气动力系数范文（精选8篇）
气动力系数 第1篇
在海洋工程领域中，圆形立柱构件被大量采用，针对圆形构件的波浪力计算进行过大量的研究。目前方柱构件在桥梁工程的墩柱结构中获得广泛应用，方柱构件上波浪力的计算研究也得到相应发展。
通过数值模拟手段研究桥梁墩柱构件上的波浪力及波浪水流力，有助于提高桥梁基础的分析水平，为确定不同截面形式结构体上水动力系数提供一种有效的简便的数值分析方法。
本文针对墩柱结构在波流场中的流固耦合问题，利用流固耦合软件MpCCI将ABAQUS与FLUENT软件相连接，在波流场域中对圆柱构件及方柱构件进行数值模拟，得到了两种截面形式立柱构件拖曳力系数的数值解。
1 流固耦合方法
本文采用MpCCI技术实现波流场与立柱构件的耦合计算。耦合软件MpCCI为数值模拟提供了实时数据传递的平台，可实现不同数值模拟软件在定义耦合区域上网格节点数据的交换。在流固耦合计算过程中，FLUENT计算的耦合区域作用在固体结构边界上的力，并以节点量的形式传递给MpCCI,MpCCI对节点量进行插值并传递给ABAQUS，在外加荷载作用下，ABAQUS运算得到耦合区域作用在流体域上的边界节点位移，通过MpCCI插值所得位移量传递给FLUENT，如此循环实现数据的实时传递耦合，完成同步耦合问题的数值模拟。
2 墩柱模型及控制方程
2.1 物理模型
本文构建的流固耦合计算分析模型如图1所示，立柱分别为圆形截面和方形截面，圆截面直径与方截面边长均为2 m，长度为50 m。波浪中要素采用波长为40 m的波形，按照小直径构件的要求，立柱结构的直径D与波长L之间D/L=0.05<0.2，可通过莫里森方程计算构件波浪力。
2.2 流场计算模型
流场域为波浪与水流的联合作用场，波浪形式采用线性微幅波。利用FLUENT的二次开发功能实现对波流场中波浪波动的模拟。
流场网格的划分，针对气液两相流特点采用对自由表面处网格加密处理，以更好的捕捉自由表面附近的波动变化情况。
2.2.1 边界条件
流体域为气液两相流模型，波与流入口采用速度入口边界条件。波流场中均匀初始流速为2 m/s，波浪场模拟通过对波浪入流速度编写造波程序在FLUENT中二次开发实现，其中考虑均匀水流对波形的影响，线性微幅波波浪要素波长为60 m，波高为5 m，通过波浪的色散关系得到波形的特征值。对模型中空气相自由面采用压力入口边界条件，指定压力为1个大气压。
2.2.2 数值计算方法
流场计算以连续性方程和以速度和压力为变量的不可压缩粘性流体N-S方程为流体运动的控制方程，采用VOF方法处理流域两相流自由面，并以分离式PISO算法进行流体域求解运算。
2.3 固体计算模型
在波与流场作用下，定义单个立柱构件密度为2 500 kg/m3，泊松比为0.2，弹性模量为3.45×1010Pa。单柱构件模型顶端为自由端，结构底端进行固结。定义构件的外表面为耦合区域，且在坐标系内与流体模型耦合区域相吻合。在耦合过程中，通过MpCCI中增量步算法实现同步耦合，即时间步长达到指定的同步时间点时进行数据交换。
3 结果分析
在计算单个柱体波浪力的莫里森方程中，单位长度柱体上的拖曳力可表示为，确定构件的拖曳力系数Cd成为计算波浪力的关键。
参考文献[2]中对单柱结构在水域中波浪力拖曳力系数的分析，本文定义在波流场中圆柱构件与方柱构件上的拖曳力系数关系式表示如下:
通过数值模拟方法，分析单个圆截面与方截面立柱构件的拖曳力系数的数值解。在波流场域中，单柱构件的波流动力响应如表1所示。
由表1中结果可以看出，悬臂单柱在波流场作用下，圆形截面立柱顶端偏移量较方形截面立柱大，圆柱外截面上最大流速也较方柱大，这是因为相同材料及结构长度的构件，其刚度与截面惯性矩成正比，刚度对结构的影响相对于结构在流场中对流场传播的影响较大，使得方柱顶端的偏移量较圆柱小。且与圆柱相比，方柱有明显棱角，具有明确的分离点，较易出现涡及涡的脱落现象，因此在波流场中方柱所受阻力相对圆柱较大。
通过表1中结构的动力响应，由式(1)可计算得圆截面单柱与方截面单柱在波流场下的拖曳力系数关系有Cd圆/Cd方=0.595 83。在我国海港水文规范中定义在线性波理论下圆形截面单柱的拖曳力系数Cd取值为1.2，由此推得方截面单柱的拖曳力系数为2.014 0，方柱结构较圆柱构件的波浪力拖曳力系数大。参考文献[1]中对方柱流场拖曳力系数的描述取值为2.05，本文数值耦合方法得到的单个方柱拖曳力系数与传统计算构件波浪力拖曳力系数的理论取值较为接近。
4 结语
本文主要针对圆形截面和方形截面单柱构件在波流场中的流固耦合现象进行了数值仿真模拟，得到了在传统圆截面单柱波浪力拖曳力系数值基础上方柱拖曳力系数的数值取值。主要结论如下:
1)在波流场中，方形截面较圆形截面立柱在流域内拖曳力系数更大;
2)分析表明，MpCCI软件能很好的将ABAQUS与FLUENT结合对流固耦合问题进行耦合计算，同时同步计算波流场的传播和单个不同截面形式立柱构件的变形，能准确的模拟立柱结构的动力响应，为后续桥梁基础在流固耦合问题上的扩展研究打下了一定的基础。
参考文献
[1]李玉成.波浪对海上建筑物的作用[M].北京:海洋出版社,1990.
