电推进粒子网格法模拟中计算加速方法的研究综述

粒子网格法(PIC)模拟电推进装置等离子体时具有很强的第一性,但是模拟过程中计算负载很大,故PIC模拟的计算加速方法不可或缺。本文从电推进装置基本性质、低温等离子体物理特性和PIC算法特点作为切入点,明确了PIC方法在电推进装置模拟过程中计算负载高的原因;结合国内外的研究现状,从建模、时空尺度、算法与并行三个层面介绍了对应计算加速方法的原理和效果;对各类计算加速方法进行了总结和展望。

CW-MFC系统启动过程中溶解有机物的荧光光谱解析

为判断CW-MFC反应器运行状态提供一种简单且快速的监测方法,利用三维荧光光谱法研究人工湿地-微生物燃料电池耦合系统(CW-MFC)启动过程中溶解性有机物(DOM)的光谱特征。结果显示CW-MFC反应器启动阶段的循环进水周期内类蛋白质峰荧光逐渐变弱,说明反应器内部微生物有较好的活性,而类腐殖质和类富里酸峰荧光呈现逐渐增强的趋势。同时,随着驯化时间的推移,在连续流进水周期内系统的输出电压基本维持在300 mV左右,COD、NH_(4)^(+)-N、TP的平均去除率也逐渐趋于稳定,分别为82.66%±4.47%、73.52%±6.95%和55.42%±8.59%。并通过比较反应器的出水中DOM组分荧光强度得分值,发现从启动到稳定运行的过程中反应器内部微生物的活性和代谢逐渐稳定,说明利用三维荧光光谱技术判断反应器是否运行稳定具有可行性。

单相无桥功率因数校正变换器拓扑族推演回顾与性能分类总结

随着多种节能标准与低碳政策的实施,单相无桥功率因数校正(power factor correction,PFC)拓扑受到更多关注。目前,虽然多种无桥拓扑已被提出并被应用于不同应用场合,但尚未有文献系统地概述这类无桥PFC拓扑结构特点并开展拓扑性能分析。该文通过将双变换单元进行输入并联输出并联(input-parallel output-parallel,IPOP)、输入并联输出串联(input-parallel output-series,IPOS),提出无桥拓扑族系统推演方法以及无桥拓扑IPOP与IPOS的分类。同时,以6种变换单元为例,推演28种无桥拓扑并作相关拓扑概述,说明无桥拓扑族系统推演方法的普适性。其次,通过对称性与对偶性,进一步简化无桥拓扑族的器件数量。然后,筛选出12种主要无桥拓扑与传统有桥拓扑比较,并分别介绍12种无桥拓扑性能特点。最后,基于性能对比结果,归纳IPOS与IPOP两类拓扑的优缺点与适用场景。

虚拟单元内外运输能力受限的异质并行机调度研究

针对以往虚拟单元调度相关研究忽略了单元内外运输能力的限制、空载运输时间,以及对并行机的异质性考虑不够充分等问题,本研究以最大完工时间最小和总运输时间最短为目标,构建了虚拟单元运输组织与异质并行机调度联合决策模型,并提出了改进的NSGA-Ⅱ算法对模型进行求解。所提算法将粒子群算法与NSGA-Ⅱ的交叉、变异过程相融合,提高了算法的收敛速度。并将模拟退火算法的进化机制应用于NSGA-Ⅱ的变异过程,避免了NSGA-Ⅱ容易陷入局部最优的问题。通过小、中、大规模算例的仿真实验发现,所提算法与标准的NSGA-Ⅱ相比,算法的鲁棒性、收敛性和解集的质量、多样性等方面表现出较高的优势。

