人类世生物地球化学循环及其科学

地球已进入新的地质时代——“人类世”,人类已成为全球变化的主要驱动力。人类活动导致的地球生态系统的生物地球化学过程及关键生源要素的生物地球化学循环的改变直接或间接地影响着地球生态系统的关键功能,给人类福祉和可持续发展带来诸多威胁。本文基于地球系统科学研究的新进展,综述了人类世全球变化特征、生物地球化学循环在地球系统各圈层演化中的作用及其变化规律。特别关注了自然资源开发利用、生产和消费模式改变等人类活动对生物地球化学循环的影响,以及由此产生的气候、生态和环境效应。研究表明,应对人类世全球变化需要系统理解人类活动作为主要驱动力的多要素和多尺度生物地球化学循环过程及其生态和环境效应,基于地球系统科学的理论与方法开展针对人类世社会-生态系统的自然科学和社会科学的交叉融合研究。在文末提出了人类世生物地球化学研究的优先领域和方向,并强调解决受人类活动和气候变化高度影响下人类世生物地球化学循环的各种复杂科学问题的迫切性和重要性。

仿生平面三角形单元积分声场的波函数构造

波叠加法在求解声源外部辐射声场时,需要对所有离散单元进行数值积分计算导致计算效率较低,而等效源法由于过度简化单元始终存在较大的积分近似误差.针对以上缺陷,利用Helmholtz方程在球坐标系下的解构造了一种与单元积分等效且无需积分的波函数.受仿生复合材料三角形缝合结构启发,以适用范围最广的平面三角形单元为例,构造了波函数的一般形式和内推形式.最后,通过数值仿真对比了两种波函数与直接积分的计算声场的精度和效率.结果表明,两种波函数与直接积分的计算误差低于0.5%,且内推波函数的计算效率约为直接积分的6倍.

大展弦比板弯扭耦合受迫振动分析

对于工程广泛存在的大展弦比结构,首次研究了大展弦比板弯扭耦合受迫振动响应.考虑弦向相对弯曲刚度远大于展向弯曲刚度,将弦向截面等效为刚体,考虑其绕展向轴线的扭转,应用Hamilton原理分别计算大展弦比板的势能与动能,建立两端简支的大展弦比板弯扭耦合受迫振动的动力学控制方程.将动力学控制方程进行Galerkin截断后,通过谐波平衡法和微分求积法/微分求积单元法,计算得到了大展弦比模型弯扭耦合受迫振动稳态响应的解析解及数值解,同时验证了解的截断收敛性及谐波收敛性.最后研究了外激励幅值对结构受迫振动响应的影响.结果将为工程中广泛存在的大展弦比结构设计提供指导.

基于路径积分法的输液管道随机动态响应分析

随机激励下的输液管道在工程上广泛存在,对其进行研究具有十分重要的意义.为了预测高斯白噪声激励下输液管道系统的随机动态响应,基于哈密顿原理建立了高斯白噪声激励下非线性输液管道的动力学模型.采用Galerkin截断方法对输液管道的控制方程进行离散化.采用基于Gauss-Legendre公式的路径积分法计算了输液管道随机振动响应的位移概率密度函数和速度概率密度函数.采用Monte Carlo方法与路径积分法得到的计算结果进行对比,验证了路径积分法在计算输液管道振动响应上具有较高的计算精度.研究了流速、激励强度和阻尼系数对输液管道位移概率密度函数和速度概率密度函数的影响,并确定了输液管道位移概率密度函数出现双峰时的临界流速.结果表明,采用路径积分法计算输液管道系统的动态响应是有效的.流速增大会使系统可能发生的最大位移变大,可能发生的最大速度不变;激励强度增大会使系统可能发生的最大位移和最大速度变大;阻尼系数增大会使系统可能发生的最大位移和最大速度变小.此外,研究发现流速增大是诱导输液管道发生随机分岔的因素之一.

