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.12 P.1043-1146

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Review

Review: Key technologies and development trends of the soft abrasive flow finishing method

Yunfeng TAN, Yesha NI, Weixin XU, Yuanshen XIE, Lin LI, Dapeng TAN

DOI: 10.1631/jzus.A2300038 Downloaded: 675 Clicked: 579 Cited: 0 Commented: 0(p.1043-1064) <Full Text>

Chinese summary <11> 软性磨粒流光整加工方法的关键技术及发展趋势

作者：谭云峰^1,2,3，倪耶莎^1,3，许炜鑫^1,3，谢远深^1,3，李霖^1,2,3，谭大鹏^1,3
机构：¹浙江工业大学，特种装备与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室，中国杭州，310014；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，310058；³浙江工业大学，高端激光制造装备省部共建协同创新中心，中国杭州，310014
概要：本文综述了约束空间内软性磨粒流光整加工（SAF）方法的最新进展。简要介绍了多相流体动力学建模、材料表面加工去除机理、辅助强化光整加工技术以及磨粒和气泡空化对表面冲击效应的观测技术。从薄壁曲面元件、生物医学功能元件、电子信息及精密光学元件表面超精密加工四个方面给出了软性磨粒流加工技术未来的发展前景和所面临的挑战。

关键词组：软性磨粒流光整加工（SAF）；动力学建模；材料去除机理；工艺优化；强化加工控制技术

Research Articles

Enhanced mixing efficiency for a novel 3D Tesla micromixer for Newtonian and non-Newtonian fluids

Abdellah AAZMI, Zixian GUO, Haoran YU, Weikang LV, Zengchen JI, Huayong YANG, Liang MA

DOI: 10.1631/jzus.A2300589 Downloaded: 291 Clicked: 302 Cited: 0 Commented: 0(p.1065-1078) <Full Text> <PPT> 84

Chinese summary <9> 一种能显著提升牛顿和非牛顿流体混合效率的新型3D特斯拉微混匀器

作者：Abdellah AAZMI^1,2，郭子贤^1,2，于浩然^1,2，吕为康^1,2，季增琛^1,2，杨华勇^1,2，马梁^1,2
机构：¹浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310058；²浙江大学，机械工程学院，中国杭州，310058
目的：使用梯度结构水凝胶打印制造具有生物活性的梯度结构是生物制造领域的研究热点之一，但传统用于挤出式生物3D打印的混匀器仍具有混合不充分、不适用于高粘性生物墨水等缺陷。本文旨在提出一种新型的特斯拉混匀器结构，并通过计算流体力学（CFD）仿真与实验来验证其混合性能以及对不同特性流体的适应性，为生物3D打印自然生物组织的复杂异质结构提供一个可靠的工具。
创新点：1.以传统特斯拉阀为灵感，引入相似结构设计微流控混匀器来实现更高效的混合。2.利用CFD模拟与实际实验，广泛地验证该混匀器对于不同特性流体的适应性。3.通过在CIELab中进行颜色均匀性的检查，证明混匀器能够精确地实现不同组分比例的混合，发掘了其在生物打印领域的应用潜力。
方法：1.通过数值方法与CFD分析进行建模与仿真，以及通过实验测量压降，验证CFD建模的正确性（图3），并测定不同混合周期下的混合效率（图4）；2.通过仿真分析，分别测定不同流速下流体的混合效果、雷诺数与皮克列数，分析混合的流体力学机理，验证其对牛顿流体与非牛顿流体的出色混合性能，并探讨最佳混合效果对应的参数；3.制造3D特斯拉混匀器实物并进行实验验证，检验其实际打印的可行性与应用优势，并进一步验证其混合均匀性与精确性。
结论：1.新型特斯拉混匀器能用很少的混合周期达到较高的混合效率；2.混匀器适用于不同粘度和扩散系数的牛顿流体和流变特性变化的非牛顿流体，且具有出色混合性能；3.打印液滴颜色均匀性的评估结果验证了该混匀器在混合材料组分控制上的精确性。

