力学进展

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纳米流体力学研究进展

闫萌, 栾澍勇, 石得利, 顾业雯, 鲁嘉嘉, 谢彦博

, doi: 10.6052/1000-0992-25-034

摘要(10)

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摘要:
纳米流体力学是研究纳米甚至亚纳米尺度受限空间中的流体流动与物质输运规律的学科方向, 其并非宏观流动的简单尺度缩小, 而是由于主导作用力与边界条件发生改变, 从而产生了一系列新的现象与应用. 随着纳米技术的发展, 纳米乃至亚纳米尺度人工结构的可控构筑成为可能, 为系统研究极端受限条件下的流动输运行为提供了实验基础, 并推动了流体力学向微观尺度的拓展. 本文系统综述了纳米流体力学的基本概念、核心科学问题、实验研究方法及其主要应用方向. 首先, 本文阐述了极端受限流动与输运中的关键科学问题, 包括考虑界面滑移的管道流动、流动与输运的耦合机制、受限空间内的两相流模型, 以及连续介质假设在极端条件下的失效等问题. 其次, 总结了当前典型的纳米结构制备技术, 并归纳了针对极端受限空间流动与输运的实验表征手段, 并阐述了从连续介质、分子动力学到第一性原理等多尺度模拟研究方法, 以及在揭示极端受限流动机制中的作用. 最后, 结合上述科学问题, 讨论了纳米流体力学在流动减阻、绿色能源、化学化工、人工智能、先进制造与生命健康等前沿领域中的应用与影响. 纳米流体力学作为连接微观分子行为与宏观流动规律的关键桥梁, 正成为未来多尺度流体力学与交叉学科研究的重要支撑方向.

基于等效静态载荷法和结构基因库的动力学多尺度拓扑优化方法

林宪杰, 徐志昂, 郭桐桐, 卞慧雯, 郭旭, 杜宗亮

, doi: 10.6052/1000-0992-26-002

摘要(60)

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摘要:
本文提出了一种基于等效静态载荷法 (ESLM) 与结构基因库 (SGD) 的动力学多尺度拓扑优化方法. 该方法通过等效静态载荷法将复杂的瞬态动力学优化问题转化为多工况静态优化问题, 并结合结构基因库中预训练的图卷积神经网络 (GCNN) 模型替代渐近均匀化分析, 显著提升了计算效率. 在优化框架中, 采用移动可变形组件 (MMC) 方法描述宏观与微观结构, 实现了两尺度间的协同优化设计. 通过MBB梁结构在瞬态载荷作用下的数值算例验证了所提方法的有效性. 结果表明, 优化后结构的最大动柔顺度降低约20.80%, 平均动柔顺度降低51.44%, 载荷点最大位移幅值降低72.31%, 体现出该方法在动态工况下多尺度结构拓扑优化与抗冲击设计方面的优越性能和工程应用潜力.

斑海豹胡须形态特征与感知机理研究进展

赵航浩, 及春宁, 李响赫, 张志猛, 袁德奎, 张金凤, 陈威霖

, doi: 10.6052/1000-0992-25-037

摘要(40)

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摘要:
凭借其三维波浪状独特外形的胡须, 斑海豹展现出卓越的水下感知能力. 研究证实, 斑海豹可感知流速低至245 μm/s的微弱涡流, 还能追踪180 m外的目标在35 s前遗留下的水中尾迹. 这一能力凸显出斑海豹胡须在水下涡流感知和目标尾迹追踪方面的独特优势. 目前, 以斑海豹胡须为原型的传感器设计已成为仿生科学与工程领域的研究热点, 在水下目标探测与识别等方面展现出广阔应用前景. 本文首先梳理斑海豹胡须形态特征和几何建模方面的研究成果, 总结并对比不同概化模型的优势与不足. 随后, 综述斑海豹胡须仿生模型水动力特性方面的研究进展, 涵盖均匀流场和尾迹流场中仿生模型的尾流特性和振动响应、斑海豹胡须的感知机理、阵列胡须之间的相互作用, 以及人工智能方法在感知信号识别中的应用等方面. 最后, 针对现有研究存在的不足和关键问题, 展望斑海豹胡须仿生科学与工程应用需要关注的若干研究方向.

飞行器不确定性设计分析方法研究进展

张海瑞, 王尧, 洪东跑

, doi: 10.6052/1000-0992-25-032

摘要(192)

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摘要:
飞行器不确定性设计分析方法作为一种先进的飞行器设计范式, 为解决不确定性精确表征、量化传播与优化设计提供了系统的方法体系. 本文系统梳理了飞行器不确定性设计相关的核心概念与关键技术, 归纳了飞行器关键系统设计与重要环境条件预示涉及的不确定性问题. 在此基础上, 总结提炼了该领域的五个重要发展方向: (1) 高维不确定性量化与高效传播: 通过融合输入空间降维、函数表示稀疏化与低秩张量分解等技术, 构建自适应高维不确定性量化框架, 有效应对“维度灾难”带来的挑战; (2) 混合不确定性量化与高效传播: 构建兼容概率、区间、模糊、证据理论等多种不确定性类型的统一量化分析框架, 并结合代理模型与主动学习策略提升复杂多源不确定性问题的计算效率; (3) 多层级多保真度不确定性量化框架: 融合广义近似控制变量、自适应多指标随机配点等技术, 实现计算资源在不同保真度模型上的动态优化配置; (4) 基于不确定性的设计优化算法与框架: 将概率约束与鲁棒性度量统一到不确定性条件下的多目标优化与决策框架, 通过单层循环与解耦式优化策略, 实现性能、可靠性与鲁棒性的综合权衡优化; (5) 基于人工智能技术的不确定性设计分析: 以物理信息神经网络为核心, 融合物理知识与多源数据, 构建智能不确定性量化与优化框架.