基于MRI影像组学模型鉴别鼻腔鼻窦内翻乳头状瘤与息肉

目的探讨基于磁共振T2WI及增强T1WI影像组学模型在鉴别鼻腔鼻窦内翻乳头状瘤与息肉的应用价值。方法搜集病理证实且具有完整T2WI及增强T1WI图像的内翻乳头状瘤(NIP)病例54例,单侧鼻息肉(NP)病例51例。采用ITK-Snap勾画病灶的所有层面。采用pyradiomics提取影像组学特征,首先使用最小冗余最大相关(mRMR)进行特征提取,进一步使用rfe-SVM特征消除,去掉最小得分的特征,建立预测模型。使用ROC曲线敏感性和特异性评价模型的性能,并在验证集中验证。结果总共提取影像组学特征1133个,经mRMR降维后筛选保留30个特征用于建立预测模型。T1WI增强预测模型的AUC值为:训练集0.98,验证集0.95,训练集的敏感度和特异度分别为89.7%和100%,验证集的敏感度和特异度分别为93.8%和93.3%。T2WI预测模型的AUC值为:训练集0.95,验证集0.91,训练集的敏感度和特异度分别为82.1%和95.6%,验证集的敏感度和特异度分别为93.8%和84.2%。结论基于磁共振影像组学T1WI增强预测模型及T2WI预测模型对鉴别鼻腔鼻窦内翻乳头状瘤及息肉有一定的价值。

抗精神病药联合重复经颅磁刺激对首发精神分裂症患者临床疗效

目的:探讨抗精神病药联合重复经颅磁刺激对首发精神分裂症患者临床疗效及其卫生经济学效益分析。方法:选择首发精神分裂症患者85例为研究对象,随机分为观察组40例和对照组45例。两组患者均采用抗精神病药治疗,观察组联合重复经颅磁刺激治疗。比较两组患者阳性与阴性症状量表(PANSS)评分、疗效、生活质量量表(SQLS-R4)评分,评价该方案的卫生经济学效益。结果:观察组患者治疗后PANSS中阳性症状、阴性症状及一般精神病理评分均明显低于对照组(t=4.119,t=2.286,t=3.231;P均<0.05);观察组治疗总有效率明显高于对照组,随访期内PANSS总评分及复发率明显低于对照组(P<0.05);观察组SQLS-R4生活质量评分明显高于对照组(P<0.05);观察组劳动价值明显高于对照组,成本支出明显低于对照组(P<0.05);观察组效益-成本比明显高于对照组(P<0.05)。结论:对首发精神分裂症患者采用抗精神病药联合重复经颅磁刺激治疗,可提高临床治疗效果,让患者获得更佳的卫生经济学效益。

二阶主共振下旋转叶片振动抑制器稳定性研究

旋转叶片作为燃气轮机的核心部件,在高温高压的环境中工作,通常由于振动过量而失效。主动控制有着附加质量小、控制频带宽等优点,适合旋转叶片的工作环境和结构。因此,近年来针对旋转叶片主动控制的研究逐渐受到国内外学者的重视。该研究探讨内共振条件下具有时间延迟的旋转叶片的振动控制器稳定性。压电纤维复合材料是一种新型的压电智能材料,在航天、航空等领域有着广泛的应用。利用压电纤维复合材料传感器和作动器,研究旋转叶片1∶2内共振时二阶主共振条件下的主动控制,建立了受控系统的运动微分方程,采用多尺度法推导出受控叶片的演化方程,推导出稳态时前两阶模态稳态响应的解析解。研究了参数变化对响应的影响规律和对系统稳定性的影响。随后对原系统进行数值积分对解析解进行了验证。结果为旋转叶片动力学行为的研究提供了理论基础。

双通道旋转输流管临界流速和振动模态分析

旋转叶片是航空发动机重要零件之一,服役条件十分恶劣,常常因振动过量导致其失效.为了合理设计含冷却通道的叶片,保证其可靠性与安全性,需对含冷却通道的叶片的振动特性进行研究.基于EulerBernoulli梁理论,将叶片简化为含两通道的悬臂旋转输流管,考虑了通道轴线偏移量对流体动能的影响,采用Lagrange原理结合假设模态法建立包含双陀螺效应的运动控制方程,采用降阶扩维的方法求解系统特征值.研究两通道模型的流速比、转速和长细比等对前3阶特征根曲线影响.将文章模型退化为简支单通道输流管,与文献报道结果进行对比,部分验证建模方法的正确性.研究发现:在相同的管道截面积下,两通道模型的临界流速值大于单通道模型的;旋转运动引入的陀螺效应会使得第2,3阶特征根轨迹发生绕圈现象,并多次穿越虚轴;随着长细比的增大,系统会表现出类似非旋转的悬臂输流管的动力学行为;系统的横向位移模态响应呈现出行波特性,且在不同参数组合下,阻尼因子对前3阶模态产生不同的增强或减弱作用.

