超常環(huán)境力學(xué)領(lǐng)域研究新進展1)—-《力學(xué)學(xué)報》極端力學(xué)專題研討會綜述報告

姜宗林 劉俊麗 苑朝凱,3) 陳海璇 陸夕云

?(中國科學(xué)院力學(xué)研究所高溫氣體動力學(xué)國家重點實驗室,北京 100190)

?(《力學(xué)學(xué)報》編輯部,北京 100190)

??(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代力學(xué)系,合肥 230027)

1 領(lǐng)域背景與會議概況

進入21 世紀(jì)以來,伴隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展,力學(xué)學(xué)科進入了一個新的發(fā)展時期,在研究的廣度和深度上都發(fā)生了深刻的變化,與重大需求協(xié)同發(fā)展成為當(dāng)前力學(xué)發(fā)展的基本趨勢.隨著力學(xué)與重大工程的結(jié)合越來越緊密,尖端技術(shù)發(fā)展使得力學(xué)系統(tǒng)部分或整體面臨超高溫、超高速、超高壓、深海和深空等超常服役環(huán)境,涉及到了物理、化學(xué)、微尺度和超大結(jié)構(gòu)等多過程耦合與多學(xué)科交叉問題,表現(xiàn)出以非平衡、非線性、多尺度的力學(xué)行為.根據(jù)超常環(huán)境下極端力學(xué)的學(xué)科特征,配合新時期“上天、入地、下?！钡膰夜こ碳夹g(shù)發(fā)展需求,積極開展極端力學(xué)領(lǐng)域新問題、新現(xiàn)象、新規(guī)律和新理論的研究,為國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展提供堅實的科學(xué)支撐,就具有非常重大的意義.

2020 年11 月7～8 日,超常環(huán)境力學(xué)領(lǐng)域?qū)W術(shù)報告會暨《力學(xué)學(xué)報》(中英文版)極端力學(xué)專題研討會在中國科學(xué)院力學(xué)研究所召開.本次會議由中國科學(xué)院力學(xué)研究所主辦,中國科學(xué)院復(fù)雜系統(tǒng)力學(xué)卓越創(chuàng)新中心(以下簡稱卓越中心)、《Acta Mechanica Sinica》及《力學(xué)學(xué)報》共同承辦.《力學(xué)學(xué)報》主編、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陸夕云院士擔(dān)任會議主席,《力學(xué)學(xué)報》副主編、中國科學(xué)院力學(xué)研究所姜宗林研究員擔(dān)任會議執(zhí)行主席.中國科學(xué)院力學(xué)研究所李家春院士,中國力學(xué)學(xué)會副監(jiān)事長、中國科學(xué)院力學(xué)研究所副所長魏炳忱研究員,卓越中心主任魏宇杰研究員,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)副校長羅喜勝教授,中國科學(xué)院大學(xué)工學(xué)院副院長倪明玖教授等出席了此次會議.本次會議采用線上與線下相結(jié)合的方式開展,參會人數(shù)共計130 余人.

會議開幕式由姜宗林研究員主持,李家春院士、魏炳忱副所長分別為本次會議致辭.李家春院士在致辭中強調(diào),本次會議不僅展示了復(fù)雜系統(tǒng)力學(xué)卓越中心的中青年團隊近期研究的新進展,而且通過這種會議與《力學(xué)學(xué)報》緊密結(jié)合的新模式,也有利于創(chuàng)新成果在力學(xué)界的傳播與交流.魏炳忱副所長在致辭中肯定了在卓越中心發(fā)展的關(guān)鍵時期,圍繞極端力學(xué)專題,召開此次會議的重要性.強調(diào)了這次會議既是對卓越中心前階段所取得成果的總結(jié),也是對其未來所開展工作的規(guī)劃.姜宗林研究員介紹道,這次會議的名稱為《超常環(huán)境力學(xué)領(lǐng)域?qū)W術(shù)報告會暨《力學(xué)學(xué)報》(中英文版)極端力學(xué)專題研討會》,其中包含三個意思.第一是中國科學(xué)院復(fù)雜系統(tǒng)力學(xué)卓越創(chuàng)新中心超常環(huán)境力學(xué)領(lǐng)域的年度學(xué)術(shù)報告會,主要目的是總結(jié)研究進展,強化學(xué)術(shù)交流、謀劃協(xié)調(diào)發(fā)展,以推動超常環(huán)境力學(xué)領(lǐng)域的研究進展.第二是響應(yīng)鄭曉靜院士關(guān)于極端力學(xué)的倡導(dǎo).極端力學(xué)就像一面旗幟,讓國內(nèi)學(xué)術(shù)界對力學(xué)的范疇有更簡潔、明確和深刻的認(rèn)識.極端力學(xué)來自于超常環(huán)境服役,相對傳統(tǒng)力學(xué)有新現(xiàn)象、新規(guī)律、甚至新的本構(gòu)方程,是力學(xué)領(lǐng)域的學(xué)科前沿.極端力學(xué)是由鄭曉靜院士在2019 年提出的,她將極端力學(xué)定義為“研究物質(zhì)在極端服役條件下的極端性能和響應(yīng)規(guī)律”[1],極端力學(xué)作為新的學(xué)科發(fā)展方向已被列入科技部中長期發(fā)展規(guī)劃.第三是通過此次專題研討會,探討學(xué)報和會議合作的新模式,為《力學(xué)學(xué)報》(中英文版)提供一些高質(zhì)量的學(xué)術(shù)文章,增加《力學(xué)學(xué)報》的展示度,同時鼓勵、推動超常環(huán)境領(lǐng)域的力學(xué)研究.

會議根據(jù)深海、深空、高溫、高速等方向的研究進展,安排了15 個學(xué)術(shù)報告,分4 個時段進行,分別由羅喜勝教授、高福平研究員、康琦研究員和周濟福研究員擔(dān)任會議主持,展示了超常環(huán)境領(lǐng)域的最新進展.