关键词组：微观混合；3D打印；非牛顿流体；计算流体力学（CFD）

Numerical modeling and experimental study of microstamping process for fabricating microchannels using thin sheets of titanium

Wenze MAO, Yancheng WANG, Deqing MEI, Lingfeng XUAN, Caiying ZHOU

DOI: 10.1631/jzus.A2300083 Downloaded: 666 Clicked: 1057 Cited: 0 Commented: 0(p.1079-1095) <Full Text> <PPT> 96

Chinese summary <8> 钛基薄板微流道的微冲压成形工艺数值建模与实验研究

作者：毛文泽^1,2，汪延成^1,2，梅德庆^1,2，宣凌锋²，周彩莹²
机构：¹浙江大学，流体动力与机电系统国家重点实验室，中国杭州，310058；²浙江大学，浙江省先进制造技术重点实验室，中国杭州，310058
目的：钛基薄板微冲压成形时，钛基薄板的力学各向异性特点会导致薄板出现不同程度的回弹变形。本文旨在建立正交各向异性的弹塑性本构模型，用于准确预测钛基薄板的力学各向异性特点对微流道冲压成形时回弹变形和成形性能，分析模具尺寸参数（模具圆角半径、模具间隙、冲头宽度）对微流道冲压成形的影响规律，并对钛基薄板的取向和模具尺寸进行优选以提高冲压成形的精度。
创新点：1.基于偏轴弹性模量和希尔屈服准则，建立钛基薄板的正交各向异性弹塑性本构模型。2.建立钛基薄板微流道冲压成形工艺的数值仿真模型，并研究钛基薄板各向异性和模具参数对回弹变形和成形性能的影响规律。
方法：1.通过单向拉伸试验分析，基于偏轴弹性模量和希尔屈服准则推导出钛薄板各向异性的应力应变关系，并建立钛基薄板微流道冲压成形的仿真模型。2.通过与微冲压实验结果对比，验证仿真模型的准确性。3.通过仿真模拟，分析钛薄板的各向异性特性对微冲压的影响，并研究在不同模具尺寸参数下钛薄板的成形能力。
结论：1.正交各向异性本构模型能准确预测钛薄板弹塑性行为，建立的微冲压仿真模型可准确预测钛薄板的回弹变形量。2.在微冲压加工中钛薄板的各向异性导致不同取向的试样产生了不同程度的成形载荷和回弹。3.模具圆角半径、间隙和冲头宽度都与回弹呈正相关，与应力集中程度呈负相关；为降低断裂风险，选择RD试样和圆角半径为0.10mm的模具制造深度为279.3 μm、拔模角度为34.34°的流道。

关键词组：钛基薄板；微冲压；各向异性；本构模型；回弹

Solid-liquid flow characteristics and sticking-force analysis of valve-core fitting clearance

Jin-yuan QIAN, Jiaxiang XU, Fengping ZHONG, Zhenhao LIN, Tingfeng HUA, Zhijiang JIN

DOI: 10.1631/jzus.A2300061 Downloaded: 426 Clicked: 472 Cited: 0 Commented: 0(p.1096-1105) <Full Text> <PPT> 91