气动力系数 第2篇
根据新一代运载火箭CZ-5及其动力学相似缩比模型的助推支承、两个弯曲模态主方向的模态参数有显著差别的特点,推导了火箭地面风载荷在模态主方向的非定常气动弯矩系数,给出了非定常气动弯矩的计算方法,并通过坐标转换,得到风轴气动弯矩系数的计算公式.将非定常气动弯矩系数中与动特性有关的参数统称为动态弯矩因子,从而统一了所有类型火箭的地面风载荷非定常气动弯矩系数的计算公式.此外为简化助推器支承火箭地面风载荷的试验方法,给出了气动加速度和位移系数的计算方法,提出了加速度因子和动态位移因子的概念.通过对CZ-5缩比弹性模型的动特性和弯矩因子的`计算,分析了支承筒和不同构型模型的影响,并根据各阶弯曲模态对应的不同响应因子的变化,证明了地面风载荷试验只计及一阶模态的合理性.建议采用弯矩和位移测量数据分析非定常气动系数,不宜直接采用加速度数据计算气动系数.
作 者：马斌捷 吴艳红 高庆 MA Bin-jie WU Yan-hong GAO Qing 作者单位：北京强度环境研究所,北京,100076 刊 名：强度与环境 ISTIC英文刊名：STRUCTURE & ENVIRONMENT ENGINEERING 年，卷(期)：2009 36(2) 分类号：V211.3 关键词：风洞缩比模型 非定常气动系数 动态弯矩因子 加速度因子 位移因子★ 关于火箭作文
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纳米流体导热系数的分子动力学模拟 第3篇
1 分子动力学模拟方法
分子动力学是一套分子模拟方法, 该方法主要是基于牛顿运动方程计算模拟系统中所有粒子的运动。模拟过程中, 每个粒子在全部其它粒子所提供的经验势场作用下按牛顿定律运动, 其受到的合外力满足:
其中mi和ri为第i个粒子的质量和位置, Fij为第j个粒子作用在第i个粒子上的分子作用力, 其表达式为:
本文选用常用的Lennard-Jones (LJ) 双体势能函数, 具体表达式为:
其中:ε, σ分别为能量和长度常量;rij代表粒子i和粒子j之间的分子间距。
对Ar-Ar和Cu-Cu间的LJ势能参数可在文献中查到, 其中氩和铜交互部分的势函数参数由Berthlot混合法则求出:
其中:下标1代表流体Ar, 下标s代表固体颗粒Cu。
导热系数由Green-Kubo公式求出, 表达式为:
热流密度Jq的表达式为:
过剩能量Ei的表达式为:
其中, V是体积, KB是Boitzmann常数, T是温度。
2 模拟结果及分析
2.1对纯液氩的模拟
首先对液氩的导热系数进行模拟计算, 以验证模拟可靠性。模拟温度设为86K, 系综选正则系综 (NVT) , 粒子初始时按照面心立方结构FCC (Face Centered Cubic) 布置, 时间步长为2fs。模拟总步数60万步, 其中前10万步为弛豫过程, 以使系统达到平衡。截断半径取2.5, 对纯液氩包含的总氩分子数取4000个, 氩的LJ参数和分别取1.654E-21J和0.3405nm, 铜的和分 别取65.625E-21J和0.23377nm, Ar-Cu间的和分别为10.4184E-21和0.28714nm。模拟计算后得到液氩的导热系数为0.1264W/ (m K) 。
2.2对Cu/Ar纳米流体模拟及分析
对Cu/Ar纳米流体, 选取Cu纳米颗粒体积浓度为1%, 对应纳米颗粒直径为1.8nm, 用48个Cu原子代替54个氩原子, 模拟总原子数为3994个。通过计算得到纳米流体的的导热系数为0.143W/ (m K) , 相对于纯氩流体来说, 导热系数提升为原来的1.13倍。
通过跟踪模拟过程中氩原子的运动轨迹发现, 模拟过程中, Cu纳米颗粒对周围的液体分子存在吸附作用, 被吸附的液体分子在随后的模拟过程中不再离开纳米颗粒, 而是随着纳米颗粒一起运动, 且被吸附的液体分子排布不再是杂乱无章的, 而是倾向于固体的有序排布。
液氩的径向分布函数具有“短程有序, 长程无序”的特点, 而晶体Cu则体现出“长程有序”。当在纯氩基液中加入Cu纳米颗粒后, 纳米流体的径向分布函数在中和了晶体Cu的“长程有序”特点后, 表现出了既有液体的“短程有序”, 又有类似于固体的“长程有序”特点。
图1为在400ps, 700ps和1000ps时刻纳米颗粒表面吸附层的液体分子数密度分布。其中纵坐标p表示数密度 (N/m3) , 横坐标d (nm) 表示距纳米颗粒表面的距离。由图可知几个时刻的数密度分布大致类似, 都是在约0.23纳米处出现第一个波峰, 且峰值大小差异不大, 说明紧靠纳米颗粒表面的液体分子在被Cu纳米颗粒吸附以后就不会再离开;随后在约0.45处出现第二个峰值, 且峰值的大小随着模拟时间的推移逐渐减小, 说明在模拟过程中, 由于Cu-Ar的分子作用力远远大于Ar-Ar的分子作用力, 靠近Cu纳米颗粒的Ar分子逐渐被吸附在Cu粒子周围, 使得离纳米颗粒稍远的范围内液体分子的数密度值降低;当Cu-Ar间达到一定的距离后, 纳米颗粒对较远处的液体分子几乎没有影响。
3 结论
通过对Cu/Ar纳米流体导热系数的分子动力学模拟, 发现在纯氩基液中添加浓度为1%纳米颗粒后, 即可将导热系数提升为原来的1.13倍。在纳米颗粒表面会形成液体吸附层, 由于该吸附层的排布类似于固体, 使得纳米流体中的这部分流体的性质呈现出类似于固体粒子的现象, 吸附层的导热系数远远大于纯基液的导热系数, 从而导致纳米流体的有效导热系数提高。
参考文献
气动力系数 第4篇