2 深海方向的研究進展

深海作為人類生存與發(fā)展戰(zhàn)略的新疆域,關(guān)系生命起源、氣候變化、地球演化、能源開發(fā)等重大科學(xué)問題,另外深?？臻g的巨大資源潛力和環(huán)境服務(wù)價值日益受到關(guān)注,所以深海開發(fā)是中國及世界海洋大國應(yīng)對全球戰(zhàn)略格局調(diào)整和引領(lǐng)新一輪經(jīng)濟轉(zhuǎn)型發(fā)展的重大舉措,相關(guān)力學(xué)問題的研究需要予以高度重視.

2.1 南海深水區(qū)表層沉積物的物理和力學(xué)特性

深水海底管道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性面臨著超常的油氣輸運工況、水動力環(huán)境以及海床沉積條件帶來的挑戰(zhàn),表現(xiàn)為:(1)海底管道在深水海域處于高溫高壓的超常輸運環(huán)境,結(jié)構(gòu)熱屈曲成為主要的失穩(wěn)模式之一.對于長輸管道而言,在位失穩(wěn)、渦激振動、結(jié)構(gòu)熱屈曲等多種失穩(wěn)模式共存且相互競爭.(2)在淺水海域,波浪和海流是主要的環(huán)境載荷;隨著水深增加,海面重力波浪對海底的影響逐漸減弱,海底洋流和濁流成為主要的水動力荷載.(3)有機質(zhì)軟黏土和粉土是中國南海深水區(qū)的主要沉積物類型,但人們對其物理和力學(xué)特性的認(rèn)識尚不夠深入.

高福平研究員以“南海深水區(qū)表層沉積物的物理和力學(xué)特性”為題,介紹了相關(guān)前期研究工作,包括推導(dǎo)出的預(yù)測海底管道地基極限承載力的塑性滑移線場理論解[2];基于相似理論和水槽實驗觀測,探究了管道在升速和降速海流作用過程中的渦激振動遲滯效應(yīng)及影響規(guī)律[3];揭示了海底管道在砂質(zhì)海床上發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)的流固土耦合機理[4],并發(fā)現(xiàn)管道側(cè)向失穩(wěn)與土體滲透破壞誘發(fā)管道懸空之間存在競爭機制[5].高福平研究員重點論述了兩個方面的最新研究進展:

(1)針對中國南海北部海域某深水區(qū)采集的海床表層沉積物柱狀樣,進行了微觀物理和宏觀力學(xué)性質(zhì)分析,確定了沉積物的主要化學(xué)成分.研究表明該深水區(qū)沉積物多為有機質(zhì)軟黏土,具有高微生物含量、高孔隙率、超低強度等典型特性,卻通常表現(xiàn)出超固結(jié)土的特征.

(2)基于管道結(jié)構(gòu)熱屈曲經(jīng)典解析模型和可靠度理論,通過蒙特卡洛模擬開展了管道側(cè)向整體屈曲的可靠度分析.分析發(fā)現(xiàn),管土軸向摩阻的變異性可增大管道軸向走管概率;當(dāng)管土軸向摩阻滿足正態(tài)分布時,管道在大陸坡斜坡海床條件下的走管速度呈非對稱概率分布,其變異系數(shù)高于軸向摩阻的變異系數(shù)值.管道發(fā)生側(cè)向熱屈曲的臨界溫度、屈曲波長、側(cè)向位移幅值及截面壓應(yīng)力的變異性均小于管土側(cè)向臨界阻力的變異性.基于確定性分析方法設(shè)計的海底管道依然面臨高概率的結(jié)構(gòu)屈曲風(fēng)險.

2.2 深海資源提升系統(tǒng)的流固耦合研究

深海資源開發(fā)是解決能源問題的一個重要領(lǐng)域,深海資源提升系統(tǒng)是深海開發(fā)的必備工程結(jié)構(gòu),其運行安全可靠性涉及深海水動力環(huán)境、大長徑比結(jié)構(gòu)及其與復(fù)雜內(nèi)外流的相互作用,包括:大幅內(nèi)孤立波發(fā)生演化規(guī)律及其對結(jié)構(gòu)的水動力載荷、粗顆粒固液兩相內(nèi)流運動規(guī)律及其對結(jié)構(gòu)的作用力、外流結(jié)構(gòu)內(nèi)流的流固耦合機理等.

周濟福研究員以“深海資源提升系統(tǒng)的流固耦合研究”為題,介紹了相關(guān)前期研究工作,包括建立了內(nèi)孤立波在真實海洋環(huán)境中傳播演化的理論和數(shù)值模型,研究了海洋內(nèi)孤立波的分裂演化規(guī)律及其對柔性構(gòu)件的作用機理,重點關(guān)注了立管和半潛平臺在內(nèi)孤立波作用下的動力響應(yīng)[6-8].并且基于含內(nèi)流立管振動方程和半經(jīng)驗水動力模型,研究了不同內(nèi)流速度和密度對頂張力立管渦激振動響應(yīng)的影響規(guī)律[9].周濟福研究員近一步論述了3 個方面的最新研究進展:

(1)考慮真實海洋環(huán)境,開展了南海內(nèi)孤立波波幅演化規(guī)律的研究,提出了定量刻畫淺化效應(yīng)和摩擦效應(yīng)相對重要性的無量綱參數(shù),可以很好地表征內(nèi)孤立波波幅演化與地形變化的關(guān)系,據(jù)此可判斷南海不同區(qū)域內(nèi)孤立波波幅變化的規(guī)律.

(2)建立了頂張力立管和懸鏈線立管在內(nèi)孤立波作用下的有限元模型,研究了兩種立管的動力響應(yīng)特征及立管的最大位移和最大彎矩的影響因素.

