风浪联合作用下驳船型海上浮式风机的非线性耦合模型与TMD振动控制研究

海上浮式风机是捕获深远海风能的重要装置,是风能开发的主要研究方向之一。驳船型风机多采用二维低阶简化动力学模型和非线性最小二乘参数识别方法,建立高阶耦合动力模型能更准确地反映其动力特性。本文关注驳船型海上浮式风机的多体系统,建立风浪联合作用下的16自由度耦合动力学模型,通过数值仿真验证模型的准确性。其中,利用修正的叶素动量理论计算叶片气动荷载,利用线性势流理论计算波浪荷载,采用准静态法计算系泊张力。此外,为减小驳船型海上浮式风机的结构振动,在考虑发电机转矩控制和叶片集体变桨控制的基础上,提出将双向碰撞调谐质量阻尼器置于机舱中,并引入限位装置控制振子行程。随后,通过穷举法和遗传算法进行控制参数优化。仿真分析表明,本文所建模型可准确计算驳船型海上浮式风机的动力响应;双向碰撞调谐质量阻尼器对结构振动有较好的控制效果。

基于耦合模型的九寨沟地震滑坡危险性对比研究

以九寨沟地震极震区为研究区,基于4834处地震滑坡数据,选择坡度、坡向、起伏度、高程、发震断层距、震中距、地层岩性、河流距和道路距9个因子作为地震滑坡危险性评价因子,采用确定性系数-逻辑回归模型(CF-LR)、信息量-逻辑回归模型(I-LR)、确定性系数-随机森林模型(CF-RF)和信息量-随机森林模型(I-RF)4种耦合模型开展地震滑坡危险性评价,利用频率比和接受者操作特性曲线(ROC)对4种耦合模型精度进行对比分析。结果表明,4种耦合模型的地震滑坡危险性等级频率比值随着滑坡危险性等级的提高而明显增大,极高危险性和高危险区频率比占总频率比均超过85%,CF-LR模型、I-LR模型、CF-RF模型和I-RF模型的AUC值分别为0.877、0.879、0.903和0.905,表明4种组合模型均能准确地评价九寨沟地震滑坡危险性。将CF模型或I模型分别与LR模型及RF模型耦合,RF耦合模型比LR耦合模型精度提高了2.6%,表明RF模型在解决非线性关系的问题上更具优势,这一成果可为该地区灾害风险评价和防灾减灾规划提供参考。

基于SD-PLUS耦合模型的杭州市土地利用多情景模拟

气候变化威胁全球粮食安全并造成土地退化和荒漠化,反之土地系统问题又成为气候变化的驱动因素。为探讨在气候变化背景下如何合理配置土地资源,本研究基于2020年IPCC(政府间气候变化专门委员会)发布的共享经济路径(SSPs)与典型浓度路径(RCPs)耦合的SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5气候情景,构建并验证了综合考虑社会经济因素及气候变化因素的SDPLUS耦合模型,以2000—2020年为历史数据,模拟了2030年杭州市三种气候情景下的土地利用变化。结果表明:SD模型预测误差在5%以内,PLUS模型模拟结果Kappa系数为0.84,总体精度为0.93,SD-PLUS耦合模型能够较为精确地反映土地利用变化情况。三种情景下土地利用变化整体上呈现生态用地向耕地和建设用地转移,但仍存在差异性:SSP2-4.5和SSP5-8.5情景生态用地在临安区、富阳等中心城区周边地区转移为建设用地,SSP5-8.5情景变化最为激烈,建设用地大幅扩张了608.94 km^(2);只有SSP1-2.6情景下建设用地在各市区中心周边有序扩张,生态用地减少得到控制。SSP1-2.6情景下,保护生态用地能够有效避免建设用地无序扩张,提升土地利用效率,实现区域均衡发展。研究表明,基于气候变化背景的SD-PLUS耦合模型能够有效模拟不同气候情景下杭州市土地利用空间格局的变化趋势,研究结果可为杭州市未来经济发展与生态保护区域协同提供科学支撑。