桥梁动力系数是桥梁动力放大效应的指标, 是车桥系统的动力特性和相互作用的综合反映。我国常用的低中速铁路桥梁规范以及设计、检定中并不区分位移、内力动力系数[1]。欧洲UIC活载动力系数[2]针对不同的线路考虑了弯矩和剪力动力系数, 我国高速铁路设计规范规定的ZK活载动力系数[3]将弯矩和剪力动力系数区分开来, 给出了不同的表达式。日本新干线动力系数的取值与桥梁跨度、桥梁自振频率、速度等参数有关, 没有区分位移和内力动力系数。
本文根据弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则[4], 建立了列车—有砟轨道—桥梁系统竖向振动的矩阵方程, 编制了相应的计算机程序, 分别计算了高速列车通过简支梁桥时, 不同位置、不同类型的动力系数, 探讨了不同类型、不同位置动力系数随速度的变化规律。
2 建立模型
动车组模型选用一个4轴车辆, 由1个车体、2个转向架、4个轮对组成, 车体由一系悬挂、二系悬挂连接而成, 见图1。车体、转向架、轮对模拟为刚体, 只考虑车体和转向架点头和沉浮的自由度。假定轮对与钢轨密贴, 故单个车辆只有6个独立自由度。从车辆最右侧轮对一上桥就开始计算, 到车辆最左侧轮对离开桥梁时终止计算。
桥梁结构采用平面梁单元, 以高速铁路32 m双线整孔预应力混凝土简支箱梁为研究对象[2], 钢轨也采用平面梁单元。轨枕视为刚体, 轨枕与钢轨之间以及轨枕与桥梁之间单元用线性弹簧和粘性阻尼元件来模拟, 建立了列车—有砟轨道—桥梁系统模型 (见图1) 。
计算考虑了离散轨枕和扣件弹簧的列车与桥上有砟轨道相互作用系统的总势能, 然后利用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则, 得到如下的振动方程, 其分块矩阵形式如下:
采用Wilson-θ法求解该振动方程并利用FORTRAN 90语言编制系统竖向振动的计算程序。
3 计算选用参数
采用CRH3动力分散式列车组的车辆参数, 无砟钢轨参数采用文献[5][6]中的参数, 桥梁参数采用表1。
4 验证竖向振动系统模型
为了验证程序的可靠性, 在列车—有砟轨道—桥梁系统模型中去除轨道, 采用与文献[8]相同的计算参数演算4轴车辆在简支Euler梁上的动态响应, 见图2~图5, 原文通过有限元法和模态分析法得到相同的结果, 对比可见, 本文计算的车桥响应与原文完全一致, 因此本文推导的车辆—轨道—桥梁系统振动模型和编制的程序是正确的。
5 不同位置和类型的桥梁动力系数
为了比较位移动力系数、弯矩动力系数和剪力动力系数在桥梁同一位置的变化情况, 计算了CRH3动车组以不同速度通过32 m简支梁桥的数据, 如图6, 图7所示。
在0 km/h~430 km/h速度范围内, 跨中位移动力系数和弯矩动力系数在变化趋势和数值大小上基本一致, 在430 km/h出现明显的动力系数峰值且数值相同。在430 km/h~550 km/h速度范围内跨中位移动力系数和弯矩动力系数都呈减小的趋势, 前者在数值上略大于后者。在0 km/h~200 km/h速度范围内, 跨中剪力动力系数变化趋势与前两者基本一致, 速度大于200 km/h时, 剪力动力系数变化随速度增大而增大, 无峰值变化。在0 km/h~400 km/h速度范围内, 3/4跨处的位移动力系数、弯矩动力系数和剪力动力系数在变化趋势上基本一致, 数值上三者也相差不大。在400 km/h~550 km/h速度范围内剪力动力系数的变化趋势和数值与另两者不同。
在实际运营速度0 km/h~350 km/h范围内, 3/4跨处的三种类型的动力系数变化趋势基本一致, 该位置处的动力系数较跨中更能反映桥梁位移、内力随着速度增大的动力特性。
为了研究32 m简支梁桥1/4跨处、跨中处、3/4跨处的动力系数与速度的关系, 对CRH3动车组过桥进行了计算, 结果如图8~图10所示, 分别列出了位移动力系数在桥梁1/4跨处、跨中处、3/4跨处速度的变化趋势、弯矩动力系数在桥梁1/4跨处、跨中处、3/4跨处速度的变化趋势、剪力动力系数在桥梁左右支座处、3/4跨处速度的变化趋势。
位移动力系数在桥跨1/4处、跨中处、3/4处的变化趋势基本一致, 这说明桥梁各个部分参与振动的模态是完全一致的[9]。3/4梁跨处的动力系数在数值上略大于其他位置的动力系数, 更具有代表性。
弯矩动力系数在梁跨1/4处、跨中处、3/4处的变化趋势相近, 在共振峰值上跨中弯矩动力系数大于3/4处弯矩动力系数, 大于1/4处。
剪力动力系数在桥梁左右支座处的变化趋势基本一致, 数值也相近。剪力动力系数在支座处较3/4跨处的变化趋势有所不同。
6 结语
本文建立了列车—有砟轨道—桥梁竖向振动模型, 利用弹性系统动力学总势能不变值原理及形成系统矩阵的“对号入座”法则推导出了系统竖向振动的矩阵方程, 利用Wilson-θ法进行振动方程的求解, 并编制了相应的计算机程序, 通过算例的验算, 证明本程序是有效的。计算了桥梁不同位置的位移、内力动力系数并总结了相关规律, 得出在0 km/h~350 km/h速度范围中的简支梁, 3/4跨处的三种类型的动力系数变化趋势基本一致, 3/4跨处的动力系数较跨中更能反映桥梁位移、内力随着速度同时增大的动力特性。
摘要：为了研究速度与动力系数的关系, 建立了车桥耦合的动力学系统模型, 计算了不同位置、不同类型的桥梁动力系数, 探讨了不同动力系数随速度的变化规律。得出在0 km/h350 km/h速度范围中的简支梁, 3/4跨处的动力系数较跨中更能反映桥梁位移、内力随着速度同时增大的动力特性。
关键词：简支梁桥,动力系数,车桥耦合
参考文献
[1]中华人民共和国铁道部.铁路桥梁检定规范[M].北京:中国铁道出版社, 2004.
