相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展

概述相分离过程的离散Boltzmann方法研究进展.这部分研究内容,根据系统的成分,可分为单介质的两相分离和多介质的相分离;根据物理建模,可分为基于传统流体模型的LBM(lattice Boltzmann method)数值模拟和相分离系统的动理学建模与模拟;根据研究的侧重点,可分为方法(模型)研究和相分离过程研究.离散Boltzmann模拟所提供的非平衡行为特征为区分相分离的两个不同阶段提供了一个简洁、有效的物理判据,可用于不同类型界面的甄别与追踪技术设计.

离散Boltzmann方程的求解:基于有限体积法

近十年来,离散Boltzmann方法在复杂非平衡流体系统领域的应用取得了显著的进展,这种方法已逐步成为描述和预测流体系统行为的重要手段.该方法的控制方程是一套简单统一的离散Boltzmann方程,其离散格式的选取对于数值模拟的计算精度和稳定性有着直接影响.为了提高数值模拟的可靠性,本文引入有限体积法用于求解离散Boltzmann方程.有限体积法是一种常用的数值计算方法,具有守恒性强、精度高等特点,可用于有效处理高速可压缩流体的数值计算问题.本文采用MUSCL格式进行重构,并引入了通量限制器以提高数值计算的稳定性.最后,对基于有限体积的离散Boltzmann方法进行了验证,数值算例包括冲击波、Lax激波管以及声波.结果表明,该方法能够准确刻画冲击波、稀疏波、声波,以及物质界面的演化,同时确保系统的质量、动量和能量守恒,还可以准确测量流体系统的流体力学和热力学非平衡效应.

浸入运动边界-格子Boltzmann方法4种固含率计算方法对比研究

为了达到流固耦合,格子Boltzmann方法(LBM)可采用浸入运动边界法(IMB)实现移动颗粒边界上的无滑移条件.该耦合方式(IMB-LBM)中固含率计算方法对流固耦合计算精度和效率有影响.对常用的固含率4种计算方法,即蒙特卡洛法(MCM)、单元分解法(UDM)、近似多边形法(APM)和闭合边界法(CBM),分别阐述其具体算法,对比了它们的计算精度和计算效率;最后通过圆盘颗粒非连续变形分析方法(DDDA)与IMB-LBM耦合模型下的一个多颗粒沉降流固耦合算例,对比分析了它们在流固耦合计算过程中的耗时.结果表明:1)CBM无误差,MCM和UDM在随机点数取1000,子单元数取100时误差稳定在1%以下,APM在颗粒直径大于格子长度10倍时,误差小于0.44%;2)MCM和UDM的计算精度及耗时分别与随机点数和子单元数相关,它们的计算耗时大于APM和CBM;3)计算效率上,APM>CBM>UDM>MCM,其中CBM计算耗时略微大于APM,APM和UDM计算耗时分别比MCM少2个和1个数量级.该结果可为IMB-LBM耦合模型中固含率计算方法优选提供借鉴.

基于离散元-机器学习的铝土矿矿柱强度预测方法

矿柱极限承载能力与矿柱尺寸参数密切相关,科学地预测矿柱强度是空场法安全高效开采铝土矿的关键。为了准确高效地预测矿柱强度,融合运用离散元方法(DEM)的模型参数化、样本数据强扩展性与机器学习(ML)方法的数据驱动优势,选取矿柱尺寸参数(长、宽、高)作为影响因子,开发了Grasshopper参数化建模电池组,实现了等块体密度的矿柱黏合块体模型(BBM)的参数化构建,结合矿体节理分布特征实测结果,利用3DEC程序构建了300组黏合块体-离散裂隙网络(BBM-DFN)矿柱离散元数值模型,开展了矿柱承载特性试验,监测并建立了机器学习数据集,且验证了此数据集的可靠性;分别以支持向量机(SVM)、BP神经网络、随机森林(RF)、高斯过程回归(GPR)4种算法构建了矿柱强度预测模型,根据回归类模型评价指标(判定系数R2、可解释方差E_(EVS)、平均绝对误差E_(MAE)、均方误差E_(MSE))开展了最优模型的评选,结合改进的量子粒子群智能优化算法(IQPSO)进一步优化模型,利用该模型建立了矿柱影响因子与强度之间的非线性映射关系。研究表明:由矿柱强度参数化模拟结果可知,随着矿柱宽高比增加强度显著提升,长宽比对强度影响幅度相对较小,当矿柱高度和横截面积相同时,不同截面矿柱承载能力依次为:正方形>长方形;当矿柱宽高比大于1时,方形截面矿柱强度影响因子敏感性主次顺序为:矿柱宽(长)度>矿柱高度;根据机器学习算法指标综合评价,SVM模型是矿柱强度预测的最佳模型(R^(2)=0.953、E_(EVS)=0.953、E_(MAE)=0.608、E_(MSE)=0.551),结合IQPSO算法优化后模型预测性能得到了进一步提升(R2=0.985、E_(EVS)=0.986、E_(MAE)=0.373、E_(MSE)=0.239);将IQPSO-SVM矿柱强度预测值与3种经典硬岩矿柱强度公式计算结果进行了讨论分析,得出了Hedley公式针对铝土矿强度计算不适用,Krau-land公式适用于宽高比小于4时,Esterhuizen公式可通过调整不连续因子(F)进行较为准确的强度计算。研究成果为硬岩矿柱强度的预测提供了一种解决方案,拓宽了矿柱(群)稳定性评价的思路。