基于SD-PLUS耦合模型的陕西省土地利用变化及碳储量多情景预测

[目的]为探讨不同土地利用方式对区域生态系统碳储量的影响。[方法]以陕西省为研究对象,利用SD-PLUS耦合模型,采用国际耦合模式比较计划第6阶段(CMIP6)提出的耦合共享社会经济路线和代表性浓度路线(SSP-RCP)情景,对2030年陕西省的土地利用变化进行预测,然后利用InVEST模型模拟未来不同情景下陕西省碳储量及其空间分布。[结果](1)对构建的SD模型进行历史检验,其误差<5%,PLUS模型模拟的2020年土地利用Kappa指数为0.86,模型精度和可靠性总体符合要求;(2)3种情景下,未来建设用地面积均增加,增长速率从低到高的情景分别为SSP126、SSP245、SSP585;在所有情景下,林地面积均增加,水域面积均保持稳定;草地面积在SSP126情景下有小幅度增加,其他情景下减少;耕地面积3种情景下均减少;(3)3种情景下,陕西省碳储量均减少,关中平原建设用地的扩张占用大量的耕地是造成陕西省碳储量下降的主要原因。[结论]在SSP126情景下,建设用地扩张所占用的生态用地面积最小,碳储量损失最少,该情景同时考虑社会经济发展及生态保护的需要,可为未来陕西省国土资源保护和高质量发展提供参考模式。

基于全新电热耦合模型的锂电池关键状态在线联合估计方法

面向电动汽车一类宽温度,大幅值、宽频率随机电流应用场景,提出一种基于全新电热耦合模型的锂电池多状态在线联合估计方法。该模型由自回归等效电路模型与单态集总热模型耦合而成,以提高模型电气动态跟随性能。电热耦合模型参数采取“先验信息初始化-在线修正”的方式确定,以避免电池一致性问题带来的误差,从而实现电热耦合关系在宽温度内的连续准确表达。基于所提出的ARST(autoregression-single state thermal model)耦合模型,该文采用双滤波算法实现锂电池多状态的在线联合估计,弥补目前电池3种及以上状态联合估计的稀缺问题。最后,在[0,50]℃,基于两个动态工况,将所提出的算法与两类基于模型的多状态联合估计算法进行比较。结果表明:ARST模型具有更好的电气跟随性能;所提出的模型参数在线辨识算法能够有效提高模型精度,从而提高多状态联合估计精度;在宽温度应用中,相较仅基于电模型的多状态联合估计算法,兼顾热状态估计的多状态联合估计算法能够有效提高电池状态的估计精度。

基于多参数耦合模型的锂离子电池充电策略在智能物流系统中的研究进展

为有效优化锂离子电池充电行为,避免智能物流系统过量消耗电力信号,针对基于多参数耦合模型的锂离子电池充电策略在智能物流系统中的应用展开研究。定义多参数耦合模型表达式,在此基础上,研究锂离子电池的充电行为,并对其进行调节,根据点电荷存储量,确定锂离子电池的最大储能水平,从而实现基于多参数耦合模型的锂离子电池充电特性分析,再以充电效率、电池安全性、智能化充电三个因素作为切入点,研究锂离子电池优化充电策略在智能物流系统中的可行性。

基于电热耦合模型的宽温域锂离子电池SOC/SOP联合估计

准确的状态估计对于锂离子电池安全可靠运行具有重要意义,但由于非线性强,多参数耦合,实现宽温域多参数联合在线估计难度较大。考虑到温度影响,建立电热耦合模型,采用扩展卡尔曼滤波算法(EKF)在线辨识电池参数,通过电压及温度仿真验证了模型的准确性;然后针对无迹卡尔曼滤波算法(UKF)历史数据利用率低的问题,引入多新息理论(MI)改进UKF,改进后的算法在非电压平台区荷电状态(SOC)估计均方根误差不超过1.2%,相较于改进前误差降低了30%以上,并结合安时积分法设计切换算法,解决了MIUKF算法在磷酸铁锂电池电压平台区无法通过电压反馈修正SOC估计误差的问题,实现了宽温域复杂工况下全区间SOC的准确估计,在不同SOC初始值条件下验证了结合算法的准确性,均方根误差不超过3%,为峰值功率(SOP)估计提供了可靠的SOC值;最后将温度约束引入到SOP估计中,提出多约束条件下的SOP估计方法,结果表明在高温条件下,温度起到关键限制作用,可以防止电池温升过大,减少安全隐患。