(3)針對大長細(xì)比頂張式海洋立管,基于含內(nèi)流立管振動控制方程和半經(jīng)驗時域水動力模型,研究了均勻和剪切外流作用下含穩(wěn)定內(nèi)流的頂張力海洋立管的渦激振動響應(yīng),獲得了內(nèi)流速度和密度對立管渦激振動響應(yīng)參數(shù)的影響規(guī)律.

2.3 深海天然氣水合物分解引地層安全性研究

深海天然氣水合物是我國的戰(zhàn)略能源,賦存于海底大陸坡淺層欠固結(jié)的地層.水合物開發(fā)與常規(guī)油氣的本質(zhì)區(qū)別在于相變,開采不當(dāng)極易引起土層軟化與超壓形成,導(dǎo)致地層與結(jié)構(gòu)破壞,甚至海底滑塌、甲烷泄漏等災(zāi)害.巖土破壞、結(jié)構(gòu)失穩(wěn)機制研究包含水合物、土、氣體和水多相,涉及相變、傳熱、滲流、地層應(yīng)力傳播多效應(yīng)耦合.

張旭輝副研究員以“深海天然氣水合物分解引地層安全性研究”為題,介紹了相關(guān)前期研究工作,獲得了中國南海水合物相變土層響應(yīng)分析的力學(xué)參數(shù)及本構(gòu)模型[10],并在實驗室發(fā)現(xiàn)了土層分層、氣體噴發(fā)、土層滑塌的地層破壞現(xiàn)象,發(fā)現(xiàn)了含相變熱傳導(dǎo)、滲流、地層應(yīng)力傳播4 種物理效應(yīng)的特征時間相差3 個數(shù)量級以上,提出了解耦分析方法,建立了基于多重時間尺度的簡化分析模型,給出了破壞發(fā)生的臨界條件[11-12],回答了深海淺層水合物開發(fā)這些災(zāi)害什么條件發(fā)生及如何防范的問題.張旭輝副研究員重點論述了兩個方面的最新研究進展:

(1)考慮宏微觀的含相變巖土力學(xué)本構(gòu)模型,揭示天然氣水合物相變與土體骨架的微觀作用機制并建立相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系模型,獲得相變、裂隙開裂擴展等過程的流固耦合機制[13-14].

(2)深入闡明多孔介質(zhì)中相變、熱傳導(dǎo)、多相滲流、地層變形與破壞相互作用機制,揭示從實驗室尺度、工程尺度到區(qū)域尺度土層變形、失穩(wěn)的關(guān)聯(lián)以及固體破壞向多相流動的發(fā)展規(guī)律,緊密結(jié)合現(xiàn)場試采及商業(yè)化開發(fā)工程,為天然氣水合物開發(fā)安全與環(huán)境保護提供理論依據(jù).

3 深空方向的研究進展

在深空探索領(lǐng)域,微重力流體物理是一個基礎(chǔ)性和應(yīng)用性都很強的研究方向.微重力流體物理關(guān)注微重力條件下流體流動的物理現(xiàn)象,探索空間環(huán)境中流體的宏觀、微觀運動,擴散過程及傳熱、傳質(zhì)的基本規(guī)律.“天宮二號”任務(wù)搭載液橋熱毛細(xì)對流實驗,對空間環(huán)境流體的流動和耗散機理進行更深入的基礎(chǔ)研究,對人類認(rèn)識和掌握空間流體的運動規(guī)律有重要意義.

3.1 空間熱對流轉(zhuǎn)捩

熱對流是自然界中最常見的自然對流,地面熱對流以浮力驅(qū)動流為主導(dǎo),空間熱對流主要以表面張力驅(qū)動流為主導(dǎo).微重力環(huán)境是典型的超常環(huán)境,應(yīng)用空間熱對流開展流動轉(zhuǎn)捩問題研究,作用力的改變延展了層流到湍流轉(zhuǎn)捩的時空尺度,可以觀測新現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)新問題、探索新規(guī)律,拓展通向湍流過程的研究,實現(xiàn)從機制到機理的認(rèn)識.

康琦研究員以“空間熱對流轉(zhuǎn)捩”為題,介紹了相關(guān)前期在“實踐十號”(SJ-10)返回式科學(xué)實驗衛(wèi)星上開展的環(huán)狀流空間實驗[15-16],以及在載人航天“天宮二號”(TG-2)飛船上開展的液橋熱對流空間實驗[17-18].康琦研究員報告了3 個方面的研究進展:

(1)空間實驗驗證了空間熱對流臨界條件的體積比效應(yīng),發(fā)現(xiàn)了幾何參數(shù)新效應(yīng)及多次轉(zhuǎn)捩新機制;

(2)探索了流動模式轉(zhuǎn)換及熱流體波的競爭與傳播規(guī)律,給出波的轉(zhuǎn)換圖譜;

(3)分析了熱毛細(xì)流動體系通向混沌的分岔道路,包括準(zhǔn)周期、拍現(xiàn)象、鎖頻、倍周期、陣發(fā)性、倒分岔、以及各種豐富的耦合分岔.

3.2 微(低)重力環(huán)境下的沸騰傳熱及其重力標(biāo)度規(guī)律

沸騰過程因相變潛熱的釋放有著極強的傳熱能力,是廣泛存在于日常生活并應(yīng)用于工業(yè)過程中的一種高效熱傳輸方式和技術(shù).沸騰過程中,液氣相變、相間作用、湍流等因素與過程緊密間耦合,導(dǎo)致相應(yīng)流動和傳熱現(xiàn)象極為復(fù)雜,迄今沸騰傳熱理論仍不免存在顯著的經(jīng)驗特色,且往往基于地面常重力環(huán)境實驗結(jié)果,無法將重力作為獨立變量進行控制和比較研究.利用微重力環(huán)境將重力隔離,探究重力在沸騰過程中的作用機制,并尋求對重力效應(yīng)的正確表征,是目前微重力科學(xué)研究的重要前沿和熱點之一.