[2]孙树礼.高速铁路桥梁设计与实践[M].北京:中国铁道出版社, 2011.
[3]TB 10621-2009, 高速铁路设计规范 (试行) [S].
[4]曾庆元.弹性系统动力学总势能不变值原理与列车桥梁时变系统振动分析[J].铁道建筑技术, 2001 (1) :10-12.
[5]翟婉明.车辆—轨道耦合动力学[M].第3版.北京:科学出版社, 2007.
[6]娄平.列车—轨道 (桥梁) 系统竖向振动分析[D].长沙:中南大学, 2007.
[7]路萍.高速列车通过桥梁时的变速效应和振动控制研究[D].长沙:中南大学, 2008.
[8]Long P, Zeng Q Y.Formulation of vertical equations of motion of finite element form for vehicle-bridge interaction system[J].Journal of Structural Engineering, 2005.
气动力系数 第5篇
1 运动方程的全解
简谐载荷作用下单自由度体系的运动方程和初始条件为
其中, ω为外载荷激励圆频率, ωn为体系自振圆频率, 将阻尼c用阻尼比ζ代替, c=2mωnζ, 得到运动方程
将通解和特解代入, 得到运动方程的全解
其中, us (t) =e-ζωnt (A cosωdt+B sinωdt) 是以结构自振频率振动的瞬态反应项, uw (t) =C sinωt+D cosωt是以外载荷激振频率振动的稳态反应项;A, B, C, D为系数, 求得
引入零初始条件, u|t=0=u (0) =0, 得到
当载荷作用时间极短时, 即t→0, 系统还来不及衰减, 考虑瞬态振动项的影响.令us代表瞬态振动的幅值, uw代表稳态振动的幅值, 则, 将系数A, B, C, D代入计算, 得到
2 动力放大系数
单自由度体系的等效静位移为ust=P0/k=P0/mω2n, 分别求出瞬态振动和稳态振动的位移放大系数为βs和βw, 即
表明瞬态响应的动力放大系数是频率比t和阻尼比ζ的函数.当某一振动系统确定时, 阻尼比ζ即为常数, 令dβs/dt=0, 求得t=ω/ωn=1, 表明共振时, 瞬态响应的动力放大系数达到最大.
比较瞬态振动放大系数βs与稳态振动放大系数βw的大小, 得到, 分3种情况讨论: (1) 当0<ω/ωn<1时, βs与βw的大小取决于阻尼比ζ的大小, 若, 则βsβw;反之βs<βw; (2) 当ω/ωn=1时, 所以βs>βw; (3) 当ω/ωn>1时, 显然βs>βw.由此可见, 特定情况下, 瞬态响应的动力放大系数βs大于稳态振动放大系数βw, 可能对结构振动起控制作用, 这也验证了教材中“特殊情况下, 瞬态反应项可能远远大于稳态反应项”[1]的结论.
3 瞬态振动幅值
考察瞬态振动位移幅值表达式
令ϕ (ωn) =ω2n[ (ω2n-ω2) 2+4ζ2ω2nω2], 因为简谐载荷的激励圆频率ω是一个定值, 则, 现在分析函数ϕ (ωn) 的特性, 这是一个关于ωn的四次函数表达式.
讨论:令ϕ (ωn) =2ωn[3ωn4-4ω2 (1-2ζ2) ωn2+ω4]=0, 且ωn>0, 求得拐点
当阻尼比很小时, 即ζ→0时, 略去负根, ωn1≈ω, 将拐点值代入ϕ" (ωn) =2[15ωn4-12ωn2ω2 (1-2ζ2) +ω4], 得 (1) ϕ" (ωn1) =ϕ (ω) =8ω4>0, 则ϕ (ωn) 有极小值, us有极大值; (2) 则ϕ (ωn) 有极大值, us有极小值.
因此, 阻尼比很小时 (ζ→0时) 可以得到以下结论:当ωn1=ω时, 结构发生共振, 瞬态振动达到位移幅值;当时, 瞬态振动位移达到最小值, 即在外激励圆频率ω一定的情况下, 可以通过概念设计体系自振圆频率ωn, 对瞬态振动减振有利[5].
4 结论
从简谐载荷作用下单自由度体系的运动方程出发, 推导瞬态振动的动力放大系数公式, 计算表明, 瞬态振动的动力放大系数与外载荷激励圆频率、体系自振圆频率及阻尼比有关;此外, 将瞬态和稳态两种情况下的动力放大系数进行对比, 得到任意一个系数占主导因素的适用条件, 使学生对振动响应计算有了更全面的认识和更深入的理解.
摘要：针对《结构动力学》中“瞬态反应和稳态反应”的教学难点, 从简谐载荷作用下单自由度体系的运动方程出发, 推导瞬态振动的动力放大系数公式, 并与稳态反应的动力放大系数公式进行对比, 得到任意一个系数占主导因素的适用条件.通过对比, 使学生对振动响应计算有更全面认识和深入理解.