细胞外基质力材料学驱动的基质工程与基质治疗研究进展

谢一洲, 刘赵心茹, 徐峰, 魏钊

, doi: 10.6052/1000-0992-25-029

摘要(110)

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摘要:
随着全球人口老龄化和慢性病的高发, 心血管疾病、肿瘤、糖尿病等重大难治性疾病已成为全球公共健康和社会经济发展的主要挑战. 其病理进程通常伴随着细胞外基质(ECM)的异常重塑与力学稳态失衡, 导致传统治疗方法难以有效逆转. 近期研究揭示, 结合材料学与工程学原理主动调控ECM的力化属性以精准介导细胞行为, 能够有效激活组织内源性修复从而显著促进组织再生. 该研究策略被称为力材料学, 即通过对材料进行主动设计, 利用力−结构−功能关系对生命系统的力学环境进行主动控制. 基于此概念, 本文提出从基质组学角度系统鉴定ECM的分子组成并解构其力学信息编码; 利用基质力生物学认识细胞-ECM互作机制并解析病理ECM“重编码”过程; 在深入认知和理解ECM力学微环境基础上结合基质力材料学的研究思路, 探索对异常ECM“去编码”与功能恢复的基质工程技术; 最终实现组织内源性修复的基质治疗目的. 具体而言, 本文在介绍ECM的组成与动态编码的基础上, 系统总结了异常ECM力学微环境的生理/病理变化, 着重提出并构建基于分子靶向与材料重建的基质工程与治疗新策略, 旨在为重大难治性疾病的干预和再生医学的发展提供新的理论依据和创新思路.

高温气体动力学研究的理论、技术及其实践

姜宗林

, doi: 10.6052/1000-0992-25-023

摘要(252)

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摘要:
当高温引起了流动介质物性变化的时候, 介质微团的物理化学变化显著地改变了介质流动的宏观规律, 超出了气体动力学基本假设和研究范畴, 高温气体动力学诞生了. 当航空航天技术不断拓展人类活动空间的时候, 在探索下一代空天飞行核心技术的过程中, 高温气体动力学发展了. 高温气体动力学是技术科学发展的典范, 在应用驱动学科机制的作用下, 引领着气体动力学的发展与创新. 本文选择了高温气体动力学的四个主要研究领域, 进行了综述和分析, 期望能够助力高温气体流动的学科发展. 第一部分是关于高超声速地面试验装置和测量技术, 重点介绍了三种典型高焓激波风洞, 它们的应用已经能够产生和测量的气流速度达到了1.5 ~ 10 km/s的范围, 可以模拟20 ~ 100 km的飞行高度. 先进科学试验装置对于学科前沿的拓展和流体物理新现象的发现是非常重要的, 该研究领域的进展也凸显了这个道理. 第二部分介绍了高超声速气体流动的理论与实验, 包括物理数学模型的建立、计算方法的发展和实验观测. 到目前为止, 高温气体流动物理模型的发展远低预期, 局限在早期物理模型的应用和改进; 计算方法发展迅速, 能够计算的流动现象越来越多, 准确度也越来越高; 地面实验观测研究进展可期, 表现在一些复现高超声速飞行条件下的大模型实验, 揭示的气动物理现象与飞行试验数据一致良好. 第三部分是关于超声速燃烧和超燃冲压发动机. 这是一个已经持续热了几十年的前沿领域, 虽然理论和技术研究进展巨大、飞行试验硕果累累, 但是超燃冲压发动机依然难以满足工程需求, 超声速燃烧理论依然难以解决超燃冲压发动机研发遇到的问题. 所以, 超声速燃烧和超燃冲压发动机研究都亟需理论创新和技术突破. 第四部分是关于爆轰物理和斜爆轰发动机. 斜爆轰发动机与超燃冲压发动机概念皆生于同一时代, 但它仅在最近20多年才得到重新关注. 爆轰理论和斜爆轰研究都有了创新性突破, 斜爆轰发动机设计方法和风洞实验技术也有了长足的进展. 斜爆轰冲压发动机利用了自然界燃烧速度最快、热效率最高、进气压缩损失最小的增压燃烧现象作为其热力循环, 有着独特的优势. 最后, 论文对于上述研究领域的理论技术及其实践进行了总结和展望, 期望能够给该学科发展提供一些有益的启示.

海洋工程力学中的若干前沿问题

李家春, 聂冰川

, doi: 10.6052/1000-0992-25-044

摘要(288)

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PDF(107)

摘要:
本文综述海洋工程领域中与自由面/界面相关的若干前沿问题的研究现状与最新进展. 主要内容包括热带气旋 (TC) 引发的巨浪、液化天然气 (LNG) 晃荡、空化与气泡动力学、涡激运动 (VIM) 与涡激振动 (VIV). 重点关注上述方向的最新研究进展与所面临的挑战. 过去70年研究成果显示, 人类正在开启新一轮海洋探索活动. 未来将出现从海面向深海拓展、从低中纬度向极地延伸, 从化石能源向可再生能源转型的明显趋势.

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