趙建福研究員以“微(低)重力環(huán)境下的沸騰傳熱及其重力標(biāo)度規(guī)律”為題,介紹了相關(guān)前期利用中國第22 顆返回式衛(wèi)星、“實踐八號”(SJ-8)衛(wèi)星、“實踐十號”(SJ-10)衛(wèi)星以及北京落塔等,開展的多個系列微重力池沸騰傳熱實驗研究[19-20],并分別基于連續(xù)介質(zhì)模型和格子玻爾茲曼(Lattice-Boltzmann)方法,開展了沸騰傳熱數(shù)值模擬[21-22].系統(tǒng)梳理了核態(tài)池沸騰傳熱重力標(biāo)度規(guī)律中不同形式的重力標(biāo)度指數(shù)的物理意義,為構(gòu)建適用性廣泛的重力標(biāo)度模型提供了一個明晰的理論框架[23].趙建福研究員進一步論述了兩個方面的研究進展:

(1)微重力和常重力條件下絲狀、光滑平板和方柱微結(jié)構(gòu)表面沸騰傳熱與氣泡動力學(xué)行為實驗數(shù)據(jù)揭示了重力水平、系統(tǒng)壓力、液體過冷度等因素對沸騰過程的影響,采用局部過熱激發(fā)形成時空定位準(zhǔn)確的微重力單氣泡沸騰過程,測量得到的氣泡生長過程及氣泡底部加熱面溫度場演化為進一步研究提供了可靠基準(zhǔn).

(2)數(shù)值模擬了不同重力條件下核態(tài)池沸騰傳熱及生長氣泡動力學(xué)特性,確認(rèn)在低熱流密度條件下存在分別由重力或表面張力主導(dǎo)的沸騰區(qū),得到相應(yīng)的分區(qū)判據(jù);在重力主導(dǎo)的沸騰區(qū),傳熱系數(shù)的重力標(biāo)度指數(shù)接近Rohsenow 關(guān)聯(lián)式的預(yù)測結(jié)果,氣泡脫落直徑及其脫落頻率分別與Fritz 模型及Malenkov 模型相符.

3.3 蒸發(fā)液滴中的物質(zhì)輸運動力學(xué)與粒子組裝行為

在空間制造過程中,尤其是基于功能墨水材料的太空打印,面臨微重力下復(fù)雜的固?液界面相互作用規(guī)律,例如復(fù)雜流體的界面撞擊、潤濕、鋪展及流動控制問題,這直接決定了打印質(zhì)量和精度.另外,墨水材料的固化成型與打印結(jié)構(gòu)的功能及性能高度關(guān)聯(lián),而這又與微重力下復(fù)雜流體的物質(zhì)輸運動力學(xué),非平衡相變過程及自組裝行為密切相關(guān).

王育人研究員以“蒸發(fā)液滴中的物質(zhì)輸運動力學(xué)與粒子組裝行為”為題,介紹了相關(guān)前期研究工作,包括針對太空打印中的界面流動控制和蒸發(fā)固化成型問題,基于“實踐十號”衛(wèi)星開展了天地實驗研究[24],科學(xué)上突破了蒸發(fā)液滴中多物理效應(yīng)協(xié)同和競爭下的粒子輸運動力學(xué)與組裝行為[25],實現(xiàn)基于單個液滴的圖案形貌調(diào)控與有序結(jié)構(gòu)構(gòu)筑[26],技術(shù)上實現(xiàn)了微重力環(huán)境下基于圖案化浸潤性表面的液滴操控與復(fù)雜流體在軌管理[27].王育人研究員匯報了3 個方面的最新研究進展:

(1)闡明了多物理效應(yīng)(界面運動、重力沉降與毛細(xì)流動)協(xié)同下的粒子輸運動力學(xué),揭示了蒸發(fā)去浸潤效應(yīng)驅(qū)動的“咖啡環(huán)”內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)狀圖案的形成機制.

(2)基于單液滴體系開展圖案調(diào)控與有序結(jié)構(gòu)構(gòu)筑,通過液體基底實現(xiàn)均勻有序結(jié)構(gòu)的組裝和制備,通過微納多孔基底實現(xiàn)大尺寸有序結(jié)構(gòu)的快速制備.

(3)首次基于圖案化浸潤表面實現(xiàn)液滴的空間操控驗證,揭示了微重力下圖案化表面的液滴形狀演化規(guī)律與浸潤行為,表明超浸潤圖案化技術(shù)對大尺寸液滴具有優(yōu)越的釘扎及控制能力.

4 高溫與高超聲速方向的研究進展

高溫與高超聲速流動是氣體動力學(xué)的前沿學(xué)科,重點關(guān)注高速氣體流動中,高溫所引起的氣體各種物理化學(xué)變化、能量傳遞和轉(zhuǎn)化規(guī)律.高溫與高超聲速氣體動力學(xué)的主要特征是:氣體比熱不再是常數(shù),在很多情況下,完全氣體狀態(tài)方程不再適用;流動中的傳熱、擴散、化學(xué)反應(yīng)、電磁和輻射效應(yīng)顯著,不能忽略;該學(xué)科是氣體動力學(xué)、熱力學(xué)、統(tǒng)計物理、分子物理、化學(xué)動力學(xué)以及電磁學(xué)的交叉融合.該研究方向重點探索在高超聲速氣體流動中,氣體分子內(nèi)部各種能級的激發(fā)和電離、離解、化學(xué)反應(yīng)等物理化學(xué)變化的規(guī)律以及伴隨有這些變化的能量轉(zhuǎn)移和熱量傳遞規(guī)律.

