基于光流卷积网络的粒子图像测速自动掩模及速度场计算

粒子图像测速(PIV)技术是一种定量的非接触式全局速度场测量技术。在船舶与海洋工程领域,PIV实验中拍摄的粒子图像常出现结构物遮挡或自由液面等干扰现象,需要对其进行掩模后计算液相区域速度场。因此,实现PIV图像中干扰区域自动掩模及液相区域速度场高精度计算具有重要的意义。本文基于光流卷积神经网络LiteFlowNet,设计了一种可实现自动掩模及速度场计算的深度学习模型Mask-PIV-LiteFlowNet,并使用基于物体入水PIV实验图像掩模数据集和PIV速度场计算数据集制作的数据集对其进行训练和测试。测试结果表明,该模型能够有效减少临近掩模边界区域的速度场计算错误并能够精细地提取流场小尺度流动信息,相比于当前先进的PIV深度学习模型PIV-LiteFlowNet-en,本文提出的模型在对带结构物的合成粒子图像进行流场计算时精度获得了至少14.5%的提升,计算速度上获得了5.7%的提升。最后,使用楔形体入水PIV图像对提出的模型进行了测试,验证了模型的泛化能力。

水下非接触爆炸下冲击波载荷与速度场等效关系研究

对于平板在水下非接触爆炸下的结构响应问题,学界目前常采用仿真和试验手段开展研究。但目前的仿真手段主要采用任意拉格朗日欧拉(arbitrary Lagrange-Euler, ALE)方法进行,计算效率低且在中远场计算中难以得到真实的结果,而试验手段成本较高。基于能流密度公式和TAYLOR板理论对平板水下非接触爆炸冲击波载荷与速度场等效关系展开研究,提出了冲击波载荷和等效初速度场的等效换算方法,建立了平板初速度场与水下爆炸参数的等效关系并开展试验验证。结果表明,基于能流密度的冲击波等效初速度场具有更好的计算精度和效率,这一方法可作为研究平板或者简单板架在水下爆炸冲击波作用下结构响应的一个重要的等效计算方法。

三元锂电池热失控射流可视化及速度场测试

三元锂电池在电动汽车领域得到了越来越广泛的应用。对电池发生热失控时的喷阀射流速度场开展研究,将有助于反推热失控过程中电池内部的临界压力及压力变化,对辅助优化电池设计、准确预测火焰传播等具有重要意义。但是,锂电池在热失控过程中往往存在两次喷射,喷射产物不仅包括电池内的化学反应产气、电解液蒸发等,还包含部分颗粒和电池内部各部件的碎片等;此外,蒸发后的电解液也会在遇冷后凝结,使整个喷阀射流过程呈现气-液-固三相混合状态,提高了速度场辨识与测试的难度。因此,为实现在高温情况下喷阀射流的可视化及速度场辨识计算,本研究搭建了主要由高速相机、激光系统和电池防爆箱组成的实验台架,采用高速相机对电池热失控射流过程进行拍摄及处理。首先对流场流态开展初步分析;然后通过自适应滤波算法,有效降低成像时噪声的影响,并增强液滴的边缘细节信息;同时利用直方图均衡化进一步提高图像的对比度;最后,采用基于亚像素精度插值的互相关算法对喷射流场的速度场进行分析计算,得到了不同时刻的二维平面下的速度场数据,并进一步对不同时刻不同区域的速度特性进行了分析,为后续电池热失控机理研究和电池安全性能提升工作提供了基础。