关键词：瞬态反应,稳态反应,动力放大系数,结构动力学
参考文献
[1]刘晶波.结构动力学.北京:机械工业出版社, 2005
[2]陈厚群.混凝土大坝抗震中的力学问题.力学与实践, 2006, 28 (2) :1-8
[3]刘延柱.振动力学.北京:高等教育出版社, 2003
[4]江见鲸.防灾减灾工程学.北京:机械工业出版社, 2005
气动力系数 第6篇
本文利用EDX分析方法,不仅计算出水分在粘接接头界面的扩散系数和扩散动力学,还比较了水分在经不同处理方法处理后炭纤维增强水泥粘接接头界面的扩散系数和扩散动力学,表明炭纤维增强水泥经偶联剂处理后耐久性能要好于砂纸打磨处理,这种分析计算方法为界面的半定量分析研究提供了新手段。
1 实验部分
1.1 原材料
炭纤维增强水泥:自制,T300纤维增强硅酸盐水泥。胶黏剂:环氧树脂胶黏剂,固化工艺为25℃/25压力0.05~0.1MPa。
炭纤维增强水泥表面处理方法:(1)60目砂纸打磨;(2)在(1)基础上,将粘接接头涂偶联剂KH550(H2NCH2CH2CH2Si(OC2H5)3),室温放置24h。未加说明均为偶联剂处理。
1.2 粘接接头的制备
粘接接头的制备:将处理好的炭纤维增强水泥表面涂上胶黏剂,加压0.1MPa,25℃固化24h。湿热老化:在哈尔滨理化仪器厂生产的HL-2湿热老化箱中进行,老化温度分别为:35℃、45℃、55℃,RH98%~100%。老化后的样品用滤纸吸干表面水分后常温放置24h后进行测试。未加说明的湿热老化条件均为45℃,RH98%~100%。
1.3 分析原理
首先利用扫描电子显微镜确定粘接接头界面范围,由于胶黏剂和炭纤维增强水泥的元素组成存在明显区别,因此可以利用EDX根据元素含量变化确定界面的宽度和元素组成(铍以上元素),EDX分析是采用ISIS-300(Link Corp.),放大倍数为3000倍,观察深度为20nm。每个测试数据为10个样品的平均值,样品的标准偏差为10%。
炭纤维增强水泥粘接接头由于胶黏剂中的元素含量与炭纤维增强水泥中元素含量明显不同,因此在胶黏剂和炭纤维增强水泥界面可以利用EDX元素线分布变化确定界面元素变化规律,从而确定界面的宽度以及元素组成。选择界面不同位置的元素分布,其标准偏差在10%以内,计算出元素含量的平均值。本文利用EDX分析粘接接头元素线性分布,确定粘接接头界面,并测试界面不同位置的元素线性分布,其元素组成的平均数即为界面的元素含量,如图1和图2所示。
1.4 吸水性的计算
EDX计算法:胶黏剂中的成分为碳、氧和氢元素,而炭纤维增强水泥含有碳、氧、硅、铝和碱金属等元素,由于EDX计算出的是相对值,而且氢元素无法测试出来,但是氢元素含量仅占胶黏剂的1.1%,界面含量更低,因此忽略不计。粘接界面元素中硅、铝以及碱金属元素都不发生变化,确定为定值M,粘接界面元素含量只计算碳、氧元素和M,首先利用EDX计算出氧元素在界面整体中的比例,湿热老化过程中做样品EDX,计算出氧元素的增量,从而推导出粘接界面的吸水性为:
式中G"-粘接界面吸水性
G-氧元素在粘接接头界面元素中的比例,由EDX分析获得。
G0-湿热老化前,氧元素在粘接接头界面中碳和氧元素的比例,由EDX分析获得,本文为25.42%。
MH2O和Mo-分别为水和氧的相对分子质量。
2 结果与讨论
2.1 水分在粘接接头界面扩散系数的计算
2.1.1 水分在偶联剂处理的粘接接头界面中扩散系数的计算
Fick第二定律指出在不同方向水分扩散浓度与时间的关系[7~10]:
这里仅讨论浓度差引起的物质扩散,忽略热运动引起的自由扩散,并假定扩散为一维,扩散系数在整个扩散过程中不变,并且聚合物体积不发生变化,于是把偏微分方程简化为一维,在x轴方向有:
通过数学计算其扩散规律得出方程:
式中Gmax-饱和时的增加质量(%)
ΔG-t时间的增加质量(%)
t-水分的扩散时间(s)
b-扩散路程,由于实验中近似一维,所以扩散路程为粘接接头的宽度(mm)
假设粘接接头破坏时吸水量为Gmax,已知试片宽b为20mm,根据公式(4)、图3和表1中45℃,RH98%~100%湿热老化数据,可以计算出水分在偶联剂处理的粘接接头界面的扩散系数为2.3214×10-6mm2·h-1,如表1所示。
2.1.2 不同表面处理方法对水分在粘接接头界面扩散系数的影响
根据图4中水分在砂纸打磨处理的炭纤维增强水泥黏接接头的扩散与老化时间的关系,利用EDX可以计算出胶黏剂在45℃,RH98%~100%湿热老化条件下水分在砂纸打磨处理的粘接接头的扩散系数为2.7324×10-6mm2·h-1。采用偶联剂处理可以在炭纤维增强水泥表面形成过渡层,从而减缓水分在粘接界面的扩散,提高耐久性能,因此水分在其界面的扩散系数小。
sand paper(45℃,RH98%~100%)
2.2 水分在粘接接头界面扩散动力学的计算
2.2.1 水分在偶联剂处理后的粘接接头界面中扩散动力学的计算
扩散反应级数和吉布斯自由能的计算是根据方程式:
式中c-剩余质量,无穷大时刻的质量减去此时刻质量(%)
n-扩散反应级数
t-扩散时间
k-扩散速率常数(0级反应:mol/L·s,1级反应mol/L·s-1,n(n≥2)级反应:mol/L1-n·s-1)
令粘接接头吸水性△G/Gmax为C,以ln(1/C)对湿热老化时间作图,由于ln(1/C)和湿热老化时间存在线性关系,因此其扩散反应为一级,如图3所示,不同温度下的扩散速率常数见表3。
根据Arrhenius方程:
式中A-频率因子
E-吉布斯自由能(k J/mol)
R-理想气体常数
T-温度(K)
K-扩散速率常数(0级反应:mol/L·s,1级反应:mol/L·s-1,n(n≥2)级反应:mol/L1-n·s-1)
则扩散速率常数之间的关系为:
根据公式(7),利用表3扩散速率常数和温度的关系,计算的水分在偶联剂处理后粘接接头界面的扩
散动力学吉布斯自由能为-42.97k J/mol。