Chinese summary <5> 阀芯间隙固液两相流动特性及卡滞研究

作者：钱锦远¹，许家祥¹，钟丰平²，林振浩¹，华霆峰¹，金志江^1,3
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浙江省特种设备科学研究院，中国杭州，310009；³浙江大学，温州研究院，中国温州，325036
目的：阀门在运行期间，如有外部污染颗粒或阀内元件自身腐蚀的磨损颗粒混入流体中，其随着流体进入阀芯配合间隙从而导致阀芯所受阻力增大，容易出现阀芯卡滞现象。因此，本文旨在分析阀芯配合间隙内颗粒流动特性及其引起的卡滞问题，研究颗粒浓度、直径和均压槽形状对阀芯卡滞力的影响，为抑制阀芯卡滞方法的研究提供参考。
创新点：1.基于Euler-Euler方法建立固液两相流模型，获得阀芯配合间隙内的固液两相流动特性；2.研究颗粒浓度和直径对流动特性及阀芯卡滞力的影响，确定敏感颗粒直径；3.揭示不同均压槽结构对阀芯卡滞力的影响规律。
方法：1.基于Euler-Euler固液两相流模型，分析阀芯配合间隙内的固液两相流动特性；2.通过数值模拟方法研究颗粒浓度和直径对流动特性及阀芯卡滞力的影响；3.分析椭圆形、矩形和三角形均压槽结构对颗粒分布及阀芯卡滞力的影响。
结论：1.颗粒在均压槽中的体积分数最高，并且峰值也随着颗粒直径的增大而增大，卡滞力随着颗粒浓度的增加而增加。2.随着颗粒直径的增大，卡滞力先增大后减小，当颗粒直径为12 μm时，卡滞力最大，为敏感颗粒直径。3.椭圆形和矩形均压槽中的流体偏转角较大，分别为32.83°和39.15°；三角形均压槽中的流体偏转角相对较小，是椭圆形或矩形均压槽的50%左右；矩形均压槽中的颗粒体积分数最高，椭圆形均压槽中次之，三角形均压槽中最低，其峰值分别为0.0317、0.0316和0.0312；当颗粒直径为12 μm时，椭圆形、矩形和三角形均压槽的卡滞力分别为4.796、4.802和4.757 N。因此，在阀芯上选择一个流体偏转角小、底部储存污染颗粒能力强的三角形均压槽，有利于缓解阀芯卡滞现象。

关键词组：固液流动特性；阀芯；卡滞力；Euler-Euler模型

Influence of adjacent shield tunneling construction on existing tunnel settlement: field monitoring and intelligent prediction

Long RAN, Yang DING, Qizhi CHEN, Baoping ZOU, Xiaowei YE

DOI: 10.1631/jzus.A2200573 Downloaded: 455 Clicked: 479 Cited: 0 Commented: 570(p.1106-1119) <Full Text> <PPT> 118

Chinese summary <6> 邻近盾构施工对既有隧道沉降的影响：现场监测与智能预测

作者：冉龙¹，丁杨²，陈其志¹，邹宝平¹，叶肖伟³
机构：¹浙江科技学院，土木与建筑工程学院，中国杭州，310023；²浙大城市学院，城市基础设施智能化浙江省工程研究中心，中国杭州，310015；³浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058
目的：随着我国城市地下空间的迅猛发展，盾构法因其具有地质适应性强、速度快、安全可靠等优点，逐步成为了城市地铁建设的主流。盾构在开挖掘进的过程中势必会对四周围岩造成一定的扰动，从而引发地层变形与地基的隆起或沉降，进而对临近建筑物造成影响。然而，由于土体介质的复杂性，国内外对于地表沉降规律的研究尚处于不成熟阶段。因此，开展地铁施工过程中的结构健康监测、预测地铁施工引起的周边结构变形以及总结变形规律可以为地铁施工的安全预警提供技术支持和理论参考，对提高地铁施工安全性有重要意义。
创新点：1.以杭州地铁施工为工程背景，分析临近施工对既有地铁结构变形的影响，并研究监测中的难点和重点；2.基于监测获取的海量数据，建立基于反向传播（BP）神经网络的变形预测模型。
方法：分析BP神经网络的4种结构（即单输入-单隐含层-单输出、多输入-单隐含层-单输出、单输入-双隐含层-单输出和多输入-双隐含层-单输出）对预测性能的影响，并通过实测数据进行验证。
结论：1.本工程基坑影响范围内同时存在地铁车站、附属结构和盾构隧道等不同结构形式的地铁设施，且其受基坑施工影响的程度各不相同；保护区监测工作过程中除了关注各自自身结构变形情况外，还应重点加强车站与附属结构、车站与盾构隧道结构间的差异沉降监测。2.对于单输入-单隐含层-单输出的BP神经网络，其最优隐含层节点数为1；对于多输入-单隐含层-单输出的BP神经网络，其最优输入数为2，隐含层节点数为1；对于单输入-双隐含层-单输出的BP神经网络，其最优隐含层节点数分别为1和1；对于多输入-双隐含层-单输出的BP神经网络，其最优输入数为5，隐含层节点数分别为1和5。3.当确定输入量时，隐含层节点数应不大于输入数量，以避免出现过拟合现象；当输入量为1~3时，最优隐含层节点数为1。

