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

2024 Vol.25 No.8 P.605-686

Cover:

<174>

Contents:

<145>

<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Frequency-domain analysis of fluid-structure interaction in aircraft hydraulic pipeline systems: numerical and experimental studies

Yang DENG, Zongxia JIAO, Yuanzhi XU

DOI: 10.1631/jzus.A2300517 Downloaded: 649 Clicked: 922 Cited: 0 Commented: 0(p.605-617) <Full Text>

Chinese summary <32> 飞机液压管路系统流固耦合频域分析：数值和实验研究

作者：邓洋¹，焦宗夏^1,2,3,4,5，徐远志^1,2,3,4,5
机构：¹北京航空航天大学，自动化科学与电气工程学院，中国北京，100191；²北京航空航天大学，前沿科学技术创新研究院，中国北京，100191；³北京航空航天大学，先进航空机载系统工信部重点实验室，中国北京，100191；⁴北京航空航天大学宁波创新研究院，浙江宁波，315800；⁵天目山实验室，浙江杭州，310023
目的：为了实现对液压管路系统流固耦合振动特性的准确预测，本文研究了基于改进型传递矩阵法（TMM）的流固耦合频域分析方法，并针对复杂充液管路系统的频率响应特性进行计算，以期为机载管路的振动设计提供支撑。
创新点：1.建立了完整的管路流固耦合模型，并考虑了全管段的摩擦耦合以及弯管的刚度修正；2.综合传矩阵堆叠策略和边界条件的矩阵表达，提出了一种改进型TMM，解决了传统TMM计算不稳定的问题；3.搭建了机载管路实验台，并采用航空液压泵和负载节流阀对机载Z型管路进行了流固耦合实验，验证了所提模型与方法的有效性和准确性。
方法：1.对于管路14方程流固耦合模型，考虑流体粘性摩擦，并在弯管弯曲段考虑其刚度修正因子；2.通过数值仿真对比TMM计算结果与有限元法计算结果，并基于传递矩阵堆叠技术的改进型TMM方法来解决L型弯管案例中出现的计算失稳问题；3.在实际液压系统中开展管道流固耦合实验，并以管道加速度与管道入口压力的比值阻抗为指标，验证改进型TMM方法的准确性。
结论：1.针对飞机液压管路系统长距离、多弯曲段的特点，建立了同时考虑流体摩擦和弯曲段刚度修正的管路流固耦合模型，并通过数值案例验证了模型的正确性；2.为解决计算不稳定性问题，提出了一种基于传递矩阵堆叠技术的改进型TMM，并通过数值仿真案例验证了它的有效性；3.搭建了由飞机发动机驱动泵、Z型液压管路和负载节流阀组成的实验台，研究了实际液压系统的流固耦合实验方法和边界条件设置，并验证了实验、有限元方法和改进型TMM的一致性，进而证明了所提流固耦合模型和改进型TMM方法的有效性。

关键词组：流固耦合；频域分析；飞机液压管道；管道振动；传递矩阵法

New formula for predicting the plastic buckling pressure of steel torispherical heads under internal pressure

Sheng YE, Keming LI, Jinyang ZHENG, Shan SUN

DOI: 10.1631/jzus.A2300432 Downloaded: 805 Clicked: 988 Cited: 0 Commented: 0(p.618-630) <Full Text> <PPT> 220

Chinese summary <26> 内压碟形封头屈曲压力计算新公式

作者：叶盛¹，李克明^1,2，郑津洋^1,2,3，孙珊¹
机构：¹浙江大学，化工机械研究所，中国杭州，310027；²浙江大学，高压过程装备与安全教育部工程研究中心，中国杭州，310027；³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
目的：屈曲是内压碟形封头的重要失效模式。已有的碟形封头屈曲压力计算公式存在计算精度低、适用范围窄、计算过程繁琐等问题。本文旨在提出具有更高精度和更强适用性的钢制碟形封头屈曲压力计算新公式，为建立内压碟形封头抗屈曲设计方法提供支撑。
创新点：已有公式基于弹性理论或理想弹塑性理论，未考虑材料应变硬化影响。本文基于考虑几何非线性和材料应变硬化的非线性屈曲有限元分析方法，并经大量工业规模封头屈曲试验数据修正，提出了钢制碟形封头屈曲压力计算新公式，相比已有公式具有更高精度与更强适用性。
方法：1.采用基于弧长法的非线性增量有限元方法，建立考虑材料应变硬化和几何非线性的钢制碟形封头屈曲压力计算模型（图4）。2.利用该模型开展钢制碟形封头屈曲压力参数化计算，探明封头几何参数、材料参数等对其屈曲压力的影响规律（图5和7），并结合有限元计算结果和大量工业规模封头屈曲压力试验数据，提出碟形封头屈曲压力计算新公式（公式(16)）。
结论：1.钢制碟形封头在内压下发生塑性屈曲，其屈曲压力随封头径厚比（D_i/t）、球冠区半径与内径比（R_i/D_i）的增大而减小，随过渡区半径与内径比（r/D_i）的减小而增大，且与材料屈服强度近似成线性关系；2.本文提出的钢制碟形封头屈曲压力计算新公式的适用范围为200≤D_i/t≤2000，0.7≤R_i/D_i≤1.0和0.06≤r/D_i≤0.2，相比于现有公式具有更高精度和更强适用性。