分散相入口结构参数对液液旋流反应器速度场的影响

为解决离子液体烷基化工艺在工业生产中存在产物分离不及时导致的停留时间过长,副反应产物增多等诸多问题,将一种可以缩短反应时间的液液旋流反应器直接用于该工艺中,利用旋流反应器实现反应分离一体化,并利用数值模拟研究分散相结构入口参数对旋流反应器内速度场的影响。结果表明:在保持相同的入口面积下,切向缝(分散相入口的主要部分)数量的增加会导致分散相切向速度增大,而对轴向速度的影响较小,20 mm-6的切向缝设置效果最佳;将分散相入口中心,缓冲腔中心和切向缝中心设置至同一条直线上,切向速度和轴向速度均会减小;切向缝位置越接近导向叶片,同一截面下切向速度越大,在稳定的非涡流区域轴向速度也会增大。最终对比分析得到高度-数量为30 mm-4,三心合一后,切向缝位置z=82—112 mm,轴向截面位置为80 mm的速度场混合程度最高,效果最好。此研究为旋流反应器应用于离子液体烷基化反应时的结构参数优化提供了理论基础。

亚跨声速风洞短轴探管速度场校测可行性研究与验证

根据GJB1179A-2012《低速和高速风洞流场品质要求》规定,速度场校测是风洞流场校测的关键项目,是评价风洞是否具备开展型号试验能力的重要依据。轴探管是用于亚跨声速风洞速度场校测的通用校测仪器。为了降低轴探管对流场的扰动,并在试验段内产生无干扰的流场,一般要求堵塞度不超过0.5%,头锥位于风洞收缩段内。近年来,随着国内2 m量级以上的大型跨声速风洞立项建设,传统的轴探管设计方案在制造、安装以及校测等方面都存在一定的困难。针对该问题,通过对轴探管头部气动外形以及安装位置的优化,削弱了轴探管头锥激波强度和扰动范围,发挥试验段加速区的消波能力,在试验段内产生了与传统长轴探管一致的无干扰流场,大大缩短了轴探管的长度,为大型跨声速风洞速度场校测的轴探管设计提供了一种可行的技术方案。

广西区域速度场模型构建与应变特征分析

利用GAMIT/GLOBK软件解算2009-01~2019-06广西地区83个GNSS站数据,获得ITRF2014框架下GNSS站速度场,并通过Kriging插值法构建广西区域三维速度场模型。联合广西及周边136个GNSS站观测结果,采用格网距离加权法计算区域应变场,并对应变场特征进行分析。结果表明,ITRF2014框架下广西区域平均水平运动速率为34.95 mm/a,优势方向为N106.3°E,垂向运动表现为区域性缓慢隆升和沉降。23.5°N以北区域呈面应变压缩变形状态,以近SN向、NW向主压应变为主;23.5°N以南区域则呈面应变拉张变形状态,并以自西向东扇形展开的张应变为主。剪切应变场表现为四周高值、中部过渡带为低值。研究区内近10 a内地震主要发生在剪切应变高值向低值转变的区域,且时空上具有从断裂带一端向另一端迁移并折返的变化特点。

顾及环境负荷的GNSS速度场分析

为准确估算江西及邻区GNSS速度场,研究该区域中国大陆构造环境监测网络(CMONOC)133个GNSS测站的坐标时间序列,系统分析环境负荷变化对最佳噪声模型建立的影响。计算测站由环境负荷引起的非线性变化,并应用最大似然准则和贝叶斯信息量准则建立负荷改正前后所有坐标时间序列的最佳噪声模型,同时估计速度不确定度。结果表明,闪烁噪声与白噪声组合是江西及邻区133个GNSS测站的主要噪声模型,环境负荷改正会直接影响坐标时间序列的噪声特性,且添加负荷改正后,E、N、U三个分量测站速度不确定度减小幅度分别为23%、22%和21%。环境负荷改正有助于准确确定江西及邻区GNSS测站的最佳噪声模型,提高速度场的估算精度和可靠性,建议在估算GNSS速度场时考虑环境负荷的影响。

考虑间断速度场的光滑有限元极限分析上限法

基于应变光滑技术的有限元极限分析方法,为岩土工程稳定性分析提供了一种有效和高精度的数值分析途径。通过改进基于节点光滑域的方法,使其可以考虑间断的运动许可速度场,提出一种新型节点光滑有限元极限分析上限法。在土与结构接触面处引入间断速度场,以间断面处节点速度差表征间断速度场的大小,进而基于间断节点重新构造节点光滑域。在Mohr-Coulomb屈服准则和关联流动法则的基础上,分别计算间断面和光滑域内的内能耗散,并将屈服准则和流动法则的约束条件转化为一系列的二阶锥约束方程,最终将考虑间断速度场的节点光滑有限元上限法转化为标准的二阶锥规划模型。此模型可以采用高效的原对偶内点算法进行求解。通过岩土工程中经典问题的数值分析,验证了新方法的可靠性,并通过数值分析发现,结构与土体接触的强度性质对结构的失稳模式和极限承载力具有明显的影响。

