高比例新能源电网-分布式数据中心集群协同优化运行研究

随着新能源并网比例的逐步提升,电网对不确定性新能源的消纳态势日趋严峻,导致弃风弃光频现.数据中心作为新兴的重要电力负荷,其运行能耗高,规模增长迅速,算力及数据资源可灵活调配,具备可挖掘的柔性调节潜力.据此,本文利用分布式数据中心集群增强电力系统柔性调节能力,助力新能源消纳.首先,根据数据中心服务器运行工作状态和制冷设备温控要求,建立单个数据中心的精细化电力负荷模型.然后,考虑数据任务处理的时空可调节性,建立分布式数据中心互联互通的协调模型.在此基础上,提出考虑不确定性的电网-分布式数据中心集群的协同运行框架,研究集群调节能力的统一表征,建立两者顺序决策的双层优化模型,提出双层非线性区间优化方法进行求解.最后,通过算例分析验证了协同运行框架的有效性,得到了不同偏好条件下帕累托解集和分布式数据中心集群响应的变化规律.

智能飞行汽车关键技术及发展趋势

城市立体交通是未来智慧出行发展的热点方向,近年来受到了广泛的关注.作为城市立体交通的载体,智能飞行汽车融合了飞机与汽车两种运动模态,能够灵活地在空中与地面进行切换.本文介绍了智能飞行汽车的背景、历史与现状,阐述了其与城市空中交通载具的区别,分析与讨论了飞行汽车的系统设计,并介绍了智能飞行汽车的关键技术创新,包括动力技术和机电总体设计、多模态切换、模块复用与飞车脑认知等.重点讨论了飞行汽车的智能化技术,包括近地感知、决策与规划、智能控制与智能通信系统的关键技术与瓶颈.最后,结合现有技术,对智能飞行汽车的技术进行了剖析,并讨论了潜在的解决方案与发展趋势.

基于广义可靠指标相对安全率的高土石坝坝坡稳定设计安全判据

坝坡稳定对土石坝安全至关重要,现行规范规定应对坝高200 m及以上的高坝坝坡抗滑稳定设计安全判据进行专门研究.现行土石坝设计规范采用安全系数作为土石坝坝坡稳定的安全判据,难以合理地考虑土石坝堆石料强度参数等不确定性因素的影响,亟需发展对应的可靠度设计方法.可靠度设计中采用目标可靠度作为安全判据,因此研究高土石坝的目标可靠度是发展可靠度设计方法的重要前提.广义可靠指标相对安全率搭建了确定性设计安全判据和可靠度设计安全判据之间的桥梁,本文将广义可靠指标相对安全率应用于超过200 m高土石坝坝坡稳定安全判据研究,验证高土石坝坝坡稳定确定性设计与可靠度设计安全判据之间的等价关系,并提出了软岩土石坝和硬岩土石坝坝坡稳定可靠度控制标准.结果发现,《水利水电工程结构可靠性设计统一标准》(GB50199-2013)中规定的硬岩堆石坝的目标可靠度符合所标定目标可靠度要求,建议提高软岩堆石坝的目标可靠度.

基于协同与耗散的能质传输理论

本文聚焦热力学流和力的本构关系,揭示能质守恒方程中热流、质流、功流和动量流的扩散机制,协同方程中热力学力的协同机制,以及平衡方程中热力学流的耗散机制.通过考察多物理场的相互作用,建立流体传热、传质、耗功以及动量传输之间的协同关系.通过分析传输过程的能质耗散,表征热、质、功和动能的传输损失和传递效率.最终提出宏观能质输运统一方程组,架构基于协同和耗散的能质传输理论体系.

高超声速飞行器多尺度耦合热效应预测研究进展

随着未来临近空间高超声速飞行器更高速度、更长航时服役新需求的提出,飞行器多尺度耦合热效应日趋显著,并成为影响飞行热安全的重要因素.针对飞行器高温表面、高温结构、舱内仪器/设备等涉及的热现象,综述了多尺度耦合热效应预测方法的研究进展.结合未来飞行器精细化、低冗余设计需求,进一步提出了后续研究的重点方向.飞行器耦合热效应研究需从关注“宏观量”拓展到关注影响内禀特性的微细观“隐变量”,跨尺度关联应注重“降尺度”与“升尺度”的协同,同时还需进一步发展弱化人工经验、消除人为边界的数理模型与自适应方法.相关研究将为飞行器热行为的精细预测及高效防护提供参考.