关键词组：碟形封头；塑性屈曲；弹塑性分析；预测公式；有限元方法

Gas film/regenerative composite cooling characteristics of the liquid oxygen/liquid methane (LOX/LCH4) rocket engine

Xinlin LIU, Jun SUN, Zhuohang JIANG, Qinglian LI, Peng CHENG, Jie SONG

DOI: 10.1631/jzus.A2300365 Downloaded: 706 Clicked: 1097 Cited: 0 Commented: 0(p.631-649) <Full Text> <PPT> 191

Chinese summary <27> 液氧/甲烷火箭发动机气膜/再生复合冷却特性研究

作者：刘新林，孙郡，蒋卓航，李清廉，成鹏，宋杰
机构：国防科技大学，高超声速冲压发动机技术重点实验室，中国长沙，410073
目的：液体火箭发动机热防护设计一直以来都是液体火箭发动机设计的关键。本文旨在针对液氧/甲烷火箭发动机推力室建立气膜/再生复合冷却传热计算模型，并提出一种复合冷却方法。
创新点：1.提出一种气膜冷却和再生冷却相结合的复合冷却方法；2.建立气膜/再生复合冷却传热计算模型；3.开展6kg/s级气膜/再生复合冷却推力室热试车实验，并通过实验验证计算模型的准确性；4.基于复合冷却传热计算模型，开展不同结构参数与工况参数下复合冷却传热特性分析。
方法：1.通过理论推导，建立液体火箭发动机推力室气膜/再生复合冷却传热计算模型；2.通过开展热试车实验，验证传热计算模型的准确性；3.通过数值模型计算，开展不同结构参数与工况参数下复合冷却传热特性分析。
结论：1.气膜/再生复合冷却传热计算模型具有较高的准确性；与实验结果相比，冷却剂温升预测误差小于10%。2.与再生冷却相比，复合冷却性能显著提高；较高的气膜流量可以带来更高的冷却效率和更低的燃气侧壁温。3.膜的引入位置对冷却性能有较大影响；优化后的气膜冷却使壁温分布更加均匀，峰值更低。4.与单层气膜相比，双层气膜可以增强气膜叠加区域的冷却效果，并进一步降低该区域的燃气侧壁温。

关键词组：液氧/甲烷发动机；气膜冷却；再生冷却；传热特性

Numerical study on local failures of reinforced concrete slabs against underwater close-in explosions

Fei ZHOU, LI Hedong, WU Hao

DOI: 10.1631/jzus.A2300338 Downloaded: 841 Clicked: 1074 Cited: 0 Commented: 0(p.650-669) <Full Text>

Chinese summary <26> 水中近场爆炸下钢筋混凝土板局部破坏模式数值模拟研究

作者：周飞¹，李贺东²，吴昊¹
机构：¹同济大学，结构防灾减灾工程系，中国上海，200092；²浙江理工大学，建筑工程学院，中国杭州，310018
目的：钢筋混凝土板是水下设施的主要承重构件，在水中近场爆炸下可能遭受严重的局部破坏，如开坑、震塌及开裂。本文旨在通过高精度数值仿真方法探讨水中近场爆炸下爆距、炸药质量、结构厚度和结构背面空气/水介质对混凝土板损伤破坏的影响规律，并总结水中近场爆炸下混凝土板破坏模式评估公式。
创新点：1.采用作者前期建立的新型混凝土动态本构模型，系统标定了含水混凝土本构模型参数；2.采用任意拉格朗日-欧拉算法，建立钢筋混凝土板在水中近场爆炸下的高精度模拟方法；3.建立水中近场爆炸下钢筋混凝土板损伤破坏分析模型，开展参数分析并归纳出损伤破坏评估方法。
方法：1.基于现有试验数据，对自由水含量对混凝土的抗拉/抗压强度、弹性模量、应变率效应、强度面和状态方程的影响进行综合标定；2.通过模拟现有混凝土隧洞靶的水中近场爆炸试验和混凝土板的水下接触爆炸试验，对所建立的有限元分析方法再现水中爆炸荷载以及混凝土的开坑、开裂等损伤破坏的能力进行验证；3.通过参数分析，明确爆距、炸药质量、结构厚度和结构背面空气/水介质对混凝土板损伤破坏的影响规律；4.基于大量仿真分析，归纳出水中近场爆炸下混凝土板破坏模式评估公式。
结论：1.系统标定的本构模型参数可准确描述饱和混凝土的动态力学性能；2.建立的高精度数值模拟方法可准确描述近场爆炸作用下混凝土板的开坑、开裂及震塌破坏；3.水中近场爆炸下混凝土板的局部破坏随着炸药质量的增加、爆距的减小和结构厚度的减小而增大；4.与背面水介质相比，背面空气介质的混凝土板损伤破坏显著增加；5.归纳的水中近场爆炸作用下混凝土板损伤评估方法，可用于相关水下设施的抗爆设计。

