多尺度耦合经验正交分解法反演海洋次表层温盐结构

针对提升利用卫星观测海面信息重构三维温盐场精度的问题,本文提出了一种基于多尺度耦合正交分解的三维温盐场重构方法。该方法利用多尺度耦合正交分解对历史温盐剖面进行从大尺度到小尺度的迭代分解,以分层提取不同尺度三维温盐场的特征信息,然后分别建立海洋表面卫星观测与不同尺度的三维温盐场特征信息的重构模型,从而达到三维温盐场重构的目的。本文分别利用多尺度耦合正交分解法与单层正交分解法进行三维温盐场重构,结果显示,多尺度耦合正交分解优于单层正交分解法,且随着分解的层次不断细化,重构温盐场的精度及其垂直梯度精度均呈现明显的提升,其中组合4精度提升程度最高,分别提升了25.57%和27.58%;同时,对比HYCOM模式数据,多尺度耦合正交分解重构方法能有效地捕捉次表层海洋的空间特征信息。总体上,本文耦合经验正交分解法反演的温盐场与Argo温盐场偏差较小,反演精度较好,在空间分布上趋于一致。

以疏勒河流域为例的“山水林田湖草”生态修复多尺度耦合框架及方法

为解决过去保护修复工程只考虑单要素、单一类型生态系统的问题,我国于2016年开展了“山水林田湖草”生态修复工程,旨在通过整体、系统、综合的方法对各类生态系统进行统筹治理。然而,目前的工程治理中仍然存在对系统内部及系统间耦合概念理解不充分、系统耦合机制不明晰、对“尺度”的关注不足、缺少科学的分析方法等问题,制约了保护修复的成效。对此,首先将多个尺度下的耦合研究方法进行归纳总结,并以国家重点冰川水源涵养区及生物多样性保护优先区——疏勒河流域为例,将耦合方法用于分析要素间、自然生态系统间的耦合关系,最后基于该实例研究,提出多尺度耦合分析框架与“升尺度”保护修复模式,以期帮助相关决策者明晰“山水工程”中要素、系统间的耦合关系,增强治理的科学性与有效性,进而推进我国社会与环境的可持续发展。

弥散颗粒毒物的多尺度耦合燃耗算法

弥散颗粒毒物具有特殊的空间结构和较强的空间自屏效应,在燃耗过程中容易出现微观分层现象。在数值模拟中,直接精细化求解将带来巨大的计算量和网格密度,具有一定的挑战。为此,本文提出了一种全新的基于多尺度耦合的燃耗计算方法:通过微观精细球层模型和宏观均匀栅元模型的耦合,将弥散颗粒介质的精细求解问题简化成对一个简单常规介质的快速求解,解决了弥散颗粒毒物在全局范围内精细燃耗求解过程中所面临的计算量大和网格密度高等问题,准确地表征弥散颗粒毒物的燃耗特征,为弥散颗粒介质的求解提供了一个新思路。经过初步验证,该算法在有效增殖因数、中子通量密度和核素核数密度等中子物理参数中有较好的表现。

一种中微尺度耦合方法在风资源评估中的应用

风资源评估过程中,在缺少实际测风数据的情况下完成风场的精细化模拟具有重要的工程意义。在微尺度风场模拟过程中,引入中尺度数据为风场提供真实的边界条件,实现了降尺度精细化风场模拟。结合测风塔推算发现:相较于传统的统一边界条件的设置,利用中尺度数据分扇区生成边界条件进行降尺度的平均风速的精度有较明显提升。此外,还利用中尺度数据作为虚拟测风数据,对风资源评估中的定向计算结果进行校正,完成对机位点风机发电量等计算,解决无测风数据时风资源评估困难的难题。案例分析结果证实了该方法的先进性与工程应用价值。

考虑不同海岸类型的深圳市东海岸海水入侵多尺度耦合模拟

海水入侵已经成为全球范围内的环境问题,严重制约着沿海城市的可持续发展,其中不同类型海岸带的海水入侵方式和危害程度也不同。以深圳市东海岸为研究区,基于区域渗流对局域渗流的总体控制优势,采用多尺度耦合模拟方法,建立研究区区域尺度及典型海岸带局域尺度的三维变密度溶质运移模型,并通过数值模拟方法讨论多种情景下研究区不同类型海岸带的海水入侵机理与地下水水质演化规律。结果表明:(1)研究区河口海岸、基岩海岸和砂质海岸的海水入侵机理和海水入侵距离显著不同;(2)在保持当前禁止开采地下水政策条件下,未来五年内研究区不同类型海岸带的海水入侵均发生不同程度的回退;(3)在678万m^(3)/a开采地下水条件下,研究区河口海岸的最大海水入侵距离的增长速率为0.066 km/a,基岩海岸和砂质海岸的海水入侵速率分别为0.026 km/a和0.076 km/a,砂质海岸的海水入侵速率约为基岩海岸的3~4倍。