InfoWorks ICM-Delft 3D耦合模型在排水体系中点源污染溯源研究

城市排水的点源污染是引起黑臭水体的重要原因之一,该研究借助多元监测体系获得的水质数据,结合InfoWorks ICM-Delft 3D耦合模型及差分进化算法(DE)构建了污染溯源模型。以中山市某区域为研究对象,验证了耦合模型与DE算法对污染溯源的有效性。研究表明,连续排放污染源的位置、流量、污染物浓度的溯源精度较高,相对误差均在±0.12的范围内,并且污染溯源精度随着污染源流量增大而下降;随着污染流量增大,瞬时排放污染流量与浓度溯源的相对误差逐渐减小,模型对高流量污染事件的溯源精度较高。该模型体系的构建和应用为城市排水点源污染的溯源提供了科学指导。

考虑气体的渗流应力耦合模型在黄壁庄水库中的应用

目前建立的多孔介质耦合模型通常认为气体是不可压缩的,无法描述气体的输运过程,无法反映气体对水体入渗和固体变形的影响。为了描述多孔介质中固液气三相的渗流应力耦合过程,基于多孔介质理论和有效应力原理,提出了一种耦合了改进守恒水平集(ICLS)方法并考虑气体可压缩性的固液气三相渗流应力耦合模型。将该方法应用于黄壁庄水库坝前冒泡现象的渗流应力耦合分析中,模拟了水位骤升后,固体变形、水体入渗和气体运移过程,及其耦合效应。计算结果表明,该方法能够简单直观的描述水气两相的运移过程及渗流应力耦合过程,且模拟结果与实际观测结果基本一致。

基于熵-云耦合模型交通建设工程高质量发展评价

交通高质量发展是交通强国建设的重要内容,亟待提出交通建设工程高质量发展评价方法。为了给交通建设工程高质量发展提供有效路径与政策建议,给交通强国建设提供理论指导与科学依据,依托2011—2020年江苏省交通建设工程相关指标数据,选取评价指标,构建交通建设工程高质量发展评价指标体系,在此基础上运用熵值-云耦合方法构建评价模型测算指数并分析。结果表明,江苏省2011—2020年交通建设工程总体处于中高质量发展和高质量发展的中间阶段,且更偏向高质量发展,10年来发展形势良好,但与真正的高质量发展存在一定距离。

基于SWMM与LISFLOOD-FP耦合模型的城市街区内涝模拟研究

为了评估高度城市化建设背景下暴雨侵袭时城市街区内涝灾害的演变过程,以北京市海淀区清河流域某典型排水分区为研究对象,构建了基于SWMM与LISFLOOD-FP模型的水文水动力耦合模型。选择P20210712、P20210718和P202108233场实测降雨率定和验证模型参数,并应用于P20210703实测降雨的预测,同时选取降雨重现期分别为10、20、30、50 a的长历时(24 h)设计降雨情景进行内涝模拟分析。结果表明:3场实测降雨条件下模型的纳什效率系数分别为0.76、0.68、0.71,模型参数设置合理;P20210703实测降雨条件下,模型模拟所得淹没范围、淹没水深与实际观测情况较为吻合,耦合模型精度较高;4种不同降雨重现期的长历时设计降雨情景下,溢流节点数和溢流总量均随降雨重现期的增大而增加,淹没深度大于1.00 m的淹没面积从降雨重现期为10 a的0.024 km^(2),增大到降雨重现期为50 a的0.345 km^(2),主要集中在上地下凹桥区、安宁庄西路、安宁庄中街、安宁庄路等位置,与观测情况吻合较好。