流体域内热量传递过程的导热-对流并联热阻分析方法

热阻理论被广泛用于传热过程问题的分析,传统的热阻分析方法往往只适用于一维、稳态、无内热源的热传导问题.然而,在能源电力、石油化工、航空航天等工程应用中还涉及热对流问题.针对此问题,本文提出了流体域内、多维导热-对流并联热阻分析方法以及总体热阻的概念,构建了热阻网络模型,并通过分析通道内强制对流问题证明了导热-对流并联热阻分析方法的实用性.流体域内的面积对流热阻与温度梯度及速度大小和方向密切相关,速度越大,面积对流热阻越小,同时面积对流热阻存在“负热阻”现象,相当于流体域内的“热源”或“热汇”.研究结果表明,导热-对流并联热阻网络的建立对于分析流动传热过程,以及指导传热过程的调节和优化具有重要意义.

漏磁可控类宽调速永磁电机磁通可变区域设计

永磁电机在电动汽车领域已经获得了广泛应用,但由于该类电机存在调速范围较窄、高速弱磁区效率低等不足,电动汽车续驶里程提升和整车动力性能改善仍受到一定限制.针对电动汽车多运行工况需求,研究兼具高功率密度、宽调速运行能力、广域高效等优点的高品质驱动电机系统,目前已成为车用永磁电机领域面临的新的难题之一.为破解该科学难题,本文提出一种磁通可变区域设计方法,巧妙通过不同工况下的电枢电流的改变,可以在该区域获得多个可变磁阻通路,从而在改变电机的漏磁通和有效磁通的同时,有效提高永磁类电机磁通调节能力.本文基于该新型区域磁通可变设计方法,提出了一类漏磁可控式宽调速永磁电机,分析了不同工况下的磁障及其相应的可变磁阻通路对有效磁通、磁通调节能力等性能影响的一般规律.研究表明,所提出的漏磁可控式宽调速永磁电机具有更强的磁通调节能力,并拥有更高的输出转矩、更宽的调速范围以及高效率运行区间.

核反应堆两相流和严重事故关键现象粒子法模拟研究

针对核反应堆冷却剂两相流动沸腾和严重事故熔融物迁移行为等热工安全领域重要难点问题,开发了高精度移动粒子半隐式法求解技术,建立了大密度比相间复杂界面捕捉及汽液相变模拟的两相流粒子法模型,开发了核反应堆严重事故中堆芯降级行为的氧化共晶、高温蠕变、消熔凝固及再定位过程粒子法模型,形成了基于粒子法的核反应堆关键热工安全现象复杂过程分析软件平台PANDA,实现了核反应堆冷却剂两相流汽泡动力学、严重事故等复杂现象过程的准确模拟.

钢管混凝土柱压-扭破坏尺寸效应细观数值分析

地震作用下,钢管混凝土柱容易受到扭转作用而发生压-扭破坏,扭矩作用将导致钢管混凝土柱的破坏加剧.本文首先建立了能够同时考虑混凝土非均质特性和混凝土/钢管接触行为的钢管混凝土柱力学分析模型及其数值模拟方法,进而模拟研究了钢管混凝土柱在压-扭联合作用下的失效破坏行为和尺寸效应规律.主要分析了截面尺寸、轴压比、含钢率和截面形状对钢管混凝土柱破坏模式、名义抗扭强度及其尺寸效应行为的影响.结果表明:随轴压比的增大,钢管混凝土柱抗扭承载力呈现先增大后减小的趋势,且当轴压比在0.4左右时,抗扭承载力达到最大值;钢管混凝土柱在压-扭联合作用下存在一定程度的尺寸效应,且根据本文模拟工况,名义抗扭强度下降幅度可达24%;此外,随轴压比的增大,名义抗扭强度的尺寸效应行为呈现先削弱后增强的趋势.基于本文数值试验数据及作者前期研究工作,提出了考虑轴压比和含钢率影响的钢管混凝土柱名义抗扭强度尺寸效应公式.