2.2.2 不同表面处理方法对水分在粘接接头界面中扩散动力学的影响
炭纤维增强水泥表面经过砂纸打磨粘接接头界面,湿热老化后水分扩散浓度与时间关系见图4,由于ln(1/C)和湿热老化时间存在线性关系,因此其扩散反应为一级,水分扩散速率常数见表4。
同理根据Arrhenius方程可求砂纸打磨粘接接头界面水分扩散吉布斯自由能为-49.81k J/mol。说明水分在只经过砂纸打磨处理的粘接接头界面扩散速度快于偶联剂处理。
3 结论
EDX分析方法计算的水分在粘接接头界面的扩散系数和扩散动力学,尽管存在一定误差,但仍然可以反映出水分在粘接接头界面的变化行为,而且这种方法简单并且不需要破坏粘接接头。对于不同表面处理方法处理的粘接接头,水分扩散系数和扩散动力学变化规律与剪切强度的变化规律相同,表明这种方法不仅可以对界面变化行为进行定量和半定量分析,而且对今后有关界面的定量和半定量分析研究提供了新方法。
参考文献
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气动力系数 第7篇
1分子作用势能
分子动力学模拟研究的范围非常广泛,研究对象的分子不同,分子间相互作用力的模型也不同。对于简单分子,常采用硬球、软球、Lennard-Jones势能和Stock-Mayer势能等模型;对于复杂分子,可采用多中心的位置-位置(site-site) 相互作用模型,但各中心间的相互作用仍采用简单势能函数;对于带电分子,还需引入Coulomb相互作用。由于Lennard-Jones模型形式简单,且具有分子间相互吸引和排斥的基本特征而被广泛采用,对于预测超临界CO2的自扩散系数来说采用简单的球形Lennard—Jones势能模型就已足够取得相当准确的预测结果[7]。本文中采用简单球型模型分子间作用力采用Lennard-Jones位能[8]描述,其势能形式如下:
uij(rij)=4εij[(σij/rij)12-(σij/rij)6] (1)
式中,uij、rij、εij、σij及δij分别为分子间的相互作用能、分子间距离、作用能量参数及尺寸参数,k为玻尔兹曼常数(k=1.381 × 10-2323 J/K)。
2MD模拟的基本原理及计算细节
2.1MD模拟的基本原理
本文所采用的是NPT系综的扩展系统法,恒温采用Nose[9]算法,恒压采用Parrinello-Rahman方法。应用两体有效能近似、周期性边界条件、时间平均等效于系综平均等基本假设[10]之上,解牛顿运动方程得到各粒子在不同时刻的位置和速度,再通过时间平均的方法,可求得人们感兴趣的宏观性质。超临界CO2的自扩散系数Dself可以由两种方法获得,对均方位移求斜率的Einstein法,其几何解释是扩散系数为均方位移对时间做图趋于无穷时斜率的1/6;和对相关函数求积分的Green-Kubo法,其几何解释是扩散系数为速度自相关函数对时间积分至无穷的。本文由Einstein法统计获得扩散系数。
Einstein 法:
Green-Kubo法:
2.2MD模拟细节
模拟CO2分子的自扩散系数时起始构型为面心立方晶格,采用立方周期性边界条件,各分子起始速度按Maxwell分布给定,随后对速度重新标定,以确保体系总动量为零。所用总分子数为256,模拟过程中位能截断采用球形截断法,截断半径为半个盒子边长,截断距离之外分子间相互作用能按平均密度近似的方法进行校正。MD模拟采用等温等压NPT系综法,模拟盒子的大小按一定温度和压力下CO2对应的试验密度数据给出。分子运动方程的求解采用五阶Gear预测校正法[10]。模拟过程中所取的时间步长为1fs(1fs=10-15s),每次模拟的总时间步长为400ps(1ps=10-12s),其中前200ps使体系达到平衡,后200ps统计扩散性质以供分析之用。
2.3计算结果
自扩散是一种原子或离子通过由该种原子或离子所构成的流体(晶体)中的扩散。在计算过程中任意选定一个CO2分子作为扩散对象,本文选取较长运行时间且线性相关较好的90～170 ps内对均方位移进行时间平均来得到扩散系数。图1是27.441 MPa压力下的均方位移随时间的变化关系以及线性拟合关系。
从图1看出,在较大时间范围内均方位移的线性关系很好,表明所获得的自扩散系数是准确可靠的。本文计算了温度在323 K,压力为1.034～48.263 MPa区间15个压力的自扩散系数,如表2所示。
从表2看出:当压力升高时,扩散系数随之减小。压力增加,流体的密度变大,分子间间距缩小,使得分子间作用力增强,阻碍了分子的扩散运动,使得CO2分子的扩散系数随压力的升高而降低。从表2中可看出本文的模拟值与实验值吻合较好,平均偏差小于4.4%,且两者的变化趋势一致。
3结论
通过选择合适的截断半径,对超临界CO2的自扩散系数相同温度,不同压力下进行计算,结果能准确反映其扩散性质;并与实验值进行对比,结果基本吻合,能较准确地预测该条件下的扩散性质。分子动力学模拟得到的扩散系数对于超临界或高压萃取和超临界反应的初步设计来说已基本满足需要,随着位能参数的调整,计算精度会不断提高,并可为这些过程的优化操作提供指导。
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气动力系数 第8篇
关键词：城镇化经济增长劳动力转移生产率面板数据
一、引言
“十八大”报告提出“坚持走中国特色新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化道路”;李克强总理指出, 城镇化是内需最大的潜力;改革是最大的红利。2012年我国城镇化率51.3%, 正处于城镇化“S”形发展曲线中速度较快且最为关键的阶段, 有必要研究城镇化与经济增长、劳动力转移之间的关系。