4.1 極端環(huán)境下液態(tài)鋰鉛包層研究進展

磁約束核聚變堆液態(tài)鋰鉛包層數(shù)值模擬面臨的關(guān)鍵問題主要包括:(1)極端條件下(強磁場、大溫差),數(shù)值方法及計算平臺的發(fā)展,需保證聚變環(huán)境極端條件下液態(tài)金屬磁流體力學(xué)的精確高效求解;(2)極端條件下完整包層模塊內(nèi)液態(tài)金屬湍流的直接數(shù)值模擬.實際液態(tài)包層結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,包含了突擴管道、分流管道、90?彎管、U 型通道以及突縮管道等部件,同時入口速度高、體積熱源大、約束磁場強,因此其中的流動機制非常豐富,內(nèi)在機理非常復(fù)雜,而先進液態(tài)包層的流道插件進一步增加了結(jié)構(gòu)及流動的復(fù)雜性.對全尺寸包層模塊進行直接數(shù)值模擬是一項極具挑戰(zhàn)的工作,目前國內(nèi)外尚無先例.

倪明玖教授以“極端環(huán)境下液態(tài)鋰鉛包層研究進展”為題,介紹了相關(guān)前期研究工作,包括發(fā)展了精確計算強磁場作用下MHD 的相容守恒格式[28],完成了軟件平臺MHD-UCAS 的搭建,此平臺能實現(xiàn)“磁?熱?流?固”多區(qū)域多物理場的精確耦合求解,并行效率高.基于該平臺,以液態(tài)鋰鉛包層為背景,分析了流道插件對于豎直管道(包層部件)內(nèi)壓降、溫度、結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的影響[29].在國際上首次實現(xiàn)了Ha約為104,Re約為105完整液態(tài)包層模塊內(nèi)磁流體運動的直接數(shù)值模擬,著重分析了流道插件對于壓力分布,流量分布的影響[30].

倪明玖教授重點論述了對磁約束聚變堆極端條件下(Ha約為104,Gr約為1011,Re約為105)液態(tài)包層全尺寸熱流問題分析,結(jié)果表明:絕緣壁情況下,拐角位置存在死區(qū),溫度偏高,存在安全風(fēng)險;Gr增大,鋰鉛流體最大平均出口溫度變化不大,但死區(qū)的最大溫度升高;Gr增大,進出口壓力降相應(yīng)增大,主要原因在于豎直管道的壓力梯度增加,因此豎直管道內(nèi)的壓降不可再通過無浮力情況下的理論公式進行預(yù)測;Gr增大,豎直管道內(nèi)的流量分布更加均勻;相同參數(shù)下,絕緣壁面條件下的流動比導(dǎo)電壁面條件容易失穩(wěn).

4.2 高溫非平衡流動的高精度模擬探索

高超聲速流動在頭激波壓縮后常處于高溫條件下的熱化學(xué)非平衡狀態(tài),準(zhǔn)確描述流動過程需要刻畫流場中氣體分子的詳細(xì)內(nèi)能狀態(tài)及精細(xì)的熱化學(xué)過程,而傳統(tǒng)的熱化學(xué)模型沒有涉及內(nèi)能狀態(tài)的非平衡分布,難以普適有效地預(yù)測高超聲速熱化學(xué)流動,如何高效又準(zhǔn)確地預(yù)測熱化學(xué)非平衡狀態(tài)是目前高超聲速流動的一個關(guān)鍵問題.

孫泉華研究員以“高溫非平衡流動的高精度模擬探索”為題,介紹了相關(guān)前期研究工作,包括發(fā)現(xiàn)了NS 方程的降維模型可以高效準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)NS 方程在高超聲速駐點線的流動[31],而雙溫度模型與精細(xì)的態(tài)態(tài)方法在宏觀流場預(yù)測上存在明顯差別[32],且流動的非平衡狀態(tài)與流場位置有關(guān),因而精細(xì)熱化學(xué)模型對高超聲速流動的精確預(yù)測至關(guān)重要.孫泉華研究員重點論述了4 個方面的研究進展:

(1)拓展了高超聲速駐點線模型,經(jīng)過多途徑評估發(fā)現(xiàn),模型可完美復(fù)現(xiàn)全流場模擬在駐點線上的流動狀態(tài);

(2)發(fā)展了分子振動和電子態(tài)的態(tài)態(tài)模擬技術(shù),包括計算給出了相關(guān)態(tài)態(tài)反應(yīng)的反應(yīng)速率數(shù)據(jù);

(3)模擬了NASA EAST 激波管實驗的典型狀態(tài),計算的輻射結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合良好;

(4)首次給出了空氣在高超聲速繞流問題的態(tài)態(tài)模擬結(jié)果,計算包含157 個內(nèi)能狀態(tài)和15 201 個態(tài)態(tài)反應(yīng),揭示了駐點線上的詳細(xì)熱化學(xué)非平衡過程.

4.3 復(fù)雜界面流動實驗及機理研究

核聚變能源、航空發(fā)動機等已成為世界主要國家爭奪的科技制高點,存在著極端的物理條件和苛刻的實現(xiàn)方法,受到廣泛關(guān)注.在這些重大工程中,激波誘導(dǎo)高速界面流動是共性難題,具有復(fù)雜的多尺度、多過程、強非線性等特征.認(rèn)識其中的物理過程和規(guī)律,解決其中所涉及的關(guān)鍵科學(xué)問題,將為實際工程提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐.