基于WRF-Windsim中微尺度耦合技术的风资源精细化评估研究

常规风资源评估方法较多采用假设入流风廓线的微尺度模型,较少考虑风电场内风流动受宏观大气环流影响的问题,基于中尺度数值天气预报模式(weather research forecast,WRF)和微尺度计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)模型,探究中微尺度耦合的风资源精细化评估方法的内在逻辑和工程应用的适用性。首先,在理论原理的研究基础上,构建从WRF模拟结果中提取微尺度建模计算边界附近风速廓线的方法;其次,在CFD软件Windsim中通过网格嵌套实现边界层内的降尺度模拟,建立WRF-Windsim的中微尺度耦合模型;最后,以宁夏海原某复杂地形风电场为实例开展水平分辨率35 m×35 m的风资源数值模拟实验,采用多测风塔互推对WRF-Windsim的模拟数据进行验证分析,并完成风资源图谱绘制和发电量测算。计算结果显示,WRF模拟结果可以有效改善优化微尺度CFD的入流边界条件,降低风资源评估的误差。

致密储集层跨尺度耦合渗流数值模拟模型

考虑致密储集层岩石及流体可压缩性和基质中流体的非线性渗流,建立了体积压裂致密储集层跨尺度渗流离散裂缝数值模拟模型,对模型进行了验证并进行了应用实例分析。模型采用两点流动近似方法计算传导率,并引入"星形-三角形"转换算法消除裂缝相交处的极细小网格,改善了计算稳定性。在时间域内采用全隐式离散,模型求解采用自动微分方法,提高了建模效率和计算精度。采用Eclipse软件模拟结果及新疆油田某致密储集层1口长体积压裂水平井的实际生产数据验证了模型的可靠性。实际应用结果表明,所建立模型能成功模拟大规模复杂缝网发育的储集层;缝网改造区越大,水平井产能越高;裂缝密度平面分布差异性及连通程度是影响致密油平面动用非均匀性的关键因素。

多尺度耦合现象:挑战和机遇

以力学学科的两个重要方向——流体湍流和固体破坏为例,解释了多尺度耦合现象。这类现象的本质是不同尺度上物理的多样性和强耦合,动力系统理论和统计力学为这类现象的研究提供了基本的方法。这种对不同现象中多尺度问题强耦合本质的统一处理可能蕴涵着新的学科生长点。

基于多尺度耦合的密集残差网络红外图像增强

为了提升非制冷红外热像仪的图像质量,满足低对比度弱小区域的观瞄与锁定的需求,提出了一种基于多尺度密集残差网络的红外图像超分辨重建模型,该模型的基本框架是通过级联多个残差特征进行学习,以粗到细的方式重建高分辨率图像。首先提出一种多尺度跨域融合模块,通过对不同感受野的分支结果进行融合,不仅可以融合不同感受野的互补信息,还可有助于提升梯度收敛和特征传输;然后叠加多个跨域融合模块,并采用残差特征学习进行优化,最终学习出高分辨率细节信息。仿真实验结果表明,所提出的超分辨模型能够较好的超分辨重建效果,在微弱结构保持和点目标保持上的性能也更加突出。所提的模型已经在海思嵌入式深度学习平台上实现了高质量的红外增强,具有较高的工程应用价值。

非能动压水堆热工水力多尺度耦合计算分析研究

本文为了更加真实准确的模拟非能动核电机组复杂的热工水力工况,提高事故分析计算精度,开展了非能动压水堆热工水力多尺度耦合计算分析研究。首先应用热工水力系统分析程序RELAP5对AP1000机组进行系统建模,并开展冷却剂强迫流动完全丧失事故(全失流事故)的分析计算,得到堆芯相关热工水力参数。然后将RELAP5程序的计算结果作为边界条件,分别利用子通道程序COBRA-Ⅳ、计算流体力学程序FLUENT以及基于两个程序的耦合程序对AP1000堆芯组件进行建模,并分别开展全失流事故过程中堆芯热工水力分析计算。最终通过三个程序计算结果的对比,表明应用耦合程序开展堆芯热工水力分析的方法可行,建立的堆芯组件模型合理,计算结果更加接近真实情况,有效减少了单一程序计算的过度保守性。

一种跨原子/连续介质尺度的多尺度耦合方法

基于原子尺度上的分析手段对研究材料变形和失效机理非常重要,且为材料在宏观尺度连续性理论中本构关系的进一步发展奠定了基础.而不同尺度下的连接对揭示材料变形与破坏的多尺度现象具有重要意义.本文建立了一种跨原子/连续介质尺度的耦合数值模型,采用位移迭代方法对原子与有限元节点进行连接.耦合模型算例中观察到了裂纹钝化和空洞扩张的演化结果,与理论和实验结论相符,表明本文提出的方法和模型的合理性.