江西丘陵山区公路地质灾害危险性评价多耦合模型对比研究

山区公路沿线地质灾害发育,影响山区城镇居民交通出行和生命财产安全。危险性评价可以综合分析地质灾害孕灾环境和致灾因子的贡献特征,对于公路防灾减灾具有重要的指导作用。以江西省S223省道竹头坑子—渠坎下段为例,基于频率比(frequency ratio,FR),耦合熵指数(entropy index,EI)、层次分析法(analytic hierarchy process,AHP)及二者组合权(EI-AHP),构建4种地质灾害危险性评价模型;针对公路沿线地质环境与地质灾害发育特征,选取自然坡度、坡向、地形起伏度、坡面形态、切坡高度、切坡坡度、地层岩性、断层与斜坡的关系等8个评价因子作为危险性评价指标,以斜坡单元作为评价单元,采用FR量化评价因子,结合AHP、EI计算评价因子的主客观权重,依托ArcGIS平台得到基于FR的多耦合模型,绘制不同评价模型的公路沿线地质灾害危险性分区图。结果表明:FR、EI-FR、AHP-FR及EI-AHP-FR 4个评价模型的AUC值分别为0.746,0.811,0.836,0.833,表明AHP-FR评价模型的预测精度最高,能有效对公路沿线地质灾害进行危险性评价;最终划分江西省S223省道竹头坑子—渠坎下段高危险区、较高危险区、中危险区、较低危险区、低危险区的面积依次为0.295,0.570,1.509,0.354,1.732 km^(2),分别占全区总面积的6.66%、12.79%、33.86%、7.97%、38.71%。研究结果可为公路的安全建设和正常运营提供科学的地质参考依据。

基于耦合模型和AHP-TOPSIS法的LID设施改造方案研究

为解决随着城市内涝问题日益严重的问题,以广州市番禺区政府周边区域为研究对象,通过SWMM和LISFLOOD-FP耦合模型对研究区进行暴雨内涝模拟,模拟LID设施在不同暴雨重现期的径流削减效果,对不同淹没特点的内涝区考虑其影响因素的权重,通过AHP-TOPSIS研究方法得出LID设施的最优布置方案对研究区进行改造。结果表明:①对“20220804”短历时暴雨进行模型验证,表明模型可以较为真实地反映研究区淹没范围及水深,有较好精度;②对耦合模型进行重现期为2、5、10、20、30 a降雨模拟,结果表明盛泰路与东兴路交叉口、钻汇广场、清河中路、大北路、富华中路、桥兴大道、光明北路,繁华路、禺山大道和光明南路所处街区,解放路、解放大街和环城西路所在街区为内涝易发生地。③在满足调蓄容积条件下,设计由生物滞留带、雨水花园、绿色屋顶构成的10种方案,考虑不同内涝区影响因素的权重,利用AHP-TOPSIS法对10个LID设施布置方案的综合效益进行分析,最终得出不同淹没特点内涝区的最优LID设施改造方案。