司廷教授以“復(fù)雜界面流動實驗及機理研究”為題,介紹了前期相關(guān)研究工作,包括圍繞激波誘導(dǎo)界面流動時空演化和流動機理開展了豐富的實驗研究,自主研制了先進的激波管設(shè)備,實驗研究了初始界面結(jié)構(gòu)(單模到多模、二維到三維等)及激波形狀(平面到匯聚、發(fā)散等)對擾動增長的影響規(guī)律[33-37],結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬,揭示了曲率效應(yīng)、匯聚效應(yīng)、Rayleigh-Taylor 效應(yīng)、模態(tài)競爭及界面耦合等復(fù)雜界面流動的內(nèi)在機理.司廷教授重點論述了兩個方面的研究進展:

(1)在基礎(chǔ)實驗研究方面,提出了基于激波動力學(xué)理論壁面設(shè)計的匯聚激波生成新方法,研制出豎直無膜環(huán)形激波管等新設(shè)備;發(fā)展了不同形狀初始?xì)怏w界面產(chǎn)生技術(shù),實現(xiàn)了激波誘導(dǎo)界面不穩(wěn)定過程實驗觀測;獲得了不同形狀激波及反射激波作用下流體界面的時空演化特征,揭示了界面擾動的增長規(guī)律和界面失穩(wěn)全過程.

在警察高校的教學(xué)體系中，理論教學(xué)是實驗教學(xué)的前提和基礎(chǔ)，實驗教學(xué)則是培養(yǎng)和提高學(xué)生綜合實踐應(yīng)用能力的主渠道。多數(shù)情況下，理論教學(xué)與實驗教學(xué)同等重要。而對一些實踐性、應(yīng)用性極強的警察專業(yè)課程而言，實驗教學(xué)則應(yīng)明顯重于理論教學(xué)。一直以來，警察高校對理論教學(xué)與實驗教學(xué)的辯證關(guān)系問題，并沒有深入思考和探究，更沒有真正得以解決，在一定程度上成為了阻礙應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)實現(xiàn)的主要原因之一。

(2)在流動機理研究方面,通過不穩(wěn)定性理論分析證明了界面上相反主曲率會抑制不穩(wěn)定性的擾動增長;研究了二維和三維初始界面的模態(tài)競爭及界面耦合,結(jié)合旋渦動力學(xué)和激波理論,獲得了激波聚焦形成氣體射流、界面擾動的線性和非線性發(fā)展規(guī)律;在匯聚激波條件下推導(dǎo)了界面擾動增長方程,發(fā)現(xiàn)了匯聚激波作用下界面擾動振幅的提前衰減,揭示了匯聚效應(yīng)、Rayleigh-Taylor 效應(yīng)等的作用機制.

4.4 JF-12 復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞高馬赫數(shù)超燃沖壓發(fā)動機實驗

在高超聲速吸氣式發(fā)動機常規(guī)風(fēng)洞試驗中,燃燒加熱試驗來流含有大量H2O,CO2以及污染氣體成分,形成發(fā)動機進氣道、燃燒室燃料點火和燃燒特性的污染氣體效應(yīng),造成風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)的天地一致性差異.此外,超聲速氣流中的燃燒振蕩現(xiàn)象和機理未充分研究和認(rèn)識,吸氣式發(fā)動機穩(wěn)定工作邊界尚不清楚.

王春研究員以“JF-12 風(fēng)洞高馬赫數(shù)超燃沖壓發(fā)動機實驗”為題,介紹了相關(guān)前期研究工作,包括利用激波管實驗開展了超聲速燃燒機理研究,明晰了超聲速燃燒本質(zhì)上是超聲速氣流中的火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象[38].此外,在燃燒直聯(lián)風(fēng)洞開展了Ma=5～7 碳?xì)淙剂想p燃式超燃沖壓發(fā)動機原理試驗驗證[39],提出了強化超聲速混合和燃燒的新型三維壁面凹腔火焰穩(wěn)定器技術(shù)[40].王春研究員重點論述了3 個方面的研究進展:

(1)通過引入理想尾噴管概念,提出一種基于推力勢函數(shù)的發(fā)動機內(nèi)流推阻性能評估方法,能夠綜合考慮發(fā)動機內(nèi)流燃料釋熱和總壓損失影響,評估超聲速燃燒室或超燃沖壓發(fā)動機半模模型的性能.應(yīng)用該方法,發(fā)現(xiàn)超聲速燃燒室的污染氣體效應(yīng)會在一定程度上高估發(fā)動機推力,且隨污染氣體比例增大更加嚴(yán)重.

(2)在JF-12 復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞首次實驗上觀察到超燃沖壓發(fā)動機燃燒不穩(wěn)定性形成的發(fā)動機“喘振”現(xiàn)象.基于化學(xué)反應(yīng)流激波動力學(xué),提出激波/化學(xué)反應(yīng)耦合作用的振蕩器理論.

(3)利用JF-12 復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞實驗條件,提出高馬赫數(shù)(Ma=10)超燃沖壓發(fā)動機雙突擴燃燒室設(shè)計技術(shù),同時解決了激波風(fēng)洞毫秒級燃料同步難點技術(shù)問題,國內(nèi)首次成功實現(xiàn)了Ma=10 高馬赫數(shù)超燃沖壓發(fā)動機模型地面試驗.

4.5 聚變堆高溫環(huán)境下第一壁抗熱疲勞與沖擊關(guān)鍵技術(shù)研究

聚變堆極端熱環(huán)境條件下,偏濾器及包層第一壁作為直接面向等離子體的關(guān)鍵部件,正常運行時需要承受周期性高熱載荷與其他復(fù)雜荷載的耦合作用,嚴(yán)重影響第一壁的服役性能與使用壽命.目前國內(nèi)外的相關(guān)研究不足,缺乏專用的實驗平臺和在線觀測技術(shù),多場耦合的損傷演化一體化理論評估方法不完善.

(1)建成了聚變堆高熱流綜合實驗平臺,集成多荷載耦合加載技術(shù)和先進在線測量技術(shù),在各種模擬條件下,開展了第一壁材料高熱負(fù)荷穩(wěn)態(tài)、沖擊、熱/機多載荷耦合加載等多種實驗;開發(fā)了高溫及超高溫數(shù)字圖像相關(guān)測量技術(shù),突破了高溫物體強自發(fā)光干擾難題,實現(xiàn)了從常溫到3 100?C 的應(yīng)變場測量[41],首次精確測量了偏濾器靶板件在10～20 MW/m2載荷條件下經(jīng)過上千次疲勞循環(huán)的損傷應(yīng)變累積和脫黏失效的應(yīng)變演化數(shù)據(jù)[42].