关键词组：地铁；隧道水平位移；隧道道床沉降；隧道差异沉降；变形预测；BP神经网络

GPU-accelerated vector-form particle-element method for 3D elastoplastic contact of structures

Wei WANG, Yanfeng ZHENG, Jingzhe TANG, Chao YANG, Yaozhi LUO

DOI: 10.1631/jzus.A2200311 Downloaded: 1528 Clicked: 8424 Cited: 0 Commented: 1159(p.1120-1130) <Full Text> <PPT> 92

Chinese summary <6> 结构三维弹塑性接触问题的图形处理器并行有限质点法求解

作者：汪伟^1,2，郑延丰^1,3,4，唐敬哲¹,杨超^1,4,罗尧治^1,4
机构：¹浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058；²浙江大学，平衡建筑研究中心，中国杭州，310028；³浙江大学建筑设计研究院有限公司，中国杭州，310028；⁴浙江省空间结构重点实验室，中国杭州，310058
目的：结构的三维弹塑性接触问题通常包含强非线性，且计算比较耗时。为解决这类问题，本文提出基于图形处理器加速的有限质点法。
创新点：1.发展基于有限质点法的六面体缩减积分单元；2.提出结构的三维并行接触算法。
方法：1.发展基于有限质点法的六面体缩减积分单元，并采用沙漏控制技术，用于模拟结构的弹塑性行为；2.提出结构的三维并行接触算法，将包含接触面的三维空间分解为立方体单元格，仅在相邻单元格之间进行接触搜索，并使用链式数据结构存储接触质点；3.通过基于图形处理器的并行计算技术对算法进行加速。
结论：1.本文方法与有限元软件Abaqus/Explicit相比，在总计算时间和接触计算时间上分别提升效率约80倍和340倍；2.本文方法的有效性和计算效率都得到了验证。

关键词组：图形处理器；并行加速；弹塑性接触；接触搜索；有限质点法

Dynamics of buoyancy-driven microflow in a narrow annular space

Yanzhong WANG, Yaping ZHANG, Kai YANG, Boji LU, Hao GAO

DOI: 10.1631/jzus.A2200617 Downloaded: 419 Clicked: 551 Cited: 0 Commented: 0(p.1131-1139) <Full Text> <PPT> 94