核反应堆热工水力多尺度耦合模拟初步研究

近年来,核反应堆安全分析越来越多地强调分析的精细化和真实性,国际上提出了热工水力多尺度耦合模拟研究。该方法包括系统、部件和局部3个尺度,通过一定的耦合方法将3者有机地结合到一起。采用类似的思路,本文提出了基于RELAP5、COBRA4和CFX的多尺度耦合程序框架,完成了程序开发的前期工作,并通过2个简化问题的测试计算,对耦合程序进行了阶段性的验证。

基于WRF与CFD的复杂地形风场多尺度耦合模拟分析

在超高层建筑结构抗风研究中,风场的准确模拟是重要的前提条件。文中综合利用WRF(中尺度天气预报)模式可以模拟高空大气环流、小尺度CFD模拟具备高时空分辨率的特点,选取深圳气象塔周边地带作为一典型丘陵地貌风场研究区域,基于四维数据同化(FDDA)技术的WRF模式,以及平衡态大气边界层CFD模拟,进行这一复杂地形局部风场的多尺度耦合仿真分析。风场仿真结果验证了WRF模拟中AN(分析松弛法)与SAN(近地面分析松弛法)同化方案的适用性,相对而言,AN方案模拟精度更高;相较单一的中尺度WRF模拟,WRF-CFD多尺度耦合模式结果与气象实测数据更吻合,表明多尺度耦合模拟中,由于中尺度WRF模式可为小尺度的CFD模型提供更准确的入口边界条件,并通过网格嵌套实现边界层内的降尺度精细化模拟,从而可以提升风场本身的模拟精度。基于WRF-CFD边界层风场的多尺度耦合模拟将是提高高层建筑结构风效应模拟分析精度的有效途径。

列车振动下隧道与土体响应的双尺度耦合模拟

对于土体离散–连续耦合问题,给出通过强化边界耦合力在离散和连续模型中的相容性,将提取边界耦合节点力转化为寻优问题的新方法,并用Lagrange乘子法求解。将此方法嵌入离散–连续双尺度耦合动力模型,模拟列车振动下隧道与土体的动力响应。用相互作用的离散颗粒模拟隧道附近土体,远离隧道的土体用连续模型模拟,编写结构的动力有限元程序嵌入离散元软件中来模拟隧道。通过离散元软件PFC2D和有限差分软件FLAC2D的交互运算实现耦合过程。在耦合边界通过交换速度和力保证耦合模型的连续性,通过自振柱模拟使离散区域土体的宏观性质与连续土体模型一致。通过比较耦合方法与只用连续模型模拟得到的结果,说明提出方法的有效性。双尺度耦合模型可以有效描述动力响应中隧道附近土体的细观特性,并极大降低离散元的模拟规模,减少模拟时间,适用于振动在半无限体中传播时重点考察区域土体的细观分析。

多尺度耦合方法及其在高聚物材料加工中的应用展望

跨长度和跨层次现象以及相应的多尺度耦合反映物质世界的基本性质及多学科交叉的内禀特征,具有极其丰富的科学内涵。在材料设计及加工成型过程的模拟仿真中采用多尺度耦合方法具有极为重要的理论和工程意义。本文介绍了材料科学中多尺度的时空性质,各个不同尺度上的相关研究方法和建立多尺度耦合模型的基本思想;指出高聚物成型加工中采用多尺度研究方法的研究前景,并简要介绍短纤维复合材料的注射成型填充过程中双尺度多耦合模型的建模过程。

基于RELAP5和FLUENT的多尺度耦合分析方法研究

基于二次开发得到的铅冷快堆一维系统程序RELAP5_LEAD和三维计算流体力学程序FLUENT,利用动态链接库技术和FLUENT用户自定义函数,开发了多尺度耦合分析程序RELAP5/FLUENT。在单相范围内,分别利用耦合程序RELAP5/FLUENT开展简单铅冷串联管道的瞬态流动和传热模拟、简单铅冷闭式回路的瞬态流动模拟,并与RELAP5_LEAD计算结果开展Code-to-Code对比分析。研究结果表明,RELAP5/FLUENT计算结果与RELAP5_LEAD模拟结果吻合良好,耦合程序的开发取得了初步成功,可用于分析铅冷快堆堆内的复杂三维热工水力现象。