冲击波流场的PIV速度场修正算法研究

粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术是研究分析流动现象产生机制和物理规律的1种重要手段。针对击波管实验中产生的平面冲击波流场,开展了冲击波波阵面及波后速度场图像测量实验,设计并实现了1种结合高斯拟合亚像素与连续性方程的复合图像修正算法,利用该算法对实验原始数据进行了处理分析。结果表明:经本文所提出的算法修正后,波阵面前PIV速度场矢量信息连续,可显示出由于粒子不均匀而不能正确测量的区域信息,提高了速度场信息测量精度,该方法可有效修正存在强间断面的速度场中,由记录图像质量差、粒子播撒不均匀或流动跟随性差等问题带来的速度场计算偏差,为冲击波速度场错误矢量的检测与修正提供了1种简单高效的算法。

大型综合环境试验箱试验设计及速度场研究

大型综合环境试验箱作为大型设备环境适应性及可靠性试验的重要设备之一,对产品的性能及评估优化具有重要作用。本文的目的是通过系统阐述大型综合试验箱的工作原理及设计,为后续的系统优化提供依据;同时利用CFD数值模拟计算得到不同送风速度下的速度场分布。数值模拟计算结果表明,空箱运行时,试验箱内会形成回旋涡流现象;但增加振动台及试验件时,这一现象消失,但送风侧的速度下降;随着高度地升高,气流速度呈现先下降后上升的趋势;增加振动台及试验件时,对速度场的扰流作用较大。

基于时间解析PIV技术的圆柱尾流速度场精确测量

为实现对圆柱尾流非定常速度场的精确测量,示踪粒子的跟随性与光学散射特性是基于时间解析PIV试验技术的关键问题。为此,选择Laskin-40粒子发生器并匹配粒径1 μm的DEHS作为示踪粒子,并使用热线风速仪专门测试示踪粒子频响特性。高频PIV设备采样频率为1000 Hz,将直径20 mm的金属圆柱尾缘至其后方7.5倍直径、圆柱两侧各3.3倍直径所围成的矩形绕流尾迹区域作为测试区域,重点研究来流风速20 m/s条件下、圆柱特征雷诺数Re = 2.67 × 104下的非定常流场。基于PIV获得的速度场数据,开展流场和频谱特性分析,得到了圆柱绕流尾迹中的瞬态流场特征和旋涡脱落的频率特性。基于时间解析PIV技术能够获得丰富的流场信息,可以准确地识别绕流尾迹中旋涡交替脱落和发展的时空演化过程,在非定常流场测量方面具有普遍推广意义。The tracking characteristics and light scattering properties of tracer particles are the crucial issues of time-resolved Particle Image Velocimetry (PIV) experiment technology for the accurate measurement of the unsteady velocity field in the wake of a cylinder. A Laskin-40 particle generator was chosen with 1-μm-diameter DEHS as the tracer particle, and a hot-wire anemometer was employed to assess its frequency response property. The high frequency PIV device featured a sampling rate of 1000 Hz, for which the test area is the rectangular wake flow region of 7.5 times the diameter of a 20 mm-diameter metal cylinder from its trailing edge and 3.3 times the diameter from both sides. The study focused on the unsteady flow fields at 20 m/s wind speed and the Reynolds number (Re) of 2.67 × 104 for the cylinder. By the flow field and frequency spectrum analysis based on the velocity field data acquired by PIV, the research gained insights into the transient characteristics of flow field and frequency property of vortex shedding in the wake of the cylinder. As the time-resolved PIV technology provides abundant flow field information that allows accurate identification of the vortex shedding and its spatial temporal development in the wake, it is worth spreading in unsteady flow field measurement.