高通量平行发酵技术的发展与应用

21世纪初,为解决生物医药过程工程研究所面临的微生物和哺乳动物细胞培养的实验通量、研发效率与成本方面的问题,更重要的是质量源于设计(QbD)导向的生物过程工程实验设计(DoE)的迫切需要,基于微、小型生物反应器的平行发酵(细胞培养)技术与产品得到了广泛应用。近年来微生物代谢工程与合成生物学的飞速发展,对高性能菌种库的高通量筛选与菌种表型过程表现的早期评价提出了更高实验通量的需求,这进一步拓展了不同培养体积的平行发酵培养装置在工业生物技术领域的应用。时至今日,可模拟工业培养条件并实施过程参数准确控制的微小型反应器的多联罐平行发酵装置、系统操作软件和数据处理的集成系统已成为生物过程工程研发的强大工具,它在生物医药创新、代谢工程和合成生物学等基础研究成果向工业化技术转化中起到重要的支撑作用。特别是在合成生物学领域中,基于“工业相似性”原则的平行发酵技术,可以解决培养板或摇瓶高通量菌种筛选无法表征克隆表型、在规模化培养中的表现受培养过程参数显著影响的痛点问题,实现过程工程导向的高通量、高效率的菌种筛选与评价。本文对高通量平行发酵与细胞培养技术的发展近况与其在合成生物学研究中的应用场景做了介绍,其中主要总结了平行发酵培养技术在高通量菌种筛选评价“三段论”中的价值、平行发酵培养如何支持菌种筛选的工业相似性原则的实施、平行发酵培养结合DoE实验策略实施高效的生物过程工程开发、使用平行发酵培养建立过程多变元批次模型的方法,以及平行发酵培养与建立生物培养过程缩小模型的关系等。

局部阴影遮挡下大尺寸光伏组件的输出特性研究

以太阳电池尺寸为210 mm×105 mm、电路结构为并串结构的大尺寸光伏组件为例,首先分析单片太阳电池不同阴影遮挡比例时的情况,然后分析光伏组件6种不同阴影遮挡比例和18种典型阴影遮挡位置和形状对大尺寸光伏组件输出特性的影响。结果表明:随着单片太阳电池阴影遮挡比例不断增大,二极管始终未导通,但光伏组件的最大功率逐渐降低,最后降至初始功率的2/3;阴影遮挡比例对采用并串电路结构的大尺寸光伏组件的I-V特性的影响是非线性的。对于整块光伏组件而言,阴影遮挡比例越大,光伏组件的最大功率越小;在同一阴影遮挡比例下,集中阴影遮挡对光伏组件最大功率损失的影响更大。

基于凹点搜寻的重叠细胞图像自动分离的算法研究

提出了一种重叠细胞图像自动分离的新算法。根据重叠细胞的凹凸性,从细胞重叠区域的凹区域中寻找到凹点,根据凹点数与细胞个数的关系,判断是细胞串联还是细胞并联:如果是串联的情况,则直接将成对的凹点连成直线分离重叠区域;如果是并联的情况,则将凹点与重叠区域的中心连接成直线分离重叠区域。该算法在Matlab环境下对重叠细胞图像进行了自动分离,实验结果表明该算法实现简单,效果理想,且能基本保持原细胞的大小和形状。

基于并行协同的多车间协同调度问题研究

传统企业在实际生产中,其多个关联车间之间的生产计划与调度存在难以协作的问题。为此,针对多车间协同调度问题建立了调度模型,提出了一种多车间协同调度的并行协同进化遗传算法(PCE-GA),并且采用该算法对上述模型进行了求解。首先,以最小化订单完工时间为目标,建立了单目标调度模型;然后,采用了并行协同进化遗传算法,对上述单目标调度模型进行了求解,基于工件、机器、装配关系的三层整数编码的染色体编码方案,提出了一种协同适应度值计算的方法;最后,以某液压缸生产企业为例,针对单目标调度问题,采用该算法与单车间遗传算法(JSP-GA)、并行协同模拟退火算法(PCE-SA)分别进行了求解,并对其结果进行了比较,以验证PCE-GA算法的优越性。研究结果表明:采用PCE-GA算法得到的优化率为13.3%,比单车间作业调度遗传算法求解的数据优化11.5%,该结果证明了PCE-GA算法在解决多车间协同优化问题时的优越性。

应用计算机和体外模型对系列化合物透膜性质进行早期快速评价结果的比较分析

目的:分别应用评价化合物透膜吸收性质的计算机及体外模型对系列化合物进行评筛,比较几种模型方法的相关性。方法:以军事医学科学院毒物药物研究所设计合成的晚期糖基化终产物(advancedglycosylation end products,AGEs)裂解剂系列化合物为研究对象,分别利用计算机、人工膜(the Parallel Arti-ficial Membrane Permeation Assay,PAMPA)及Caco-2 cell模型进行评价,并对3种模型的评价结果进行比较。结果:VolSurf软件模型库虚拟筛选结果与Caco-2细胞进行体外筛选结果的相关系数(r2)为0.549 2,VolSurf虚拟预测与PAMPA体外筛选相关性为0.753 1,PAMPA体外筛选结果与Caco-2细胞体外筛选结果的相关系数为0.685 7。结论:由于计算机及体外模型的方法各有优势及不足,在药物研发的不同阶段应用不同的模型进行筛选评价是完全必要且可行的。