超临界回热燃煤发电系统热力循环的构建及分析

回热过程对朗肯循环热效率的提升起重要作用,但当前有关回热的研究仅局限在亚临界区域,并未对超临界区域进行深入的探索.本文提出超临界回热方式,构建了超临界回热循环,从效率角度探明了该回热过程的优势.以某二次再热燃煤发电系统为例,基于热力学第一、第二定律对其与BEST小机回热进行热力学理论计算与对比分析.结果表明,超临界回热可有效提高发电效率,在本文案例中,当主汽参数为32 MPa和610/625/622℃时,所提出的两种超临界回热过程可在发电效率47.57%基础上,分别提升0.96%与1.02%, BEST小机回热可使发电效率提升0.1%.同时发现BEST小机回热可有效降低循环回热过程的?损,超临界回热则可大幅降低锅炉?损,当两者耦合时,可以实现效率的进一步提升(48.7%和48.76%).本文提出的超临界回热过程是在亚临界区域回热的基础上突破瓶颈,进一步实现了在超临界区域的回热,是循环回热优化的进一步发展.

机器学习在新污染物环境风险识别与防控上的研究进展与挑战

随着技术的不断发展,越来越多的新污染物(emerging contaminants,ECs)产生并进入环境中.这些ECs往往具有生物毒性和环境持久性,对生态环境和人类健康构成风险,因此越来越多的研究开始关注ECs的风险识别与防控.自然环境中ECs的存在情况复杂,传统的分析方法在ECs风险的识别与预测上费时费力.机器学习(machine learning,ML)是一种数据驱动的研究方法,使用已有的数据训练模型,以更好地预测和发现研究对象的发展变化规律.由于ML能够深入了解参数之间复杂的关系,近年来,ML在ECs风险识别与防控领域的应用愈加广泛.传统技术与ML结合能够降低计算成本,并通过优化和减少实验次数来节省实验时间和能源消耗.ML在ECs中的应用大致可以分为毒性预测、识别分类、性质评估与辅助去除.本文梳理了ML在典型ECs(纳米材料、微纳米塑料、抗生素抗性基因、全氟烷基和多氟烷基物质、内分泌干扰物和持久性有机污染物)中的应用情况与挑战.在毒性研究中,ML的使用能够减少动物实验,但是该领域目前普遍存在数据较少的情况,部分模型使用的数据集较小,数据质量较低,模型应用范围有限.并且并不是所有的环境问题都适用ML,没有必要过度依赖ML.复杂的ML模型通常伴随着可解释性的不足,使得研究者难以理解ML如何得出特定的预测结果,这对于解释和理解ECs的环境行为和风险是一个挑战.在ML中,除了模型算法本身,训练数据的质量决定着模型的准确性和预测的准确性.因此今后应重点提升ECs数据质量,实现数据共享,并建立统一完善的数据库,形成适合ECs研究的研究体系或框架.

考虑地震效应和坡顶超载的多级边坡稳定性非线性能耗分析

多级边坡常承受复杂荷载影响,且现有多级边坡稳定性分析大多基于线性破坏准则,而岩土体破坏往往呈现非线性特征.为详细分析基于岩土材料非线性特征下多级边坡在不同工况时的安全性能,基于极限分析上限定理和强度折减技术,结合非线性破坏准则,考虑地震效应和坡顶超载的影响,构建边坡对数螺旋线非线性能耗分析模型,根据虚功原理推导出边坡安全系数解析式;采用序列二次规划迭代方法,通过MATLAB优化计算,运用蒙特卡罗边坡可靠度方法,结合边坡工程案例探讨了非线性系数、地震效应及坡顶超载对三级边坡稳定性、潜在滑动面位置及可靠度指标的影响规律.研究结果表明:随着非线性系数、地震效应比例系数、坡顶超载的增大,边坡安全系数显著降低,可靠度指标逐渐减小,失效概率不断增加,边坡发生失稳的可能性逐步递增,在复杂工况下其发生失稳的范围更大;若非线性系数取值越低,会越高估复杂荷载对边坡稳定性的影响,不利于正确评估其稳定性;随着非线性系数、坡顶超载的增大,地震效应比例系数的减小,边坡坡顶滑出点与坡肩距离逐渐增加,潜在滑动面逐步向坡内偏移,失稳发生的范围显著加大;当地震效应比例系数、坡顶超载越大时,非线性系数对边坡稳定性影响越显著;随着非线性系数越大、坡顶超载越小,竖向地震效应对边坡稳定性影响越明显;而当地震效应比例系数越小、非线性系数越大时,坡顶超载对边坡稳定性影响越显著,在坡顶超载为0~20 kPa阶段尤为明显,类似边坡工程设计时应重点注意.