(2)為評估高約束模式下第一壁疲勞衰變特性,理論方面建立了第一壁材料的多尺度、多效應(yīng)損傷耦合力學(xué)本構(gòu)模型,開展了疲勞壽命預(yù)測,獲得了耦合載荷條件下的低周疲勞規(guī)律[43].

(3)發(fā)明了系列抗熱疲勞和抗熱沖擊的創(chuàng)新工藝技術(shù)[44-45],從冷卻、連接等方面提高第一壁抗疲勞與抗沖擊性能.其中,一種冷卻表面改性工藝可將臨界換熱密度可提高1～3 倍,穩(wěn)態(tài)換熱系數(shù)提高1 倍以上,且成本低、流阻小、具備較高的應(yīng)用潛力.

4.6 非平衡與復(fù)雜干擾流動的工程理論探索

稀薄非平衡和黏性干擾流動條件下的氣動力/熱精確預(yù)測是新型高超聲速飛行器研制過程中面臨的關(guān)鍵難題之一.新的流動物理下,經(jīng)典的預(yù)測理論和傳統(tǒng)的實驗計算手段都已失效,甚至工程上常用的“天地?fù)Q算”流動相似律都已不復(fù)存在.針對此問題,新的實驗設(shè)備和計算技術(shù)都在快速發(fā)展之中,需要結(jié)合流動機理分析,在理論方法方面開展一些探索研究.

王智慧教授以“非平衡與復(fù)雜干擾流動的工程理論探索”為題,介紹了相關(guān)前期研究工作,包括關(guān)注稀薄非平衡流動中的氣?固相互作用,研究了壁面有限催化和振動能非完全適應(yīng)時的非平衡邊界層傳熱特征[46-47],評估了非平衡效應(yīng)對高焓激波風(fēng)洞測熱實驗的影響[48].此外,針對高超聲飛行器強剪切及復(fù)雜干擾流動特征,提出了廣義的高超聲速等效原理[49],并基于時空映射思想,對舵體干擾引起的三維分離再附流動和局部高熱流進行了快速的等效降維分析.王智慧教授重點論述了3 個方面的研究進展:

(1)基于能量傳遞與轉(zhuǎn)化的廣義物理模型,建立了化學(xué)非平衡流動及壁面有限催化條件下的駐點熱流預(yù)測工程理論.

(2)基于振動和化學(xué)非平衡流動之間的廣義比擬,建立了振動非平衡流動及壁面非完全能量適應(yīng)條件下的駐點及平板熱流預(yù)測工程理論.

(3)提出了廣義的高超聲速等效原理,用于三維復(fù)雜干擾流動及局部峰值熱流的快速等效降維分析.

4.7 內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道流動中的激波及相互作用研究

高超聲速三維內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道以其獨特的高壓縮效率、小潤濕面積以及易于一體化設(shè)計等優(yōu)勢,成為極具潛力的進氣方案之一,其流場品質(zhì)攸關(guān)吸氣式高超聲速飛行器的推進性能.然而,內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道所固有的類圓形幾何特征、復(fù)雜三維激波結(jié)構(gòu)及其相互作用,給流場觀測、機理認(rèn)知和理論預(yù)測帶來諸多挑戰(zhàn),迄今關(guān)于其流動的研究仍很不充分.

李祝飛副教授以“內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道流動中的激波及相互作用研究”為題,介紹了相關(guān)前期研究工作,包括在來流馬赫數(shù)為6 的激波風(fēng)洞中利用水蒸氣凝華效應(yīng)發(fā)展了納米粒子示蹤的平面激光散射技術(shù),實現(xiàn)了對內(nèi)凹壓縮面及圓形隔離段流場的觀測[50].針對內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道唇口處面臨的極高氣動熱問題[51],率先提煉模化出V 形鈍化前緣模型,揭示了激波干擾導(dǎo)致局部氣動熱劇增的機理.發(fā)現(xiàn)V 形鈍前緣激波干擾流場振蕩存在四種振蕩模式,并闡明了激波振蕩模式的演化過程[52].李祝飛副教授重點論述了3 個方面的研究進展:

(1)提出了高超聲速內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道內(nèi)流場的分段式觀測方法,實現(xiàn)了對內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道的“類層析式”實驗觀測,澄清了唇口附近流向渦對的成因,刻畫了唇口內(nèi)側(cè)激波與彎曲壁面邊界層相互作用的過程,闡明了低能流聚集在內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道壓縮面一側(cè)的關(guān)鍵原因.

(2)提出了V 形鈍化前緣激波干擾類型從異側(cè)規(guī)則反射向馬赫反射轉(zhuǎn)變的判據(jù),建立了激波干擾類型的轉(zhuǎn)變理論,揭示了四種局部熱流峰值的產(chǎn)生機制及關(guān)聯(lián)因素[53].提出了多種大幅降低V 形唇口局部極高氣動熱并改善流場品質(zhì)的優(yōu)化方案[54].

(3)根據(jù)內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道流動特點,提出了一種橢圓截面內(nèi)收縮錐模型.利用該模型刻畫了偏離軸對稱狀態(tài)時內(nèi)收縮流場中的激波匯聚效應(yīng),發(fā)現(xiàn)了三種類型的激波干擾,并揭示了橢圓截面長短軸比對激波干擾類型的影響機制.在內(nèi)轉(zhuǎn)式進氣道激波反射問題研究中,提出了平面激波入射內(nèi)凹柱面的簡化模型,揭示了內(nèi)凹柱面上馬赫反射向規(guī)則反射的轉(zhuǎn)變機理.