甲烷团簇同位素研究进展及其在表层地球系统碳循环研究中的应用

团簇同位素是当今地球化学研究的前沿领域。有关团簇同位素技术原理、指示意义、模型校正等方面研究已取得初步成果,而在表层地球系统研究领域以及地理、环境和生态等领域的综合应用研究工作亟待加强。在表层地球系统中,碳循环过程涉及广泛且影响深远,而甲烷(CH_(4))作为碳循环中关键环节的重要物质组成,揭示其来源及地球化学过程具有重大意义。甲烷团簇同位素技术的引入将为开展相关研究提供有效工具,该技术在揭示时间-空间不同尺度碳循环研究等领域具有广阔的应用前景。本文综述了团簇同位素的理论基础、测试分析现状及国内外主要研究成果。重点讨论了CH_(4)团簇同位素研究现状、理论模型和同位素不平衡的影响因素,并论述了团簇同位素在天然气、大气和水体CH_(4)成因和转化的应用典型案例。最后提出对开展不同实验室间测试结果对比、测定自然丰度下环境样品、探索准平衡过程的展望,以期对未来应用甲烷及其他物质,如二氧化碳的团簇同位素开展表层地球系统碳循环研究起到一定的借鉴作用。

单层缓冲区多层网格的格子Boltzmann方法

针对多层网格格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM),发展了一种无需时间插值的、基于单层缓冲区的粗细网格信息传递优化算法.该算法利用四叉树结构,构建不同层级格点之间的父子关系,简化了粗细网格交界面上的分布函数转换,可以充分发挥LBM的局部性与并行性.基于该算法开发了一套通用的多层网格LBM并行程序,对顶盖驱动方腔流、点声源扩散、NACA0012翼型绕流问题进行了数值计算,计算结果验证了该算法和程序的有效性及其良好的加速比、效率和可扩展性等并行性能.与标准LBM相比,本文基于单层缓冲区的多层网格LBM在计算稳定性、收敛速度和计算效率等方面具有明显优势.

基于Kriging模型的航空发动机管道系统有限元模型修正

为获得精确可靠的航空发动机外部管道结构动力学模型,采用将Kriging模型与多目标遗传算法(MOGA)相结合的模型修正方法进行有限元模型修正.首先进行管道模型的模态试验和有限元建模,分别获得模态参数的试验值和有限元分析值;然后在合理的参数选取和试验设计(DOE)的基础上,拟合得到Kriging模型;最后基于Kriging模型采用多目标遗传算法进行有限元模型修正,并对比了不同修正方法的精度和修正效果.结果表明:采用Kriging模型进行有限元模型修正可以有效提升修正效果,获得更为准确的有限元模型;对于航空发动机管道系统,基于Kriging模型的模型修正方法相较于基于灵敏度分析的模型修正方法具有更高的修正效率和修正精度.

热环境中超临界黏弹性输流管道自由振动分析

基于Euler-Bernoulli梁模型,本文研究了热环境中输流管道在超临界范围内流固耦合自由振动特性.考虑温度增量以及初始轴向拉力作用,在两端简支边界条件下,利用广义Hamilton原理建立输流管道横向振动偏微分-积分控制方程.通过解析方法得到输流管道非平凡静平衡位形及临界流速精确表达式,与微分求积单元法(DQEM)数值结果吻合较好.基于复模态法,结合伽辽金(Galerkin)法离散系统偏微分-积分控制方程,得到热环境下超临界输流管道的模态函数和固有频率.结果表明,温度增量越大,临界流速越小,此时的管道越容易屈曲,但相同流速下超临界管道固有频率越大;初始拉力越大,临界流速越大,相同流速下超临界固有频率越小.该研究可以为热环境中超临界状态下的管道系统振动设计提供理论指导.