从理论上看, 城镇化对经济增长和劳动力转移之间的影响并不确定。国内外很多学者都研究了城镇化与经济增长的关系, Berry (1965) 研究了95个国家的截面数据, 指出城市化与经济发展水平存在相关性;城市学家Vernon Henderon也认为城镇化率与人均GDP之间有相关性, 且相关系数为0.85。周一星 (1982) 通过研究157个国家和地区的资料, 发现137个国家和地区的城镇化与人均GDP之间是一种十分明显的对数曲线关系;刘耀斌 (2006) 利用协整关系检验和基于向量误差修正模型的Granger因果方法, 实证检验了各个时段我国城市化发展与经济增长之间的长期相关关系和因果关系, 发现目前我国城市化发展与经济增长是互为推进的关系;沈坤荣、蒋锐 (2007) 通过实证研究得出中国城镇化以要素积累和结构变革, 通过聚集经济和剩余劳动力转移, 间接地对经济增长产生正的影响;朱孔来、李静静 (2012) 等人运用面板数据的单位根检验和面板数据的协整检验, 得出我国城镇化进程与经济发展水平之间存在长期稳定的均衡关系, 而且城镇化对经济发展有积极作用。巴曙松认为, 城镇化要想驱动经济增长, 需要满足的第一个条件是生产率的提升。而城镇化与劳动力转移方面, 冯奎综述了城镇化快速发展有利于农村劳动力的转移;“城镇化进程中农村劳动力转移问题研究”课题组从协调推进城镇化、工业化的角度探讨农村劳动力转移问题。课题组通过分析中国农村劳动力转移数据及其对城镇化影响的基础上认为, 中国的城镇化与劳动力转移是不同质的。还有一些学者以一个省为例, 从就业角度进行了实证分析, 例如李静、刘英基以山东省为例, 汪泓、崔开昌以安徽省为例, 均说明经济增长对就业具有促进作用, 城镇化与就业具有相互促进作用。
这些研究分别从不同的角度理清了城镇化与经济增长、劳动力转移的关系, 基本观点是城镇化与经济增长、劳动力转移都有相互促进关系。但是这些研究都只关注城镇化与经济增长, 或者城镇化与劳动力转移的关系, 没有将三者一起考虑;在研究方法方面, 过多使用综述, 大多数实证分析也主要使用国内个别地区的数据, 或者只从一个角度进行研究, 没有与发达国家、发展中国家比较对照。
本文以14个具有代表性的国家为例 (美国、英国、德国、法国、意大利、波兰、俄罗斯、巴西、墨西哥、日本、中国、马来西亚、爱尔兰和越南) , 综合分析城镇化对经济增长、劳动力转移的作用, 分析我国与其他国家的差距及可借鉴的经验, 借以对我国城镇化相关问题提出相应的对策和建议。
二、数据模型及实证分析
(一) 变量与数据说明
1. 城镇化水平:
URBAN。本文使用世界银行《世界发展指标2013》公布的各国城市化率数据, 以城镇人口占总人口比重来计算。为了更准确地反映我国特有的“二元化”国情下的城镇化, 我国城镇化水平以非农业人口占总人口比重来表示, 以避免在城乡二元化体制下对城镇化造成的高估。
2. 经济增长:
GDP。本文使用世界银行《世界发展指标2013》公布的人均GDP (现价美元) 来表示, 采用人均GDP可以剔除人口规模对GDP的影响。
3. 劳动力转移指标:
FIE。由于比较难获取14个国家农村劳动力转移的数据, 本文使用世界银行《世界发展指标2013》中第一产业从业人员占所有从业人员的比重作为劳动力转移指标, 第一产业包括农业、狩猎、林业和渔业等, 其占比越小, 则相反层面就说明农村剩余劳动力转移数量越多。
为了综合考虑各国的个体差异和时间趋势, 本文使用面板数据模型来进行实证分析。本文以14个国家为横截面单元, 样本区间为1992—2008年。
(二) 数据检验
1. 面板数据单位根检验
为了避免伪回归的问题, 我们对数据进行了单位根检验。本文使用Eviews7.0对数据进行单位根检验时, 检验结果如表1所示。根据结果可知, 面板数据中的ln URBAN, ln FIE, ln GDPP都是二阶单整的, 记为I (2) , 说明ln URBAN, ln FIE, ln GDPP非平稳, 但是同阶单整, 所以有必要接下来进行协整检验。
2. 面板数据的协整检验
从世界各国城镇化发展、经济增长和劳动力转移的规律可以发现, 城镇化的提高总是伴随着第二、第三产业的发展, 农村劳动力的转移。城镇化的提高, 也会进一步促进经济的发展, 劳动力素质的提高, 进而促进劳动力的转移。从现实的经济意义上来看, 不存在伪回归现象。对Ln URBAN, Ln FIE, Ln GDPP进行Johansen协整检验的结果如下 (选择序列有确定趋势, 协整方程只有截距的情况) 。
检验结果说明Ln URBAN, Ln FIE, Ln GDPP的面板数据通过了5%显著性水平的检验, 它们之间存在长期稳定的均衡关系。
(三) 实证分析
1. 城镇化与经济增长
以经济增长Ln GDP为因变量, 以城市化水平Ln URBAN作为解释变量, 进行协方差分析检验。查F分布表, 给定5%的显著水平下, 得到相应的临界值为Fa2 (26, 210) =1.548, Fa1 (13, 210) =1.770, 由于F2>1.548, F1>1.770, 因此模型采用固定影响变系数模型, 构建模型如下:
ln GDPPit=ai+ln URBANitb1i+uit, 其中i=1, 2, …, 14, t=1992, 1993, …, 2008;
固定影响变系数模型的结果如表3所示。
2. 城镇化与劳动力转移
以劳动力转移指标Ln FIE为因变量, 以城市化水平Ln URBAN作为解释变量, 进行协方差分析检验。在给定5%的显著水平下, 得到相应的临界值为Fa2 (26, 210) =1.548, Fa1 (13, 210) =1.770, 由于F2>1.548, F1>1.770, 因此模型采用固定影响变系数模型, 构建模型如下:
ln FIEit=ai+ln URBANitb1i+uit, 其中i=1, 2, …, 14, t=1992, 1993, …, 2008;
固定影响变系数模型的结果如表4所示。