宁夏六盘山北部华北落叶松林树高与胸径生长的多因子响应耦合模型构建

【目的】分析宁夏六盘山半干旱区叠叠沟小流域华北落叶松人工林林龄、密度和主要立地因子对树高和胸径生长的影响,建立树木生长的多因子响应耦合模型,为该地区华北落叶松人工林生长预测和可持续经营提供理论依据。【方法】2018和2019年,在六盘山半干旱区叠叠沟小流域分别选择42和57块华北落叶松人工林样地,调查树高、胸径、林龄、密度等林分结构特征以及坡向、土壤厚度等立地因子,并收集2003—2017年在叠叠沟小流域调查的93块样地历史数据。基于192块样地数据,分析树高和胸径对林龄、密度、坡向、土壤厚度等因子的响应规律,利用2/3和1/3的数据建立和验证树高与胸径生长的多因子响应耦合模型。【结果】树高和胸径对林龄、密度、坡向、土壤厚度的响应规律各异;树高和胸径随林龄增加先快速增加,后在林龄超过20年时缓慢增加;树高和胸径随密度增加先表现为稳定,后在密度分别超过2000、1500株·hm^(-2)时缓慢下降,在密度超过3000、2300株·hm^(-2)时加快下降;树高和胸径随坡向偏离正北方向的角度增加先表现为稳定,后在坡向超过80°时迅速降低;树高和胸径随土壤厚度增加先表现为增加,后在土壤厚度分别超过90、80 cm渐趋稳定。基于连乘耦合、立地指数和立地因子3种林木生长模型表达式,建立树高和胸径响应林龄、密度、坡向、土壤厚度和立地指数的耦合模型并拟合模型参数;树高模型的确定系数分别为0.804、0.902、0.806,NS系数分别为0.793、0.903、0.762;胸径模型的确定系数分别为0.846、0.803、0.834,NS系数分别为0.837、0.840、0.818;3种模型拟合效果均较好。【结论】宁夏六盘山半干旱区华北落叶松人工林树高和胸径生长随林龄、密度、坡向、土壤厚度增加分别表现为先快后慢增加、先稳定后下降、先稳定后降低、先升高后稳定,建立的连乘耦合、立地指数和立地因子多因子耦合模型精度均较高,但鉴于研究区尚未确定立地指数分布规律并综合考虑各模型精度、应用难度、结构复杂程度差异,建议采用多因子连乘耦合模型预测华北落叶松人工林树高和胸径生长。

基于陆气耦合模型的浙江省区域干旱过程预报分析

干旱及其准确预报一直是水文气象领域研究的重难点问题。为探索准确可行的干旱预报方法,基于VIC模型与欧洲中期数值天气预报中心(ECMWF)预报气象数据建立的陆气耦合干旱预报模型,计算监测与预报土壤含水量,分析土壤含水量距平指数(SMAPI)的时空分布特征,在此基础上评估耦合模型对浙江省干旱的预报能力。结果表明:①从预见期来看,0~11 d预见期的SMAPI预报值与监测值在绝对误差、RMSE和R值上表现较好,即模型在旬尺度上预报效果最佳;②该模型的旬尺度预报可以在时间变化过程上准确把握未来干旱的发展趋势,在空间预报上与监测的SMAPI值网格分布一致性可达90%以上;③模型对浙江省西北少雨平原区预报性能更佳,且对土壤含水量变化较剧烈地区的旱情预报趋势描述更好。研究成果可为浙江省干旱灾害防范预警提供科技支撑。

模态转换对变循环发动机多维度耦合模型性能影响研究

为研究模态转换过程中模态选择阀(Mode Select Valve,MSV)与发动机总体之间的耦合作用,以典型的双涵道变循环发动机(Variable Cycle Engine,VCE)作为研究对象,首先通过三维MSV模型的数值仿真,建立具有通用性的MSV高保真度特性图;随后在基于部件的发动机零维整机气动性能计算程序的基础上,将该高保真度特性图耦合进入发动机性能计算程序,建立了多维度耦合模型,研究模态转换过程中MSV对总体性能以及部件的耦合影响;并对比了多维度耦合模型和零维模型的计算结果。结果表明:相比零维模型,多维度耦合模型的推力最大时高出3.98%,单位推力耗油率高出0.79%;风扇压比最大时高出9.86%,风扇效率高出0.75%。这种差异的原因在于多维度耦合模型正确地评估了MSV在非线性工作段的节流损失,该损失向后传递并影响到前可变面积涵道引射器(Front Variable Area Bypass Injector,FVABI)的掺混总压损失,依靠参与求解共同工作方程组显著地减少了外涵的流量,使得涵道比迅速减小,在发动机部件共同工作规律的约束和影响下,引起发动机低压涡轮落压比增加和低压轴转速增加,发动机性能参数也随之发生变化。因此相较于零维模形,多维度耦合模型能够真实地反映出模态转换时MSV对VCE性能参数以及其他部件的影响。