大型柔性航天器动力学与振动控制研究进展

随着航天重大工程的逐步实施,航天器正朝着超高速、超大尺度、多功能的方向发展,其面临的发射和运行环境也更加恶劣.航天器发射过程中的振动及其主/被动控制、在轨运行中大型柔性航天器动力学建模与动态响应分析、结构振动与飞行器姿态的混合控制等问题越来越复杂且难于处理;航天器结构的大型化和柔性化(如大阵面天线和太阳翼等)也对其地面试验和半实物仿真提出了挑战.本文着重介绍大型柔性航天器涉及到的动力学与振动控制问题,包括航天器发射过程中的整星隔振,大型柔性结构动力学建模与振动响应分析,大型柔性航天器的结构振动与姿轨控耦合动力学及其混合控制等.提炼出航天动力学与控制领域中亟待解决的若干基础科学问题,包括:多刚柔体系统动力学建模与模型降阶(涉及大变形柔性体动力学建模、多求解器合作仿真、模型降阶、组合结构动力学建模的解析方法等);复杂结构状态空间模型构建方法与能控性(涉及状态空间模型构建的理论与实验方法、复杂结构振动控制系统的能观性与能控性等);航天器姿态运动与大型柔性结构振动的混合控制律设计(涉及姿态机动与结构振动的鲁棒混合控制、执行机构与压电控制器的协同控制等).

三稳态能量收集系统的同宿分岔及混沌动力学分析

通过考虑动力系统平衡点的变化,构建了三稳态能量收集装置,分析了系统的同宿分岔和混沌等非线性动力学行为,全面研究了势能函数形状对压电能量收集系统响应的影响规律.建立了三稳态能量收集系统的集中参数模型,基于Padé逼近方法得到了同宿轨道解析形式的表达式.根据Melnikov理论发展了能量收集系统同宿分岔以及混沌动力学的定性研究方法,得到了发生同宿分岔的阈值曲线.利用分岔图、最大Lyapunov指数和相平面图等数值方法验证解析结果,当激励幅值超过Melnikov临界阈值时,系统由阱内运动演变为大幅阱间振动.结果表明,调整对称的稳定平衡位置至非对称情形将导致三稳态能量收集系统非线性动力学行为的变化,不仅使系统在低激励强度下实现大幅阱间跳跃,还抑制了混沌响应产生,相关结果为实现优化能量输出效率提供了一定的理论参考.

2:1内共振条件下变转速预变形叶片的非线性动力学响应

在工程实际中,涡轮机叶片的转速在很多应用场景下不是一个定常值,比如发动机在启动、变速、停机等工况下,转子输入与输出功率失衡,伴随产生扭振,产生速度脉冲.另外,由于服役环境、安装误差等因素会引起叶片在所难免的预变形.本文主要研究预变形叶片,在变转速条件下的非线性动力学行为.考虑叶片转速由一定常转速和一简谐变化的微小扰动叠加而成.应用拉格朗日原理得到变转速叶片的动力学控制方程,并采用假设模态法将偏微分方程转为常微分方程,通过引入无量纲,使方程更具有一般性.运用多尺度方法求解了该参激振动系统,得到了在2:1内共振情形下的平均方程,进而获得系统的稳态响应.详细研究温度梯度、阻尼以及转速扰动幅值等系统参数对叶片动力学响应的影响规律,同时考察了立方项在2:1内共振下对方程的影响.对原动力方程进行正向、反向扫频积分来观察其跳跃现象,并对解析解进行验证.结果发现参数的变化对叶片均有不同程度影响,在2:1内共振下立方项对系统响应的影响很小,解析解与数值解吻合很好.

