。2.证据理论的应用可充分利用多个损伤指标之间的互补信息，降低识别的不确定性；在识别阶段I，通过融合损伤指标均可准确确定不同脱空区域的位置。3.损伤识别的准确性与损伤程度呈正相关；在识别阶段II，当自密实混凝土的脱空损伤程度大于50%时，识别精度可达到70%~80%。

关键词组：板式无砟轨道；脱空识别；瞬态冲击响应；指标融合；D-S证据理论

A stability locomotion-control strategy for quadruped robots with center-of-mass dynamic planning

Yangyang HAN, Guoping LIU, Zhenyu LU, Huaizhi ZONG, Junhui ZHANG, Feifei ZHONG, Liyu GAO

DOI: 10.1631/jzus.A2200310 Downloaded: 861 Clicked: 799 Cited: 0 Commented: 0(p.516-530) <Full Text> <PPT> 183

Chinese summary <13> 基于质心动态规划的四足机器人稳定运动控制策略

作者：韩杨杨¹，刘国平¹，陆振宇¹，纵怀志²，张军辉²，钟飞飞¹，高立宇¹
机构：¹南昌大学，先进制造学院，中国南昌，330031；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：运动稳定性对于四足机器人至关重要，是其适应非结构化地形的前提。为了提高机器人在运动过程中的机体稳定性，文本提出一种基于质心动态规划的四足机器人稳定控制策略。
创新点：1.在期望速度一定的情况下，同时考虑机器人运动的稳定性和能耗两个问题；2.考虑到机器人机身与各条腿之间的运动协调性问题，设计质心移动与摆动相动作的同步配合方案，并对质心进行实时轨迹规划。
方法：1.为了实现同步控制方案，用摆动腿和支撑腿共同构成支撑三角形，并在静步态基础上对小跑步态做出扩展；2.结合机器人腿在站立和摆动阶段受力情况的不同，设计主力矩由优化的足端反力映射和关节比例微分控制器组成的变权重控制策略。
结论：1.仿真和实验结果表明，采用本文提出的控制策略，机器人可以完成行走和小跑两种步态的全向运动；2.在一定的运动速度下，机器人行走和小跑的稳定裕度分别比未进行质心规划的方案提高了27.25%和37.25%；3.与未进行能耗优化控制的方案相比，采用所提策略的机器人的能耗分别降低了11.25%（行走）和13.83%（小跑）。

关键词组：质心规划；四足机器人；配合方案；地面反力；稳定裕度

Effect of additional cylinders on power-extraction performance of a Savonius vertical-axis wind turbine

Yangyang YAN, Jintao ZHANG, Junao SHE, Wenhao LIU, Jianghong DENG, Jianyang ZHU

DOI: 10.1631/jzus.A2200292 Downloaded: 649 Clicked: 1170 Cited: 0 Commented: 0(p.531-542) <Full Text> <PPT> 167

Chinese summary <15> 附加圆柱对Savonius型垂直轴风力机捕能性能的影响

作者：闫阳阳¹，张锦涛¹，佘君傲¹，刘文昊¹，邓江洪²，朱建阳¹
机构：¹武汉科技大学，机器人与智能系统研究所，中国武汉，430081；²武汉科技大学，冶金设备与控制技术教育部重点实验室，中国武汉，430081
目的：Savonius型垂直轴风力机具有较好的自启动性能和较低的制造成本。然而，较低的风能利用效率制约其进一步发展。因此，本文将附加圆柱引入风力机叶片设计中，利用附加圆柱产生的涡流来控制风力机叶片周围的流体流动，以提高Savonius风力机的捕能效率。
创新点：1.将附加圆柱引入Savonius风力机的叶片设计中，提高传统Savonius风力机的捕能效率；2.构建一种动力学形式的数学模型，用于有效求解风致Savonius风力机的转动过程。
方法：1.通过理论推导，构建一种动力学形式的数学模型，用于有效求解风致Savonius风力机的转动过程（公式(S3)）；2.通过田口实验优化，研究附加圆柱Savonius风力机的3个特征参数对其捕能性能的影响，得到各因素的影响权重排序（图4）；3.通过仿真模拟，找到附加圆柱Savonius风力机捕能效率提高的主要原因（图7和8）；4.通过实验设计，证明附加圆柱对提升Savonius风力机捕能效率的积极影响，同时也验证数值模型的正确性（图10）。
结论：1.附加圆柱可有效改善Savonius风力机的气动性能；当α=45°，D=10mm，r=20mm时，与常规Savonius风力机相比，附加圆柱的Savonius风力机的平均转矩系数和平均功率系数分别提高了7%和15%。2.附加圆柱Savonius风力机的3个特征参数对平均功率系数的影响排序为D>α>r。3.附加圆柱Savonius风力机捕能效率更高的主要原因是附加圆柱加快了返回叶片凹面上涡流的脱落速度，进而导致叶片两侧产生较大的压力差。4.实验结果表明，附加圆柱Savonius风力机的输出功率比传统Savonius风力机提高了29%，与仿真结果一致。