MHCC耦合模型下的180 t转炉高废钢比冶炼工艺

根据半经验公式,将物料平衡、热平衡、碳排放和成本效益进行有机结合,开发了一种广义的质量(mass)-热量(heat)-碳排放(C)-成本(cost)耦合模型(简称MHCC耦合模型).利用MHCC耦合模型,结合某钢厂180 t转炉的原料成分、钢铁料结构、出钢温度和钢液成分等信息,建立了质能平衡方程.应用建立的转炉吹炼过程输入、输出关系,探究了转炉高废钢比冶炼对熔剂消耗、热量平衡、碳排放以及成本效益4个方面的影响.结果表明:随着废钢比r(即废钢与铁水之比)的增加,熔池中硅和碳的质量分数下降,转炉达到目标终点磷含量(质量分数)消耗的熔剂量和氧气量相应减少;当r从0.21增加到0.40时,熔池中硅的质量分数从0.6%降低到0.4%,碳的质量分数从3.6%降低到3.1%;当转炉终点钢水中磷的质量分数为0.01%时,熔剂消耗量从50.18 kg/t降低到39.92 kg/t,氧气消耗量从42.87 m^(3)/t降低到40.66 m^(3)/t(标准状态下,下同);转炉过程中碳的排放量和吨钢生产成本均下降,当r从0.16增加到0.40时,气化的碳的排放量从44.9 kg/t降低至38 kg/t,降低了约15.37%,同时炼钢成本降低了100.71元/t.

基于刚柔耦合模型的某车载高炮火控诸元修正方法研究

针对车载高炮射击时车体姿态对射击精度的影响问题,提出了一种基于刚柔耦合模型修正火炮射击诸元的方法。以某车载高炮为研究对象,通过建立其刚柔耦合模型对车体姿态进行预测,火控系统将获取的射击方向上的车体姿态响应实时分解到沿车头方向和垂直于车头方向,经过纵、横倾及车向反变换后由载车不稳定坐标系转换为载车地理系下,再经滤波与解相遇问题求解得到地理系下的目标诸元,随后将地理系下的目标诸元通过纵、横倾及车向变换后得到载车不稳定系下的火炮射击诸元,从而将修正后的瞄准诸元提供给火炮。为验证修正方法的可行性与适用性,以另一型车载炮为对象进行了试验验证,试验结果表明:经诸元修正后的火炮射击精度得到明显改善,火炮射击初期高低和方位弹丸脱靶量均值分别减小了53.1%和41.3%,修正效果显著,研究可为车载高炮火控射击诸元修正提供一种新思路。

基于机-土耦合模型的铁路路基连续压实质量控制方法

连续压实技术可有效保障路基压实质量,但由于连续压实检测方法和常规检测方法的检测范围相差较大,导致现场试验结果离散性较大,限制了连续压实技术的进一步推广。为建立连续压实检测结果与路基物理力学性质的关系,建立了考虑压路机行驶的机-土耦合模型,并提出了模型参数确定方法。分析了土体剪切模量对振动轮加速度时频域特性、机-土相互作用力以及连续压实质量控制指标的影响,并与路基碾压足尺模型试验结果进行对比。结果表明,模型能够准确反映机-土系统的动力特性。基于机-土耦合模型,提出了一种铁路路基连续压实质量控制方法,实现了根据铁路路基设计参数直接确定连续压实质量控制指标的合格值,为铁路路基连续压实质量控制提供了理论依据和新的实现方法。

基于逻辑回归和支持向量机耦合模型的滑坡易发性分析

滑坡灾害的发生具有累进性,进行滑坡易发性评价是防灾减灾的前提。以四川省旺苍县为例,使用频率比法判断12个滑坡影响因子的各分级区间滑坡敏感性,经波段集统计确定11个滑坡影响因子作为滑坡易发性评价因子,通过建立逻辑回归-支持向量机(logistic regression-support vector machine,LR-SVM)耦合模型,搭建滑坡易发性评价体系,完成旺苍县滑坡易发性评价并进行模型精度比较。研究结果表明:逻辑回归-支持向量机耦合模型的评价指标结果均优于逻辑回归模型,易发性分区结果更合理,预测精度更高;在低易发区选取非滑坡点为提高滑坡易发性评价性能作用明显;研究区内道路、高程和NDVI对滑坡发育的敏感性较强;高易发区主要分布于低海拔的水系和道路两侧。