Chinese summary <6> 狭窄环形空间内浮力驱动微对流的动力学特性

作者：王延忠¹，张亚萍¹，杨凯²，鲁博佶¹，高浩³
机构：¹北京航空航天大学，机械工程及自动化学院，中国北京，100191；²北京卫星制造厂，中国北京，100094；³三明学院，机电工程学院，中国三明，365001
目的：液浮陀螺仪环形流道的宏微观特征影响内部浮油的动力学特性，与仪表精度水平密切相关。本文旨在探讨狭窄环形流道的间隙尺寸、粗糙高度、粗糙密度等因素对浮油流场、温度场、粘滞力矩的影响，为陀螺仪表的设计优化和精度提升提供理论参考。
创新点：1.抽取液浮陀螺仪内部环形流道的结构特征，建立流体域的流热耦合模型；2.提出一种表征壁面粗糙特征的方法，获取粗糙特征对浮油流热特性的影响规律。
方法：1.通过分析液浮陀螺仪的结构和工况，建立简化的理论分析模型（图2）；2.采用几何微圆构造粗糙特征，并定义壁面粗糙参数（图3）；3.建立陀螺仪环形流体域的流热耦合模型；4.通过耦合模型的求解计算，分析壁面宏微观尺寸对浮油动力学特性的影响规律。
结论：1.间隙效应对粘滞力矩的影响大于粘温效应，且力矩随着间隙尺寸的增加先增大后减小，最后趋于稳定；2.流道壁面粗糙度对浮油动力学特性有显著影响，粗糙度高度对粘滞力矩的影响大于粗糙度密度对粘滞力矩的影响。

关键词组：液浮陀螺仪；环形通道；粗糙特征；流体阻力

Correspondence

Correspondence: A novel approach for the optimal arrangement of tube bundles in a 1000-MW condenser

Jinju GUO, Taoye YIN, Shuai WANG, Wei CHEN, Peiwang ZHU, Kun LUO, Yun KUANG, Jie LIU, Junjun HUANG, Bing HUO, Hui WANG, Chunlin ZHANG, Jian WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300183 Downloaded: 375 Clicked: 488 Cited: 0 Commented: 570(p.1140-1146) <Full Text> <PPT> 77

Chinese summary <6> 1000MW级凝汽器的壳侧流场的一种新的数值模拟方法

作者：郭金菊¹，尹韬烨¹，王帅¹，陈炜¹，祝培旺¹，罗坤^1,2，匡云³，刘杰³，黄军军³，霍兵⁴，王辉³，张春琳⁵，王坚³
机构：¹浙江大学，能源清洁利用国家重点实验室，中国杭州，310027；²浙江大学上海高等研究院，中国上海，200120；³中国电力工程顾问集团中南电力设计院有限公司，中国武汉，430071；⁴黄冈大别山发电有限责任公司，中国黄冈，438300；⁵中能建数字科技集团有限公司，中国北京，100022
目的：针对大型凝汽器，提出一种新的方法来解决传统多孔介质模型的缺点，优化冷凝器管束布局。
创新点：流场被分为两个区域，即凝结区和非凝结区。在凝结区使用相对较细的网格，并分析蒸汽凝结过程中的热阻，在质量输运方程中加入一个源项来描述蒸汽凝结量。与多孔介质模型相比，这种方法能更好地反映不同管束布置下的流场特征，同时与直接建模相比大大降低计算成本。
方法：1.研究凝汽器壳侧流场的流动和传热规律，将其划分为管束区域和非管束区域。2.在冷凝发生的区域即管束区域，通过物理规律分析与理论计算推导出冷凝的质量源项，并将该质量源项通过用户自定义函数加载于管束区域，构成新的蒸汽冷凝模型。3.以某1000MW级凝汽器为例，使用新的蒸汽冷凝模型模拟壳侧流场，与其设计参数对比并验证该方法的有效性。4.使用该方法，对1000MW级凝汽器两种不同管束布置及三种工况下的壳侧流场进行数值模拟，进一步验证该方法的可行性和必要性。
结论：1.本文提出的数值模拟方法，在模拟流动动力学以及1000MW冷凝器内的冷凝过程方面表现出合理的精度。2.当空气质量分数达到约0.001的临界值时，实现气流中空气层的动平衡；低于该临界值，传热系数从4250 W/(m²·K)至155 W/(m²·K)，相当于下降96.35%；高于该临界值的区域称为空气积聚区域。3.在额定漏气条件下，均匀管束布置的压降比非均匀管束布置低51.73%；此外，随着空气浓度的增加，传热效率随着空气泄漏量的增加而降低，导致传热系数降低。

关键词组：凝汽器；壳侧流场；蒸汽冷凝模型；管束布置；漏空气量