力学进展

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基于状态空间离散的非线性动力系统全局分析方法进展: 从模型驱动到数据驱动

李自刚, 洪灵, 江俊

2025, 55(3): 455-496. doi: 10.6052/1000-0992-25-002

摘要(775)

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摘要:
非线性动力系统的一切响应行为均受制于其内在的全局结构, 诸如多稳吸引子及其影响域的形貌和空间分布, 不稳定不变集和不变流形等. 因而, 在指定状态空间内开展全局分析, 不仅可以获得认识和预测系统响应的全部信息, 还能深刻揭示诱发系统复杂分岔、激变或边界蜕变等众多动力学现象的内在机制. 目前, 数值方法仍是非线性动力系统全局分析的最有效手段. 相较于点尺度的数值积分方法或点映射法, 基于状态空间离散思想的方法 (如: 胞映射方法等), 其采用子集覆盖来逼近系统的不变集, 一方面可以高效刻画系统的全局结构形貌, 另一方面可以实现对相邻轨道动态特征的集合表征. 胞映射方法经历40余年的发展, 其功能不断增强, 计算效率和精度已显著提升, 应用场景也逐渐拓宽. 本文第2节从当前的视角对状态空间离散方式进行简要归类, 以便于读者更好地了解在全局分析实施过程中该框架体系的本质及优势. 第3节着重介绍近些年提出的一系列状态空间离散方法, 展示在非线性系统全局结构的高效刻画和内在特征的数据表征两方面已取得的最新进展, 突出全局分析从模型驱动向数据驱动的思维模式转变. 第4节总结意义和价值, 并就如何在状态空间离散框架下进一步泛化全局分析的概念, 以及应对未来发展和应用需求可能面临的问题和可以拓展的方向提出见解.

飞行器多体分离数值模拟方法及应用

李欢, 崔鹏程, 贾洪印, 唐静, 张健, 龚小权, 吴晓军, 章超, 张培红, 周乃春, 张耀冰

2025, 55(3): 497-540. doi: 10.6052/1000-0992-24-040

摘要(1123)

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PDF(439)

摘要:
机载投放分离、航天器串联/并联级间分离、整流罩分离和子母弹抛撒等飞行器多体分离问题在当前航空航天领域普遍存在, 安全可控的多体分离是飞行器执行航空航天任务的重要前提. 近年来, 随着飞行任务的多样化和飞行边界的扩展, 飞行器面临更加复杂的多体分离场景, 多体分离方案设计更加精细化, 对多体分离数值模拟的精细度提出了更高的要求. 近年来, 针对极具复杂性和挑战性的多体分离问题, 计算流体力学在复杂场景精细化模拟方面取得了巨大的进步. 本文针对飞行器多体分离数值模拟方法及应用的最新研究进展进行了回顾与展望. 首先总结了飞行器多体分离精细化数值模拟方法, 主要包括耦合网格动态优化技术、耦合分离涡模拟方法以及高精度时间推进耦合算法. 其次总结了复杂约束/流场/控制下的飞行器多体分离耦合模拟方法及其应用, 介绍典型复杂场景飞行器多体分离动态干扰复杂机理认识. 最后指出了飞行器多体分离数值模拟存在的问题及未来发展方向.

流体力学量子计算研究进展

孟昭远, 卢臻, 熊诗颖, 赵耀民, 杨越

2025, 55(3): 541-566. doi: 10.6052/1000-0992-24-041

摘要(1610)

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摘要:
本文综述流体力学量子计算这一前沿交叉研究领域的进展与挑战. 作为潜在的颠覆性技术, 量子计算预期在未来能够解决部分现实世界中的难题. 流体力学是经典物理与工程应用中极具挑战的问题, 可作为展示量子计算实用性与优越性的范例, 同时量子计算也可为流体力学带来新的研究范式. 本文首先阐述量子计算在量子态叠加与纠缠等方面的特点, 指出流体力学量子计算在初态制备、量子态演化和测量方面的挑战. 随后重点介绍量子−经典混合算法、哈密顿模拟等流体力学量子算法, 以及综述它们在真实量子计算机上的硬件实现进展. 总之, 目前流体力学量子计算仍处于萌芽阶段, 未来在量子计算硬件与算法方面均面临诸多挑战. 与传统方法相比, 尽管量子计算尚未在模拟强非线性的流体力学问题上展示出优越性, 但近期进展显示其有潜力来高效模拟湍流等复杂流动.

非线性周期结构动力学与波动调控研究进展

高鹏林, 龚凌云, 王国旭, 罗宇, 朱俊喆, 高昊, 马海斌, 瞿叶高

2025, 55(3): 567-641. doi: 10.6052/1000-0992-24-047

摘要(1041)

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摘要:
周期结构是构建自然界和人类工程结构的一种重要形式, 平移对称性引起的Bloch调制作用赋予其独特的能带结构和丰富的时/频域动力学特性, 为弹性波/声波传播调控、新型声功能器件设计、振动与噪声控制等提供了新思路. 非线性效应可以突破线性理论框架的束缚, 能够增强甚至拓展人工周期结构的功能. 但非线性周期系统在单胞结构设计和建模分析方面存在诸多困难, 也面临时空平移对称性破缺、非线性响应特性及机理复杂等深层次科学难题, 给非线性周期结构动力学设计与实际应用带来挑战. 针对上述问题, 学者们融合力学、声学、材料学和能带物理等多学科研究方法开展了一些卓有成效的研究, 本文旨在及时总结非线性周期结构动力学和波动调控领域的重要研究进展, 梳理研究中存在的不足之处和关键难题, 凝聚力量, 促进该领域的深入发展. 首先, 归纳了力学周期结构非线性效应来源、单胞结构设计方法、非线性周期结构动力学建模与分析方法; 之后, 综述了非线性周期结构在通带、带隙和能量局域束缚等方面的主要特性, 着重介绍了非线性导致的能带频移、模式耦合、低频宽带拓展和带隙内波动模式局域束缚等丰富动力学现象, 梳理了非线性周期结构在波调控装置和减振降噪设计方面的一些应用探索. 最后, 针对现有研究存在的一些不足和关键难题, 展望了未来理论研究和应用探索亟需关注的若干发展方向.

氢能利用技术关键力学问题研究进展

程友良, 王乃潇, 丁瑞, 张磊, 马伊宣, 樊小朝

2025, 55(3): 642-705. doi: 10.6052/1000-0992-24-045

摘要(537)

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摘要:
氢能作为一种零碳排放的能源载体, 在应对全球气候变化和推动能源体系脱碳化发展中扮演着重要角色. 本文系统性地综述了氢能利用技术中的关键力学问题及其研究进展, 涵盖氢制取、纯化、储运、加注、应用以及安全等多个核心环节. 分别介绍了氢制取领域中化石能源制氢、电解水制氢及生物质制氢技术中的复杂流动、反应过程以及不同制氢方法下的力学挑战; 探讨了氢纯化环节中变压吸附法和膜分离法中的耦合集成技术及其优化; 分析了氢储运过程中高压气态储氢、低温液态储运及固态储氢技术中的力学问题, 包括容器结构力学性能的优化、氢液化过程效率的提升以及绝热管理技术的改进等; 研究了氢应用领域中氢加注过程的多因素耦合影响、氢燃料电池的传质与水热管理优化以及氢内燃机的燃烧特性; 强调了氢安全中的泄漏与爆炸问题, 涉及氢气的泄漏扩散、燃爆机理及防范措施; 最后, 针对管道输氢中的界面损伤与管内流动问题, 提出了若干研究建议, 为未来氢能产业的大规模发展提供理论支撑.

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