边界层理论研究进展综述

本文回顾了边界层理论提出至今120多年内的重要发展历程,梳理了边界层理论的发展脉络,总结了在边界层测试、边界层求解以及工程应用等方面的发展情况.Prandtl最开始提出的平板边界层理论从物理概念上解释了物体绕流的摩擦阻力现象,解决了困扰多年的d'Alembert悖论.随着航空工业的发展,人们开始对边界层流动稳定性理论、湍流边界层、可压缩边界层、高速边界层、温度边界层、旋转边界层等概念进行拓展研究.在求解边界层方面,诞生了级数解法、积分法、渐进展开法和差分法等经典的数值求解方法;随着工程应用的需求,也发展了半理论半经验的解析方法求解湍流边界层.在测试技术方面从最初的Preston管测试逐渐转变为以热线风速仪为主要测试手段.同时本文还从航空航天飞行器高速、旋转和强换热的特点,介绍了高超声速边界层、旋转边界层和温度边界层方面较为前沿的研究成果,供快速掌握边界层理论的发展历程和今后的发展方向.

近地小行星防御的可行性研究

面对潜在的小行星撞击风险,研究人员提出多种防御方法,本文对采用不同处置技术对不同大小、不同密度、不同预警期的小行星进行防御的可行性开展了数值分析,评估了小行星防御的技术可行性,给出了不同处置技术适用的防御场景,并分析确定了相应的关键技术需求.

多维地震作用下桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道系统动力响应

为研究多维地震作用下桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道系统的动力响应,基于有限元法和梁-轨-板相互作用原理,建立了桥上CRTSⅢ型板式无砟轨道无缝线路精细化空间模型,分析了El-Centro波与天津宁河波多维地震作用下系统的受力与变形规律及其影响因素.结果表明:与El-Centro波相比,天津宁河波对系统动力响应有显著的增强效应;多维地震作用下桥梁轨道结构将产生较大的纵横向位移,且结构所受的纵、竖、横向力均较单向地震作用时大;同一地震波下多维地震激励得到的轨道各结构纵向受力与位移响应分布规律与纵向地震激励时一致;钢轨应力曲线均关于跨中呈反对称分布;各层间构件受力与变形曲线均关于桥梁纵向呈轴对称分布;轨道板、自密实混凝土层、底座板纵向位移随桥跨数的增加呈阶梯增减变化,最大值出现于最中间跨桥,轨板相对位移在最右侧梁缝处达到最大,极易导致轨下胶垫窜出引发扣件失效,同时左侧桥台与相邻固定支座墩顶最大位移差值显著,增加了落梁风险;采用小阻力扣件能有效减小地震作用下钢轨、固定支座墩/台顶的受力,但会显著增加轨板纵向相对位移,建议桥上扣件纵向刚度大小取值不低于10 kN/组;为有效保证地震发生时桥上高速列车行车安全,同时各部件不至于产生较大的位移,建议桥上固定支座墩/台顶纵向刚度宜采用不低于1.0倍系数值.

微纳物质对细菌抗生素耐药性形成与传播的双刃效应

细菌抗生素耐药性问题严重危害人类健康,寻求其有效阻控方法受广泛关注.微纳物质因其性能优越,常被用作细菌抗生素耐药性的阻控材料.但近年来,研究发现,其对细菌抗生素耐药性的形成与传播具有双刃效应.一方面,微纳物质及其复合材料可吸附或降解抗生素,进而有效阻控细菌抗生素耐药性的形成;其也可灭活抗生素耐药细菌、消减胞外抗生素抗性基因(antibiotic resistance genes,ARGs)、去除细菌生物膜、降低抗生素抗性质粒生物有效性等,进而对细菌抗生素耐药性传播具有良好的阻控效果.然而,另一方面,部分微纳物质流入环境后,析出的金属离子对细菌产生了共筛选压力,其也会影响细菌的生长环境,进而促进了环境中抗生素耐药性的形成;此外,微纳物质也显著改变了ARGs宿主微生物的分布、提升了其丰度,同时促进了ARGs水平转移过程,进而加剧了环境中细菌抗生素耐药性的传播风险.未来应尝试利用微纳物质研发胞外ARGs污染控制相关技术,关注细菌对微纳物质的抵抗作用;同时,在研究细菌抗生素耐药性风险时,以更多种类的微纳物质为研究对象,并关注ARGs的转化与转导转移过程.该综述可为人们合理使用微纳物质控制细菌抗生素耐药性风险提供理论依据.