关键词组：钢筋混凝土板；水中近场爆炸；饱和混凝土；破坏模式；数值仿真

Correspondences

Correspondence: Monotonic mechanical behaviour of compacted completely decomposed granite with various inclusion levels of incineration bottom ash

Han-Lin WANG, Cheng-Shuang YIN, Qian-Yi ZHANG, Qi-Wei LIU, Zhen-Yu YIN, Dong-Xing XUAN, Askar KHASANOV

DOI: 10.1631/jzus.A2300514 Downloaded: 576 Clicked: 1079 Cited: 0 Commented: 0(p.670-679) <Full Text> <PPT> 157

Chinese summary <30> 不同焚烧残渣掺量下压实全风化花岗岩加固土的静力学特性

作者：王瀚霖^1,2,3，尹承双^1,2,3，张谦益⁴，刘骐炜^1,2,3，尹振宇⁵，玄东兴⁵，Askar KHASANOV⁶
机构：¹湖南大学，地下空间开发先进技术研究中心，中国长沙，410082；²湖南大学，建筑安全与节能教育部重点实验室，中国长沙，410082；³湖南大学，土木工程学院，中国长沙，410082；⁴郑州大学，土木工程学院，中国郑州，450001；⁵香港理工大学，土木与环境工程系，中国香港；⁶撒马尔罕州立大学，应用与理论力学系，乌兹别克斯坦
概要：近年来，不断增加的生活垃圾产生了大量的焚烧残渣（IBA）。同时，考虑到土建材料的巨大用量需求和有限的自然资源，充分利用固废材料变得越来越重要。本研究通过静三轴试验，研究了在不同的IBA体积含量和不同的压实全分化花岗岩（CDG）压实度下，IBA对CDG试样静力学特性的影响。结果表明，随着IBA体积含量的增加，最大偏应力或抗剪强度逐渐增大，呈双线性增加趋势。当IBA的体积含量超过某一特征值时，增长速率更加显著。在到达此值之前，CDG-CDG接触主导力学特性，而在达到此值之后，CDG-IBA和IBA-IBA接触成为主导。随着压实度的增加，IBA配位数和IBA接触比例增加，IBA的特征体积含量值降低。因此，在实际工程中，无论是提高CDG的压实度还是提高IBA的体积含量，都有助于提高加固土体的目标强度。

关键词组：全风化花岗岩（CDG）；焚烧残渣（IBA）；压实度；特征体积含量；土体加固

Correspondence: Enhancement in the Hg⁰ oxidation efficiency and sulfur resistance of CuCl₂-modified MnO_x-CeO_x nanorod catalysts

Shujie GAO, Yongjin HU, Zhichang JIANG, Xiaoxiang WANG, Dong YE, Changxing HU

DOI: 10.1631/jzus.A2300276 Downloaded: 732 Clicked: 1102 Cited: 0 Commented: 0(p.680-686) <Full Text> <PPT> 206

Chinese summary <28> CuCl₂改性对MnO_x-CeO_x纳米棒催化剂汞氧化性能及抗硫性能的提升机理研究

作者：高淑洁¹，胡永金¹，蒋志昌¹，王晓祥²，叶栋¹，胡长兴³
机构：¹中国计量大学，质量与安全工程学院，中国杭州，310018；²浙江大学，化工学院，工业生态与环境研究所，中国杭州，310027；³浙大宁波理工学院，机电与能源工程学院，中国宁波，315100
目的：针对燃煤电站多变的烟气条件，研究适用于高汞、含硫烟气的催化剂。
创新点：1.通过水热法合成锰铈氧化物纳米棒，可实现高汞含硫烟气条件下的高效脱汞；2.通过添加CuCl₂，在保证催化剂的汞氧化性能的同时，提升其抗硫性能。
方法：利用固定床微反应器对催化剂的汞氧化性能进行研究，并结合物化表征建立催化剂的构效关系，进而揭示CuCl₂改性催化剂的抗硫机理。
结论：1.添加CuCl₂提升了催化剂的汞氧化性能：在150~250°C温度区间内，催化剂的汞养护效率为100%；在含硫气氛下反应320 min后，锰铈氧化物的汞氧化效率由100%下降到78%；对于CuCl₂改性催化剂，共氧化性能依旧维持在100%。2.对于锰铈氧化物催化剂，Mn⁴⁺为主要的活性位点；对于CuCl₂改性催化剂，除了Mn⁴⁺外，Cl^?也是其中的活性位点。3.在含硫气氛下，Mn⁴⁺利用量的下降是导致锰铈氧化物催化剂活性下降的主要原因，而高反应活性Cl^?的存在是CuCl₂改性催化剂保持高汞脱除效率的主要原因。