带有非对称势能阱特性的双稳态能量采集系统混沌动力学分析

针对带有非对称势能阱的双稳态能量采集系统开展混沌动力学研究。建立考虑重力因素影响的能量采集系统非线性动力学模型。针对动力学方程的非对称势能阱开展分析,得到同宿轨道的解析表达形式。通过Melnikov方法获得发生同宿分岔的阈值,并使用数值方法验证。结果表明当激励强度低于Melnikov理论预测的临界阈值时,响应限制在单个非对称的势能阱当中;当激励强度大于Melnikov理论预测的临界阈值时,同宿分岔将会引发双阱运动。重力参数和阻尼显著影响同宿分岔的阈值曲线,考虑重力参数影响所得到的阈值明显高于对称双阱能量采集系统的阈值。增加重力参数会抑制混沌响应的产生,导致系统从混沌-周期响应共存逐渐演化为周期-周期响应共存。此研究结果将拓展非线性动力学的研究范畴,为实现混沌响应的调控提供一种策略。

流致振动能量收集的钝头体几何设计研究

流致振动蕴含着可观的能量,通过能量收集技术可将其转化为电能.为提高低速流场中能量转化效率,本文实验研究了不同截面下钝头体以及它们的宽厚比(W/T)对流致振动能量收集特性的影响,并通过计算流体动力学(computational fluid dynamic, CFD)仿真分析了尾流特性.流致振动能量收集装置由压电悬臂梁和不同截面的钝头体构成.首先搭建了流致振动能量收集风洞实验平台,钝头体的截面分别设置为矩形、三角形和D形,宽厚比分别设定为1, 1.3, 1.8和2.5.然后利用实验方法分析不同形状钝头体的宽厚比(W/T)对位移响应和电压响应的影响规律.最后通过计算流体动力学模拟揭示实验结果的内在力学机理.实验结果表明,当钝头体截面为矩形时,增大宽厚比可以显著提高电压输出峰值;当钝头体为三角形和D形时,增加宽厚比将使系统呈现"驰振"→"驰振+涡激振动"→"涡激振动"响应特性变化趋势,提高了低风速时的能量收集效果. CFD结果解释了实验现象,即随着宽厚比增加,钝头体尾流会产生更加强劲的涡街,显著提高流致振动能量收集效果.相关结果可优化流致振动能量收集装置结构,为提高低速流场的能量收集效果提供理论和实验依据.

多频激励下添加线性振子磁悬浮能量采集系统建模及其输出功率影响参数分析

研究了通过添加线性振子的磁悬浮非线性能量器采集系统在多频激励下的非线性动力学。通过结合运用谐波平衡法和弧长延伸法,近似解析分析能量采集系统在多频激励下中间磁铁的平均功率辐频响应。并通过直接数值方法验证解析结果。研究结果表明,这种磁悬浮能量采集器在质量比增大时,中间磁铁的平均功率幅频响应的共振峰由两个变为四个共振峰,振幅变小,但共振峰的带宽变宽。另外,通过系统参数分析发现,调节系统参数阻尼比和耦合系数,可以优化共振峰的强度和带宽的宽度,以达到增强振动能量采集效果的目的。

“课程思政”视域下数字高程模型与地形分析课程建设的探索与实践

课程思政是实现“三全育人”战略目标的关键举措,是落实“立德树人”根本任务的重要手段,也是推动思想政治教育改革的有效途径。《数字高程模型与地形分析》是地理信息科学专业的一门兼具理论和实践的高阶课程,对学生专业知识能力的培养起着至关重要的作用。本文在“大思政”格局下,以“课堂教学为基础,科学研究为引领,学科竞赛为引擎”的教学思想为指引,充分利用有限的学时,深入发掘课程中的思政教学要点,围绕教学目标、教学内容、教学方法、学习成效、教学反思等方面,与“课程思政”育人元素进行有机融合,为地理信息科学相关领域课程建设提供参考和借鉴。

弹性结构横向弯曲振动传递率

振动的传递是振动理论的重要组成部分。在振动力学的教材中,对于离散结构的积极隔振和消极隔振,振动的传递率已有明确的定义。由于弹性结构的振动不止通过一个点传递,尚需讨论如何定义传递率。通过两端弹性支撑梁,定义了弹性结构横向弯曲振动的各支撑端点的振动传递表达式,及支撑点合力的振动传递率表达式。结果显示三种传递率可能存在较大的差别。建议将这一基本振动理论问题收录于教材,并早日进人本科生和研究生的教学课堂。