基于领域自适应的城市污水处理运行过程多工况优化控制

城市污水处理运行过程的优化控制方法是提高其运行效率和改善其运行效果的关键.然而,由于城市污水处理过程进水负荷多变,运行过程存在多种工况且变化频繁,导致城市污水处理过程难以实现优化运行.因此,如何设计优化控制策略应对多种工况变化,保证出水总氮和出水总磷等水质指标达标,是城市污水处理过程亟需解决的挑战性问题.本文设计了基于领域自适应的城市污水处理运行过程多工况优化控制方法(multi-operating optimization control with domain adaptive,MOOC-DA).首先,建立城市污水处理运行过程多工况优化目标模型,捕获运行能耗以及出水水质的时间序列特性,实现运行指标的精确预测.其次,设计基于多任务领域自适应粒子群的多工况优化设定方法,保证多工况运行出水水质达标.最后,设计基于多任务模糊神经网络的优化设定跟踪控制方法,实现城市污水处理过程多工况优化运行.为了验证所提出方法的有效性,基于活性污泥模型仿真平台将提出的MOOC-DA与其他优化控制方法进行对比实验.结果表明,该方法能够实现污水处理过程多工况的优化运行,保证出水总氮和出水总磷等水质指标达标.

脉冲激光超快时间分辨方法在岩石力学领域的应用与进展

脉冲激光成像技术是一种利用脉冲激光短脉冲半高宽(FWHM)特性提高记录极短时间间隔物理过程时间分辨率的方法.它在锁模技术、啁啾脉冲放大技术(CPA)以及腔外脉冲压缩技术等相继出现后可以将成像的时间分辨率压缩到阿秒级别(10^(-18)s);并且激光成像技术已经被应用在生物、化学、电动力学等需要超快时间分辨率的领域.在岩石断裂、爆破等过程中裂纹的扩展速度接近声速,整个室内实验中的时间间隔仅持续数十微秒.传统的高速摄影通过不断增加单位时间连续曝光数的方法已经达到了技术瓶颈,亟须一种新的方法突破记录手段的时间分辨率极限.本文对脉冲激光超快时间分辨方法在岩石力学领域的应用与进展进行了系统性综述,包括以下四个方面:阐述超快脉冲激光的发展过程与应用现状;在总结岩石力学中高应变率、动力学相关问题的基础上,回顾总结传统高速摄影在这类问题中的应用与进展;将脉冲激光超快时间分辨方法与传统高速摄影进行对比,总结脉冲激光超快时间分辨方法在解决这些问题的优势;最后对脉冲激光超快时间分辨技术在未来解决具有极短物理过程的岩石力学室内实验方面进行了讨论与展望.

基于太阳能电推进的小行星动力推离方案设想及处置策略

近地小行星对地球构成了潜在的撞击威胁,如何有效可控地实施防御方案成为近年来的热点问题.采用电推进的动力推离在轨处置方法能够以持续作用的方式改变小行星的轨道,使小行星的可控偏转成为可能.面向未来小行星防御偏转需求,本文提出了一种以太阳能电推进为基础的分布式小行星动力推离处置方案设想.通过能源与推进系统的分布式部署,实现能源供应与偏转变轨的综合效能优化.在此方案基础上,针对不同自转特性的小行星,提出了三种附着部署与偏转处置策略,对比分析了电推开机阈值角度、推力矢量调节等参数对偏转效果的影响.研究发现,基于太阳能电推进的动力推离处置策略能够使百米级尺寸的近地小行星产生偏转,该研究可为近地小行星防御提供方案参考.

前言——环境中新污染物

环境中新污染物(emerging contaminants)是指排放到环境中,具有生物毒性、环境持久性和生物积累性等特征,对生态环境或人体存在较大风险,但尚未纳入管理或现有管理措施不足的有毒有害化学物质.这些污染物包括(但不限于)持久性有机污染物、药品及其代谢产物、个人护理品、纳米材料和微塑料等.新污染物的来源广泛、种类繁多,其在环境中的存在与迁移转化规律复杂多变,给环境监测、风险评估和污染治理带来了前所未有的挑战.党的十九大把“污染防治攻坚战”列为决胜全面建成小康社会的三大攻坚战之一,因此深入推进环境中新污染治理,持续改善生态环境质量是全面推进“美丽中国”建设的战略任务.当前,环境中新污染物的研究正处于快速发展阶段,取得了一系列重要成果.然而,面对新污染物复杂多样的特性,研究仍面临诸多挑战:(1)如何建立全面、高效的检测和分析方法,实现对环境中新污染物的精准识别与量化。