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中国科学院流固耦合系统力学重点实验室漫步
    时间:2016-8-15     点击率:12956

编者按:2016116日,是力学研究所成立60周年纪念日。在1956年的这一天,陈毅副总理亲笔签署的国务院批复文件下达,中国科学院力学研究所正式成立,钱学森先生担任首届所长。在力学所走过的一甲子年间,力学人遵循钱学森的工程科学办所思想,为推进中国的近代力学事业、为推动中国的经济国防建设,做出了重要的贡献。本刊在此介绍中国科学院流固耦合系统力学重点实验室(LMFS),并刊发LMFS主任黄晨光研究员在实验室2015年会上的工作报告,以展现力学所的研究工作风貌。

中国科学院流固耦合系统力学重点实验室漫步

中国科学院流固耦合系统力学重点实验室(Key Laboratory for Mechanics in Fluid solid Coupling SystemsCAS)简称LMFS,是力学研究所科技创新活动重要的研究单元。它坚持钱学森先生的“工程科学”思想,紧密结合我国海洋工程、环境工程和交通工程以及自然环境灾害防治等应用领域的重大需求,以力学多分支学科的交叉融合为基础,发展流固耦合系统力学理论,发展建设特色鲜明、系统配套的耦合实验平台和数值模拟技术,在引领相关工程技术发展的同时,促进力学学科研究思想和方法的进步。 

流固耦合系统力学重点实验室(LMFS)的组织结构   

众所周知,流固耦合广泛存在于自然现象、工程系统之中。流固耦合系统力学则主要研究流体与固体相互作用规律,是建立在流体力学、固体力学等力学主要分支学科间的一门交叉学科。LMFS以流体与工程结构的相互作用、流体与岩土体的相互作用、环境流动与多过程耦合以及油气水沙相互作用等四个方向为重点,在海洋石油采输与分离技术、先进水中航行体、流域水环境与区域沉降、滑坡灾害监测和高速列车气动效应等方面作出了重要贡献,并形成了一支团结协作的高水平研究队伍。中国科学院海洋工程科学技术研究中心(1986年成立)和中国科学院先进轨道交通力学研究中心(2009年成立)由该实验室牵头运行和组织管理。  

LMFS致力于促进系统力学这一新的力学研究思想,努力为重大工程技术问题提供全新分析工具、变革性技术以及系统解决方案,为国家安全、国民经济和社会发展做出基础性、战略性和前瞻性的贡献。

下面来具体说明一下实验室的研究方向和研究内容:

  1.  流体与工程结构相互作用:主要以海洋平台与波流、海洋石油立管与海流、水下航行器与水流、高速列车与气流等的相互作用为研究对象。以复杂/运动边界的波流理论、非线性波浪、空化流动以及复杂多柔体结构系统动力学响应为基础,发展耦合分析理论与方法,突出工程结构与周围流场所组成系统的流固耦合特征,发展多目标优化方法,形成多学科优化设计工具,促进重大工程设计思想和设计水平的提升。

  2. 流体与岩土体相互作用:主要以泥石流、山体滑坡、天然气水合物和页岩气开采、海底管道冲刷等为研究对象,以其中的含热传导、相变、解吸附过程的渗流问题、渗流与岩土受力变形之间的相互作用、流体-土体-管线的流固土耦合等为科学内涵。致力于提出地质灾害定量监测、预警与防治技术,提出天然气水合物、页岩气、煤层气等非传统能源的安全开采技术。

3.  环境流动与多过程耦合:主要以流域水环境、海洋风浪流环境等为研究对象,以多相、多尺度、多组分、带化学反应和物理过程的复杂流固耦合问题为研究内涵。着力发展复杂耦合过程的新模型以及多尺度的计算技术,结合实际区域条件,显示力学在环境动力学演化过程中定量化分析能力的作用。

  4.  油气水沙相互作用:主要以石油开采中管道传输的油气水多相混输与油气水沙高效分离为研究对象,以海底资源采集、输运、提升和系统流动安全保障中的多相流体动力学为科学内涵。形成深海资源综合利用的理论基础和技术体系,为我国开采海底油气和矿产资源提供技术支撑。

  实验室研究工作的应用领域可以概括如下:

  1.海洋工程:主要以新型的海洋平台、平台关键设施和部件、先进的水下移动平台和高速航行体为对象,运用包含水动力学载荷、环境影响、结构响应与优化、结构健康监测与可靠性在内的系统的力学多分支学科交叉的研究手段,致力于发展流固耦合力学的分析手段和平台,促进新概念的水中和水下结构物,以及海洋工程关键技术和设备的研发。同时,发展包括深海水合物在内的海洋资源和能源的开采与开发技术。