4.8 柱形匯聚激波非定常反射研究

非定常激波反射廣泛存在于工程實際中,已有的研究多集中在平面激波在曲面上發(fā)生的非定常反射,曲面激波在壁面上發(fā)生的反射現(xiàn)象及波系轉(zhuǎn)變機理則鮮有研究.在曲面激波條件下,影響波系轉(zhuǎn)變的激波強度和壁面角度往往同時變化,且會帶來流場的非定常性,這給波系演化及其轉(zhuǎn)變帶來復(fù)雜的影響.

翟志剛副教授以“柱形匯聚激波非定常反射研究”為題,介紹了相關(guān)前期工作,包括開展了柱形匯聚激波在平直壁面上的反射研究,發(fā)現(xiàn)非定常條件下馬赫桿長度的變化同樣是非定常的,且馬赫反射到規(guī)則反射的轉(zhuǎn)變臨界角超出了馮諾依曼準(zhǔn)則預(yù)測的范圍[55].為了消除入射角變化的影響,設(shè)計了特殊凸曲面,使得匯聚激波在特殊曲面上傳播時入射角保持不變.發(fā)現(xiàn)匯聚激波和凸曲面對馬赫桿曲率起相反作用,從而使得三激波理論在該情況下具有一定的適應(yīng)性[56].翟志剛副教授主要論述了兩個方面的研究進展:

(1)為探討準(zhǔn)定常理論適用性,在無黏條件下,首先給出了非定常條件下能發(fā)生規(guī)則反射到馬赫反射轉(zhuǎn)變的所有可能性,并在凸曲面的條件下,根據(jù)擾動類型及流場條件對流場進行了分區(qū),詳細(xì)分析了激波反射過程中的擾動傳播規(guī)律.

(2)研究了匯聚激波在雙楔上的反射規(guī)律,根據(jù)初始兩個楔角的不同,匯聚激波在楔面上會發(fā)生7 種不同的波系類型.對比了匯聚激波和平面激波在雙楔上反射的不同,突出了非定常效應(yīng)的影響.

4.9 高超聲速氣動實驗研究進展

高超聲速飛行器復(fù)雜干擾區(qū)氣動加熱具有空間梯度高、熱流幅值高、脈動特性強等特點,熱流可高達(dá)20 MW/m2以上,即使在脈沖實驗設(shè)備中也會造成模型局部溫升達(dá)到幾百度,形成了局部流場結(jié)構(gòu)、氣動加熱、結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱等強耦合特征,顛覆了傳統(tǒng)氣動力、熱的基本假設(shè),嚴(yán)重影響了實驗數(shù)據(jù)精度.

韓桂來副研究員以“高超聲速氣動實驗研究進展”為題,介紹了相關(guān)前期研究工作,包括發(fā)揮JF-12復(fù)現(xiàn)風(fēng)洞的特色采用大尺度模型建立復(fù)雜干擾區(qū),并開展相關(guān)氣動力、熱特性研究,利用尺度效應(yīng),降低流場、結(jié)構(gòu)等的空間梯度,將局部流場結(jié)構(gòu)、氣動加熱、結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱等特征解耦,在實驗中獲得接近恒溫壁面條件下的氣動力、熱特性數(shù)據(jù),為后續(xù)數(shù)值模擬研究、耦合傳熱研究等提供基礎(chǔ)性和驗證性數(shù)據(jù)[57-61].韓桂來副研究員主要論述了兩個方面的的研究進展:

(1)建立解耦條件下的大尺度模型實驗方法,采用3 組不同模型,獲得了1:100 量級放大尺度下的復(fù)雜干擾區(qū)氣動力、熱特性數(shù)據(jù).結(jié)果初步表明,傳統(tǒng)方法可能導(dǎo)致20%～30%的測量誤差.

(2)頻譜分別表明,大尺度模型構(gòu)造的復(fù)雜干擾區(qū)存在不同類型的流場振蕩形式,作用機理分別為激波結(jié)構(gòu)振蕩和近壁射流振蕩,而在小尺度或?qū)嶋H尺度模型上,兩者可能存在相互耦合.

5 會議總結(jié)與展望

姜宗林研究員對會議進行了總結(jié):此次會議作為卓越中心的3 個研究領(lǐng)域之一的“超常環(huán)境力學(xué)”學(xué)術(shù)報告會,從深海、深空、高速、高溫等幾個研究方向匯報了大家的研究進展,既有廣度和深度,也有高度,會議非常成功.

超常環(huán)境力學(xué)是極端力學(xué)的重要組成部分,深海、深空和高超聲速超常環(huán)境力學(xué)問題都是服務(wù)國家戰(zhàn)略需求的前沿學(xué)科問題,呼喚著理論創(chuàng)新、概念創(chuàng)新、方法創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新.希望大家能夠繼續(xù)努力,積極推動超常環(huán)境力學(xué)領(lǐng)域的研究.

從極端力學(xué)的觀點來看,在超常服役環(huán)境下,新的現(xiàn)象和規(guī)律出現(xiàn)了,超出了傳統(tǒng)力學(xué)學(xué)科的研究范疇.所以,今后的研究不僅要關(guān)注力學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性,更要關(guān)注極端力學(xué)方面的創(chuàng)新性,從而推動力學(xué)學(xué)科的拓展.

通過此次學(xué)術(shù)會議既能為《力學(xué)學(xué)報》(中英文版)在流體力學(xué)領(lǐng)域,提供一些有重大需求背景的好論文,增加《力學(xué)學(xué)報》的顯示度,又能充分利用《力學(xué)學(xué)報》這一平臺加強學(xué)術(shù)交流,推動極端力學(xué)發(fā)展,是一條雙贏之路,應(yīng)該堅持.