基于尺度耦合特性分析的侦听网络流量扩张模型

在能量受限的侦听网络中,需要大量的信息交换,由于瓶颈节点的能量消耗无法满足侦听网络的流量需求,需要进行流量扩张模型构建。传统方法采用对偶子梯度法实现对侦听网络的流量扩张,方法只能考虑一种流量和节点的组合,适应性能不好。提出一种基于小波变换尺度耦合特性分析的侦听网络流量扩张模型,对侦听网络流量时间序列进行采集与分析,通过小波尺度耦合分析,对路由接收的调度任务指令数量做出有效预测,从而为调度模型的建立提供准确的数据基础。分析流量序列的瞬时频率线性变化规律,得到带宽频间谐振模型,通过小波尺度耦合特性约束,提高了流量的流通量,实现流量扩张。仿真结果表明,算法能有效提高侦听网络的数据流吞吐量,网络流量通道得到有效扩张,提高了侦听网络的安全性和通信效率,展示了较好的应用性能。

复杂地形风场多尺度耦合数值模拟研究

目前,风场的多尺度耦合数值模拟成为研究热点。为构建WRF-LES模型,采用6层嵌套对湖南省湘西自治州某风电场区域进行多尺度耦合数值模拟实验,结合风电场区域的5001#、5002#测风塔实测数据,对比分析了中尺度模拟与LES小尺度模拟的小时平均风速、温度和压强。结果表明:WRF中尺度与LES小尺度都能对目标区域的小时平均风速、温度和压强进行有效的模拟。在风场模拟方面,LES的模拟风速普遍比中尺度模拟的风速大,在风速为≥8 m/s时,LES模拟的风速较中尺度模拟更加接近实际风速。而且,LES模拟较中尺度模拟结果相比,具有更高的水平分辨率(111m),精细化程度更高,更加能够反映出地形对风场的影响情况。

纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析

研究了纺织复合材料和结构多尺度耦合的数值分析模型。建立了微、细观单胞,给出了纺织复合材料平均弹性常数的逐级分析方法,着重研究了由宏观结构、到细观纤维束、再到微观纤维三个尺度耦合的应力分析方案。对于常用的板壳状纺织复合材料结构,在面内载荷下,假设每层细观单胞的平均面内应变是一致的,在弯曲、横向剪切及扭曲等非面内载荷下,在内力等效条件下将沿厚度方向连续分布的宏观应力简化为阶梯状分布,忽略了每层细观单胞范围内宏观应力沿厚度方向的梯度变化,由此利用细观单胞模型实现宏观应力与细观应力之间的传递,再利用微观单胞可得到纤维尺度的微观应力。最后以一种三维机织复合材料为例,用上述多尺度耦合的模型逐级分析了材料的平均弹性常数,并沿相反方向,由宏观结构分析逐级计算出纤维束尺度和纤维尺度的细、微观应力的局部波动。

钠冷快堆直流蒸汽发生器跨尺度耦合分析

直流蒸汽发生器(OTSG)中存在全流型沸腾换热、两侧耦合换热及结构复杂且尺寸跨度大等特征,使得采用计算流体力学(CFD)与三维精细化建模方法分析包含大规模换热管束的OTSG三维温度场时面临计算难度高、求解效率低和求解稳定性差等问题。本文基于全流型沸腾传热模型与流型判别模型,以印度快堆直流蒸汽发生器测试模型(SGTF)为研究对象,建立了管侧从过冷水到过热蒸汽的一维全流型沸腾传热模型及其与壳侧三维精细化CFD模型的跨尺度耦合求解模型,实现了OTSG每根换热管与壳侧三维流体域的独立耦合,并开展了堵管分析。通过与实验数据的对比分析验证了该方法的有效性。研究结果表明:采用管侧一维全流型沸腾传热模型与壳侧三维CFD模型的跨尺度耦合方法,可准确预测每根换热管全高度上的温度分布及主要传热特征点,能获得不同换热管及管壁之间的温度差,且易于实现堵管分析;跨尺度耦合求解方法避免了直接采用三维多相流模型,大幅提高了OTSG三维温度场的求解效率及稳定性。本文研究为OTSG的设计与安全校核提供了一种高效的三维精细化数值分析方法。