关键词组：附加圆柱；田口实验方法；Savonius型垂直轴风力机；平均功率系数；风致转动

Compressive properties of a novel slurry-infiltrated fiber concrete reinforced with arc-shaped steel fibers

Hedong LI, Yabiao LI, Yunfeng PAN, P.L. NG, Christopher K.Y. LEUNG, Xin ZHAO

DOI: 10.1631/jzus.A2200405 Downloaded: 807 Clicked: 840 Cited: 0 Commented: 0(p.543-556) <Full Text> <PPT> 151

Chinese summary <11> 新型弧形钢纤维渗浇纤维混凝土的压缩性能研究

作者：李贺东¹，李亚彪¹，潘云锋¹，P.L.NG^2,3，Christopher K.Y. LEUNG⁴，赵昕⁵
机构：¹浙江理工大学，建筑工程学院，中国杭州，310018；²香港大学，土木工程系，中国香港，999077；³维尔纽斯格迪米纳斯技术大学，土木工程学院，立陶宛维尔纽斯，LT-10223；⁴香港科技大学，土木与环境工程系，中国香港，999077；⁵浙江科技学院，建筑工程学院，中国杭州，310023
目的：渗浇纤维混凝土（SIFCON）的力学性能受纤维类型的影响较大，弧形钢纤维代替端钩钢纤维制备SIFCON引入了潜在可明显提升SIFCON力学性能的纤维桥联机制。本文旨在研究利用弧形钢纤维制备SIFCON提升其压缩性能的可行性，并初步研究弧形钢纤维SIFCON在中低应变率下的抗压性能。
创新点：1.利用弧形钢纤维制备新型SIFCON；2.提出弧形钢纤维在SIFCON中潜在的新型桥联机制；3.研究弧形钢纤维SIFCON中低应变率下的单轴压缩性能。
方法：综合利用准静态压缩试验和霍普金森压杆试验，研究弧形钢纤维SIFCON的压缩性能，系统分析不同的应变率对弧形钢纤维SIFCON的破坏模式、动态压缩强度、动态应力-应变曲线、动态增强因子和动态韧性的影响。
结论：1.在纤维体积分数相近、纤维长径比相同的情况下，采用弧形钢纤维代替普通端钩钢纤维可显著提高SIFCON的准静态压缩性能。2.在SIFCON中采用的"纤维勾连"机制、裂纹表面"二次桥联"、最少两纤维形成"约束环"等措施可有效提高弧形钢纤维的准静态压缩性能。在动态压缩试验中，由于试件尺寸较小和切割过程导致"纤维勾连"机制的潜力减小，限制了动态压缩性能的提高。建议进一步研究采用更好的动态压缩试验方法，以充分反映弧形钢纤维的贡献。3.脆性基体和弧形钢纤维SIFCON均为应变速率敏感材料，其动态抗压强度、动态增加因子（DIF）和动态韧性均随应变速率的增大而增大。从试验结果来看，在高应变率下，采用FIBModel Code 2010的公式高估了脆性基体和弧形钢纤维SIFCON的DIF。因此，有必要建立脆性基体和弧形钢纤维SIFCON材料的替代DIF模型。4.与其他纤维增强混凝土相比，在相同应变率下，弧形钢纤维SIFCON具有更大的变形和能量吸收能力。显然，采用弧形钢纤维的SIFCON在结构应用中具有良好的抗冲击载荷性能。

关键词组：渗浇纤维混凝土；弧形钢纤维；准静态压缩性能；霍普金森压杆；动态压缩性能