三种速度场模型在CORS基准站时间序列中的对比分析

速度场建模方法研究对全球卫星导航坐标时间序列分析具有重要意义。针对Ordinary Kriging法对分布稀疏点和区域边界点建模精度不高的问题,本文运用顾及高程因素影响的Ordinary Kriging单一改进模型和K-means-Ordinary Kriging组合模型对速度场进行建模。结果表明,两种改进模型都可以提高Ordinary Kriging基础模型的建模精度。其中,单一改进模型建模结果在SHK5点的改进最突出,高达8.66 mm/a;组合模型建模结果在NLIB点的最大改进达到8.22 mm/a。从测区全部CORS点的STD值来看,组合模型对点密度相对低和边界点的速度场建模效果更好。

云南省卫星定位基准站网速度场分析

利用云南省卫星导航定位基准站网系统(YNCORS)2016至2020年近5年99个基准站观测数据,采用GAMIT/GLOBK软件处理,解算得到了基准站的坐标时间序列和不同框架下的速度场。结果表明,云南省基准站ITRF2014框架下东方向平均运动速度31.84 mm/a,南方向平均运动速度为13.09 mm/a,整体运动方向为东偏南方向。以欧亚板块为运动背景场框架下的东方向平均运动速度6.83 mm/a,南方向平均运动速率3.91 mm/a;滇西南运动速率较小并且有着左旋的趋势,滇西区域运动速率较大并且明显存在着右旋的趋势。

基于PIV的大豆蛋白液双枪喷涂速度场的研究

目的 为了在保证喷涂雾化表征均匀性的前提下实现宽幅覆膜,提高覆膜的效率,以期得到均匀一致的大豆蛋白覆膜。方法 利用粒子图像速度场仪(Particle Image Velocimetry,PIV),对不同干涉程度下的大豆蛋白液双枪喷涂雾化场进行拍摄,利用PIV和Origin软件处理图像,得到速度数据并对比。结果 随着双枪间偏转角的增大,基线上的平均速度减小;偏转角为0°时,两喷雾粒子流在干涉线处碰撞,少有透过干涉线的粒子;在不同偏转角下,基线上的速度峰值从大到小为偏转角7°时的速度峰值、偏转角0°时的速度峰值、偏转角15°时的速度峰值;当偏转角为0°时,随着液压的增大,基线上的第2个速度谷值会右移,并且会增大直至消去。结论 当偏转角为0°、液压为0.24 MPa时,在基线上干涉区域内的速度最均匀。

基于拓扑系数的速度场评价方法

地震偏移成像逐渐从时间域过渡到深度域,准确确定速度场是深度域复杂构造成像的关键。依据不同的判断标准,可将速度场正确性评判方法分为两类,一是利用偏移速度场进行模拟,以正演结果和实际数据拟合最优作为判断标准,二是利用偏移速度进行叠前深度偏移成像,通过判断偏移成像结果的好坏对速度场的正确性进行评价。速度场作为地震偏移成像过程中的关键研究目标,有其内在的逻辑结构关系,这种结构关系即速度场的拓扑结构,其形态、复杂程度、不规则性等变化程度可以用拓扑系数进行度量。针对这一特性,提出一种基于拓扑系数的速度场评价方法,利用拓扑系数对速度场的逻辑结构信息进行表征,求取不同速度场的拓扑系数,结合速度误差、偏移成像误差以及拓扑系数误差进行综合对比分析并对速度场进行评价。

高低温试验箱速度场实验与数值模拟分析

本文对1 000 L高低温试验箱进行了速度场测试实验和数值模拟。通过在试验箱内不同高度平面内各均匀布置9个热线风速仪测试风速并加权平均算出通过各平面的风量,对各平面风量进行平均处理校核高低温试验箱的风量,结果表明该方法能够较好地测出试验箱的风量。对一平面更密集地布置30个热线风速仪进行测试,所得风量与均匀布置9个风速仪的方案结果相差3.8%。对高低温试验箱进行数值模拟,并读取30个对应测试点的速度与实验的30个测试点的速度进行对比验证,结果表明模拟值与实验值整体趋势基本吻合,平均相对误差在15%左右。数值模拟显示,高低温试验箱内会存在明显的回旋涡流现象,近内壁处风速大,中间区域风速小。本文为后续改进速度场均匀性提供了理论依据和基础。