一种改进的层次化SOCs并行测试封装扫描单元

测试封装是实现SOC内部IP核可测性和可控性的关键,而扫描单元是测试封装最重要的组成部分.然而传统的测试封装扫描单元在应用于层次化SOCs测试时存在很多缺点,无法保证内部IP核的完全并行测试,并且在测试的安全性,功耗等方面表现出很大问题.本文提出一种改进的层次化SOCs测试封装扫描单元结构,能够有效解决上述问题,该结构的主要思想是对现有的扫描单元进行改进,实现并行测试的同时,通过在适当的位置增加一个传输门,阻止无序的数据在非测试时段进入IP核,使得IP核处于休眠状态,保证了测试的安全性,实现了测试时的低功耗.最后将这种方法应用在一个工业上的层次化SOCs,实验分析表明,改进的测试封装扫描单元比现有扫描单元在增加较小硬件开销的前提下,在并行测试、低功耗、测试安全性和测试覆盖率方面有着明显的优势.

搭载太阳电池的船舶电源系统

探索船用太阳光发电与船舶原发电机系统并联运行的模式。从太阳电池的发电效率、面积、发电量及船舶用电总量、负载分配等各个方面分析搭载太阳电池的船舶电源系统的设计方法及流程,得到可使小型船舶的发电机及柴油机功率减少约 10%的结论。

串/并联微生物燃料电池的性能

以5个双室直接微生物燃料电池构建串、并联电池组,考察了电池不同运行阶段及不同底物和电子受体对电池组性能的影响.结果表明,串、并联微生物燃料电池组可以提高工作电压、电流.以氧气和铁氰化钾作为电子受体时,串联电池组的输出电压(输出功率密度)分别可达1.186V(18.83mW/m2)和1.417V(51.51mW/m2),并联电池组输出电流(输出功率密度)可达3mA(22.66mW/m2)和6.86mA(65.22mW/m2).串联电池组中电池间的差异是出现电池反极的主要原因,内阻较大的电池易在工作电流较大时出现反极现象.适宜的混联方式可以降低由内阻差异引起的能量损失,外电阻为30Ω时,混联电池组输出功率密度(30.3mW/m2)是串联电池组(6.58mW/m2)的4倍.

基于电流平衡单元的输入并联输出并联型LLC谐振变换器模块

输入并联输出并联(IPOP)型直流变换器广泛适用于低电压大电流工作场合,难点在于如何实现各子模块之间的输入电流均流(ICS)和输出电流均流(OCS)问题,现有解决方法均为闭环控制策略。提出了基于电流平衡单元的IPOP型LLC谐振变换器模块,通过电流平衡单元电磁耦合作用可以开环实现LLC谐振变换器模块间ICS和OCS,使整体IPOP型直流变换器稳定工作。LLC谐振变换器工作在近似谐振频率下可实现高频隔离直流变压器功能,保证逆变侧零电压开关(ZVS)及整流侧零电流开关(ZCS),同时具备高功率密度和高效率。采用电流平衡单元代替传统闭环控制策略解决IPOP系统模块间电流不平衡问题,省去采样和控制电路,提高系统稳定性,降低系统成本。通过对电流平衡单元的电磁模型分析,导出等效电路模型,并通过其工作暂态电流与稳态电流仿真说明电流平衡原理。最后搭建基于电流平衡单元的IPOP型LLC直流变换器实验系统,验证所提出电流平衡方案的有效性和正确性。

燃料电池并联供电系统的建模和控制

对燃料电池并联供电系统的数学模型建立过程和控制策略进行了研究。根据电路的工作原理,以电路中电感的电流和电容两端的电压为变量,推导出系统稳态状态空间的矩阵方程,进而建立主电路的小信号数学模型。在建立单个燃料电池供电的电压控制模型和稳定性分析之后,以平均电流法构建出整个系统的控制模型。通过分析闭环传递函数的幅频特性,对系统的稳定性进行了判定。在理论分析的基础上,对2台燃料电池并联供电系统及其控制方案进行了闭环仿真,给出了仿真输出波形。结果证明,所采用的分析方法和建立的数学模型以及采取的控制策略是正确的。