2.环境工程:重点以流域水环境、海洋风浪流环境、土壤侵蚀与泥石流、山体滑坡等自然环境和灾害问题为研究对象,以水动力学、多相流体力学、岩土力学、渗流力学为基本支撑,从耦合系统动力学演化的角度,关注其中的输运规律以及相关灾害的预测与控制。

3.交通工程:在高速列车为代表的交通领域,以弓网-车体-轨道-路基构成的整体系统为研究对象,依托空气动力学、结构动力学、多体动力学、接触理论、岩土力学、声学等学科基础,建立大系统耦合的数值模拟平台和物理仿真平台,致力于建立高速轨道交通的安全性、经济性、环境适应性的速度边界。同时,为未来地面高速/大容量交通的发展方向提供科学的方案和评估意见。

LMFS具有实验室面积7900余平方米,建设有大型试验模拟系统,如高速列车动模型实验平台、 应用流体力学实验装置、流固土耦合波流水槽及同步测试系统等。这些试验模拟系统的图像与简介如下。

高速列车动模型实验平台

该原理性动模型实验装置可用于高速列车空气动力学性能测试研究。其中列车实验模型的加速采用了简单和经济的压缩空气驱动加速技术,实验模型和配套的拖车减速技术采用稳定性和可靠性非常高的永久磁铁和铁质地板的阻尼减速。该实验装置全长180米,列车模型加速段长40米,列车模型实验段最短长度为50米,减速段最长为90米。该实验平台目前可以把35千克的列车实验模型从静止基本匀加速至最大400千米/小时,并能基本以匀减速将其回收。这样,便可以为外形尺寸的缩比为1:8、最高时速超越500千米、列车实验模型在100千克以上、长度为264米的双向对开的双向动模型实验平台的研制提供了可靠和坚实的运行原理、结构参数和技术基础。

应用流体力学实验装置

 

油气水三相流模拟实验装置

应用流体力学研究包括水动力学和多相流两个方面。前者涉及水动力载荷研究、波动力学研究和涡动力学研究;后者涉及气液、液液、液固、气液固流动研究,以及多相流分离研究、多相流计量研究等。 油气水三相流模拟实验装置用于多相增压技术、多相分离技术、海底混输管线的流动模拟。特别是对于自主研发的结合离心、膨胀、重力多种分离原理于一体的高效油气水三相分离器,在此装置上进行了相关的运行原理与设计方案的试验研究。由于体积小、重量轻、级数少、效率高、处理量大、分离后油中含水和水中含油量小 、速度快、含率低等优点,对我国陆上及海洋的油田开发和工艺进步起到积极推动作用。

流固土耦合波流水槽及同步测试系统

流固土耦合波流水槽

这是一座专门模拟“波浪/海流-水中结构-海床土体”动力耦合作用的实验设备,获国家发明专利。设备总长52米、宽1.0米、深1.5米,试验段总深3.3米。可同步产生规则波/随机波和双向变速水流,配有砂雨法大型海床土体制备装置和微型孔隙水压传感器、二维和三维PIV、布拉格光栅结构应变仪等测试仪器。可实现波流、结构和土体(流固土)耦合多物理参数动态响应数据的同步测量和实时监控。

此外,LMFS的非连续介质力学及工程灾害联合实验室自主研发了全天候、自动化的无线遥测滑坡监测系统(包括滑带位移监测装置、地表位移监测装置、地裂缝监测装置以及群测群防信息终端设备),大型滑坡物理模型实验平台,微波干涉变形测量及成像系统,动态环剪仪系统以及探地雷达等。LMFS土力学与水合物实验室除了具有可专门用于岩土基础力学参数测试的多种设备(如静动三轴仪,低温高压三轴仪等),还建有水合物原位合成与分解模拟实验装置以及水合物力学性质测量装置。LMFS的结构健康监测与检测实验室建有模拟加载装置,可以测量设备力、应变、位移、速度、加速度等多种力学参量及温度等物理量的测试装置,还有配有数据采集处理设备(36通道)及分析软件。

    中国科学院流固耦合系统力学重点实验室是2013426日正式批准成立的(见中国科学院“科发计字〔201348号文件”)。目前正按照其设定的总体目标,不断地完善系统力学的学科基础和研究模式,以期成为系统力学的倡导者和率先实践者,成为在国际上有重要影响的力学研究机构之一。

                                                                 (王柏懿撰文)    


附件资料
  流固耦合系统力学重点实验室年度工作汇报.ppt