速度场与意图角双重变导纳主动康复训练策略研究

针对主动康复训练中出现训练懈怠、控制器和训练表现表征指标复杂、训练任务不能动态调整的问题,提出基于速度场与意图角的双重变导纳控制策略。在期望轨迹周围设计速度场后基于双曲正切函数将患者主动力映射到导纳参数中,设计变导纳控制器。只有患者施加主动力时,导纳控制才能输出机器人运动的驱动力,迫使患者主动参与。将末端交互力矢量与速度矢量的夹角定义为意图角,利用位于[0,π/2)内意图角出现的时间在单次训练时间中的占比γ表征患者的主动控制能力。训练中,根据上一轮的γ来修改导纳参数的上限值,从而改变训练任务的难易程度。在控制策略下进行了6轮训练,结果表明:提出的主动训练策略能够在患者施加主动力的情况下实现三维轨迹允许误差范围内的无时序跟踪训练;根据设计的表征指标,导纳参数可以从1100变为1200再变到1100,单轮的训练时间从45.6 s变为31.82 s再变回46.9 s,期间患者输出的主动力总和从892.2 N变为694.4 N再变到1014 N。训练策略可以根据表征指标来判断患者的主动训练能力并调整训练任务,可用于主动康复训练。

理论力学研究性教学新探索:刚体运动基点法公式与连续介质速度场分解

基础力学课程体系是现代工程教育的重要基础。理论力学作为力学课程体系的起点,提供了力学基本概念和原理。一方面,以离散体系(质点/刚体)为研究对象的理论力学与以连续体系(介质/变形微元体)为对象的连续介质力学,它们之间既存在密切联系又差异明显;另一方面,源于理论/经典力学的动力系统理论和非线性科学研究对应用力学学科产生了广泛影响。围绕这两个侧面,作者将在《理论力学研究性教学新探索》系列教研论文中阐释它们之间的联系。本篇探讨刚体运动基点法公式和连续介质速度场分解之间的关系,它们分别给出刚体模型和连续介质模型的速度分布规律,前者依赖刚体转动角速度矢量,而后者由速度梯度张量所刻画。本文将说明,两者存在对应理论关系,且刚体基点法公式是连续介质速度场分解的退化形式,即忽略变形效应。

聚焦破碎波数值模拟及速度场特性分析

波浪聚焦是研究极端波浪的有效方法,对于聚焦波浪的研究多围绕小波陡的对称聚焦波浪,对极限波陡、临近破碎乃至聚焦破碎的波浪现象却很少涉及。准确模拟和估计极端波浪的几何形态及速度场特性是准确估计海洋平台等海洋结构物极端载荷的关键。采用Newwave理论进行极限波陡下聚焦破碎的数值模拟,围绕聚焦破碎波的生成、演化及破碎过程中的波浪几何及速度场特性等进行研究。将数值模拟得到的结果与试验结果进行了对比,吻合较好,表明该数值模型能准确地模拟聚焦破碎波浪。

中国区域速度场多面函数拟合稀疏建模方法研究

分析多面函数建模中核函数结点选择存在的问题,探讨LASSO等变量选择及空间降维方法,在此基础上,提出多面函数拟合的稀疏建模方法和惩罚参数选取指标。该方法通过最小化正则化损失函数,实现模型参数估计与核函数结点筛选,所构建模型易于解释且具有较强的泛化能力。中国区域速度场建模结果显示,多种方案下的模型变量参数筛选保留率在19.42%~51.17%之间,外符合精度提升率达到3.29%~16.50%,表明该方法可有效降低模型结构复杂度并提高建模精度。