平行启动的微生物燃料电池阳极微生物群落差异性解析

为揭示平行操作的微生物燃料电池（MFC）产电效能出现差异的原因,应用高通量测序技术对3个平行启动和运行的MFC阳极微生物群落的组成、丰度及多样性进行分析,探讨其差异性与反应器效能的关系.结果表明：表面上控制条件完全一致的平行MFC,其运行状态存在较大差异,反应器Mfc-1和Mfc-3可获得220~240 m V电压及1.85~2.33 W/m3的功率密度;Mfc-2电压一直较低,最高仅为120 m V.同一底物富集的MFC阳极微生物群落组成和丰度差异明显,Mfc-1和Mfc-3中富集了高丰度的有利于产电的微生物种属Anaeromusa、Dechloromonas、Geobacter;Mfc-2则存在较独特的与产电无关的高丰度种属Acinetobacter,这种优势种属的差异最终导致Mfc-2产电效能较差.表面上操作条件相同的平行MFC其阳极微生物优势类群可能存在显著差异,进而决定MFC产电效率的不同.应用MFC探讨其产电效能与影响因子关系时,需运行至少3个平行MFC反应器,以减少潜在的操作失误或缺陷,提高数据可靠性.

二维等离子体模拟粒子云网格方法的并行计算与性能分析

在共享和 分布式存储两种 并行计算环境 下，组织了二 维等离 子体模 拟粒子 云网 格法程 序（２ Ｄ Ｃ Ｉ Ｃ） 的并 行计算。首先，通 过分 析串 行算法 和２ Ｄ Ｃ Ｉ Ｃ 程序 的单 机执 行特 征，设 计了 并 行算 法和 实现策略；然后 ，基于共享存储和 消息传递两种 并行程序设 计方式， 在四种 共享和 分布 式存储 并行 机上，组织了具 体的并行计算，对 性能结果进行 了详细的比较分 析，获得了若干 重要结论。

一种基于信元界面的并行ATM信元定界模型分析

本文介绍了一种缺乏字节边界条件下的并行ATM信元定界算法,并讨论了并行电路的实现中的最优参数确定。文中采用Markov模型分析了信赖度在正确字节边界和错误字节边界两种情形下的不同分布,并按照字节同步时间最小化的目标确定最优的电路参数并给出电路性能。

基于免疫机理的多峰值函数并行优化算法

多峰值函数的极值问题一直是优化领域中的一个难点和热点。传统搜索方法和遗传算法很难同时搜索出多个极值。基于生发中心中免疫细胞亲和度成熟的机理,本文提出了一种并行优化算法,目的是找出多峰值函数的多个最优解或最优解和尽可能多的局部优化解。算法的主要步骤有超变异、选择、记忆和相似性抑制。用不同的多峰值函数进行了仿真实验,并和相关算法进行了比较,结果表明所提出的算法具有良好的搜索性能。

改进的3维粒子模拟并行算法

提出了两种改进的3维粒子模拟并行算法,改进的并行算法能在每个时间步减少一次进程同步。算法分析和数值模拟表明,由于粒子运动路径和发射的初始位置与随机函数有关,只有一种改进的并行算法能保证并行计算正确。在3维粒子模拟软件CHIPIC3D上实现了改进的并行算法,应用CHIPIC3D对一种相对论返波管进行了并行模拟,模拟结果表明改进的并行算法能取得更高的加速比和效率。

基于GPU的冲压成形快速计算方法

为了解决计算时间过长这一制约有限元计算在实际工程中应用的瓶颈问题,提出了一种利用现有的图形处理器(GPU)和可编程序的着色渲染语言(CG)加速有限元计算的方法。该方法按照GPU的特点设计出了单元信息表示方法,实现了单元内力计算的同步,克服了以往利用CPU进行有限元计算时程序并行程度不高的缺点。研究结果表明,针对板料成形问题的仿真计算效率提高了近10倍,大大缩短了计算所需的时间,对解决实际工程问题具有应用价值。