3. 模型结果综合分析
从表3, 表4的结果可以看出, 模型可决系数、F统计量都很理想, 说明模型拟合程度很高。从统计学意义来讲, 这两个模型的效果不错。由于两个模型都是以对数进行回归分析, 所以回归系数分别是经济增长或劳动转移指标对城镇化水平的弹性。
从表3中可以看出, 在经济增长和城镇化水平的模型中, 除日本的回归系数不显著外, 其他国家的回归系数均通过了5%显著性检验。在模型分析结果中, 除日本、波兰、俄国外, 其他国家的回归系数都是正值。日本之所以城镇化对经济增长的作用不显著, 主要是由于日本经济自己的特点:青木昌彦认为“当日本总就业人口之中农业人口所占的比例降到20%以下, 它的经济增长率就会放缓”, 而且1992—2008年也是日本经济长期停滞的阶段, 所以日本城镇化对经济增长的作用被弱化, 并不明显。波兰和俄罗斯可能有过度城镇化的问题, 波兰和俄罗斯的失业率一直居高不下, 其中波兰失业率一度高达20%, 俄罗斯失业率也一直徘徊在10%左右, 而且俄罗斯工业过多的依赖于能源和高能耗产业, 城镇化水平与产业发展并不合理。从表3也可以看出, 不同的国家中城镇化对经济增长的促进作用也不同。其中老牌资本主义发达国家 (例如英国、德国、美国) 城镇化水平已经很高, 经济增长对城镇化的弹性表现出巨大的差异, 这主要取决于这些国家的经济特点、产业结构。这也说明在城镇化发展后期, 城镇化对经济增长的影响不确定, 因此发达国家城镇化对经济增长的影响与我国不具可比性。而发展中国家城镇化对经济增长的影响较为一致, 与巴西、墨西哥、越南等发展中国家相比, 我国弹性系数为4.51, 排名靠后, 说明我国城镇化对经济增长的促进作用还没有完全释放, 生产率提升不足, 存在低质量城镇化的倾向。
从表4可以看出, 在劳动力转移指标和城镇化水平的模型中, 14个国家的回归系数均通过了5%显著性检验。由于使用第一产业从业人员占所有从业人员的比重作为劳动力转移指标, 所以指标为负数则表明农村剩余劳动力随着城镇化的提高而转移。除俄罗斯、波兰的回归系数为正值外, 其他国家回归系数均为正值。俄罗斯、波兰依然因为各自的失业率过高, 导致城镇化的发展未能促进劳动力的有效转移。从劳动力转移指标来看, 俄罗斯、波兰也有过度城镇化的问题。在模型分析结果中, 发达国家城镇化对劳动力转移的促进作用明显高于发展中国家, 这主要是由于发达国家的农业人口规模已经很少, 且农业现代化程度、技术水平都很高, 便于实现劳动力的转移。但是在发展中国家里劳动力转移较为缓慢, 说明在发展中国家, 劳动力转移依然有一定的障碍和困难。其中我国劳动力转移的弹性系数为-0.711066, 绝对值比越南、马来西亚、巴西、墨西哥都低, 说明我国城镇化的发展并没有有效的促进劳动力的转移, 存在明显的劳动力转移障碍。
三、结论
本文使用包含14个国家的跨国数据面板的计量方法分析了城镇化对经济增长和劳动力转移的作用, 得出了以下结论:
通过面板数据协整分析, 说明不同国家的城镇化率和经济增长、劳动力转移之间存在协整关系。从长期来看, 城镇化、经济增长、劳动力就业之间有很大的相关性。
通过分别建立固定效应变系数模型, 我们发现相对于其他发展中国家, 我国城镇化对经济增长的促进作用还未完全释放, 生产率没有得到提升, 且没有有效的促进劳动力转移, 尚未充分发挥城镇化的潜力。究其原因, 本文认为主要是生产率未能有效提升, 城镇化质量不高, 劳动力转移存在障碍。例如农业技术创新、应用缓慢, 制造业规模效应未能完全释放, 服务业层次结构较低;有的地方认为城镇化就是大举建设新城、拉大城镇框架, 不能持续发展;有的地方认为城镇化率提高就是农民进城居住, 赶农民上楼, 未能放开户籍, 且对转移人口的公共服务、职业技能培训、对非农产业培育等重视都不够, 因而未能促进劳动力的有效转移。
城镇化的质量直接关系到经济发展的质量、效益和劳动力的有效转移。基于以上的结论, 本文认为需要更加关注城镇化的质量, 着力提升生产率, 消除劳动力转移的障碍:需要结合财政政策、产业政策、就业政策、土地政策等, 全面提高城镇化的经济质量、社会质量、和空间质量。具体政策包括:
1.结合公共服务改革和财政制度改革举措, 以人为本, 平等对待, 以辖区人口为标准, 提高转移人口的基本公共服务水平;综合考虑中央和地方的支出责任和支出能力, 建立农民工市民化的专项转移支付。
2.以分类指导, 因城而异为原则, 逐步进行户籍制度改革, 消除劳动力转移的制度性障碍。我国特有的户籍制度限制了人口的迁徙和流动;社会的转移支付、城乡的支出责任都与户籍挂钩, 使得财政资源配置没有发挥应有的作用。综合考虑城市资源和环境承载能力, 可以考虑完全放开小城市户籍, 积极放开中等城市户籍;在特大城市也要推进农民工与市民同权。
3.结合就业政策, 加强劳动力的职业技能培训, 建立健全城乡基层就业服务机构, 加强劳动保障监察执法和争议调节仲裁, 简化创业流程, 完善创业扶持政策。只有提高转移劳动力的技能、教育水平, 才能避免大量转移人口游离在城乡之间, 甚至在城市隐蔽失业, 也可以避免出现俄罗斯、波兰等国过度城镇化的问题。
4.结合产业技术政策和人才政策, 推动农业技术创新和推广应用, 促进制造业规模效应和技术创新, 提升服务业层次结构, 全方位促进劳动力构成改善和人力资本积累, 充分提高生产率。
5.建立健全区域协调发展制度, 加强城镇化对经济增长的促进作用。进一步推动城市群内部市场体系、产业布局、基础设施、公共服务、环境保护一体化发展;统筹规划城镇布局、产业集聚、基础设施网络、农田保护、生态涵养等空间布局和功能分区, 引导城市发展和分工协作, 增强区域发展的协同效应;健全生态环保协调机制, 健全区域环境监管和联防联控机制, 完善跨界环保投入机制, 避免低质量的城镇化。
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