基于离散数学模型的网络多信道时延一致性控制方法

由于传统网络多信道时延控制方法主要在模拟信道频域上获得信道模拟参数,导致多信道时间同步误差较大,为此提出基于离散数学模型的网络多信道时延一致性控制方法。首先,建立网络模拟信道的时域离散数学模型,以便获取信道的传输时延。其次,结合时延的时变性特点,对网络多信道时延进行一致性控制。最后,进行仿真实验。实验结果表明,设计方法的总时延与参考信道时延的差值最小,优于对照组。

基于格子Boltzmann方法的钉扎螺旋波反馈控制

螺旋波是心室跳动过速和纤维性颤动的根源,钉扎螺旋波相对于自由螺旋波来说更难消除.本文采用格子Boltzmann方法求解,以FitzHugh-Nagumo模型为对象,研究了使用反馈控制法消除钉扎螺旋波.数值结果表明,无论钉扎螺旋波钉在圆形障碍物还是矩形障碍物上,反馈控制法对其都具有很好的控制作用.此外,通过数值模拟系统研究了可激性系数、反馈控制信号幅度、记录反馈信号时间和障碍物的大小对钉扎螺旋波的控制情况.研究表明,钉扎螺旋波消除有三种情况.首先,反馈控制信号幅度和可激性系数与钉扎螺旋波消除所需的时间有关,反馈控制信号幅度越大或可激性系数越小,钉扎螺旋波消除越快.其次,障碍物大小和可激性系数影响着能成功消除钉扎螺旋波下记录反馈信号时间与加入反馈控制时间之间对应的时间间隔.最后,在保持加入反馈控制时间不变的情况下,记录反馈信号时间影响着能成功消除钉扎螺旋波所需的最小反馈控制信号幅度.

基于离散元方法的复合绝缘子表面污秽沉积模型

污秽颗粒在复合绝缘子表面的沉积会影响其电气特性,导致沿面放电甚至污秽闪络的发生,从微观的角度探究其沉积机理,能够为电力系统的稳定运行提供理论依据。文中基于JKR接触力学理论,通过传统牛顿力学法和离散元方法分别对颗粒碰撞过程中的受力情况进行分析,提出综合考虑法向碰撞、颗粒反弹速度的碰撞沉积模型。根据不同碰撞沉积模型进行仿真实验,将所得结果与现有实验结果进行比较。结果表明:对比牛顿力学方法,离散元方法得到的碰撞沉积模型更能准确预测SiO_(2)颗粒在复合绝缘子表面的沉积情况。绝缘子表面颗粒沉积数随粒径的增大呈先增大后减小的趋势,在粒径20μm时达到最大沉积数。改变风向,绝缘子串中压端与高压端NSDD的比值随风向角度的增大而减小,下表面与上表面NSDD的比值随角度的增大而减小。绝缘子表面颗粒沉积数随风速的增大呈先增大后减小的趋势,并在±30º时达到最大。该文模型能够更为准确的描述污秽颗粒在绝缘子表面的沉积过程,研究结果有助于完善复合绝缘子表面污秽沉积机理。

有机无机混合肥料离散元参数标定方法研究

[目的]在有机无机混合肥料仿真试验中,传统参数标定方法待标定参数多,标定过程复杂。本文根据有机肥对无机肥颗粒黏附特性,提出一种新的离散元仿真接触参数标定方法。[方法]利用自由落体碰撞试验、静摩擦试验、滚动摩擦试验对复合小球和钢的接触参数进行校准;设计Plackett-Burmen Design试验、爬坡试验和Box-Behnken响应面试验,得到混合肥料接触模型最优参数,通过堆积角对比试验、有机肥和无机肥混合比例预测试验、撒肥盘颗粒分布对比试验验证最优参数。[结果]复合小球与钢的最优碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.323、0.776、0.255;有机肥肥料之间最优碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.40、0.70、0.14;有机肥与钢板之间的最优碰撞恢复系数、静摩擦系数和滚动摩擦系数分别为0.44、0.70、0.15;Hertz-Mindlin with JKR模型参数为0.017。最优参数进行对比验证堆积角的相对误差为1.05%,最优参数能预测不同混合比例肥料的堆积角,撒肥盘抛撒试验列分布最大相对误差为35.95%,平均误差15.86%。[结论]试验结果验证了标定方法正确性,同时为后续有机肥-无机肥-机械互作系统研究提供依据。

极地海冰动力过程的多面体离散元方法

极地海冰影响局部海域的通航条件乃至地质尺度上的气候预测,由于基于连续介质理论的海冰数值模式如网格方法难以应对浮冰尺度的模拟,近年来离散元方法越来越多用于海冰动力学领域。本文使用基于表面网格划分的多面体描述浮冰,通过使用GJK(Gilbert-Johnson-Keerthi)算法以进行初步接触判断并提高计算效率,采用基于能量守恒接触理论确定单元间接触力,由此建立了极地海冰多面体离散元方法。将该方法应用于极地海冰动力过程模拟,并考虑Hopkins提出的冰脊形成导致的海冰间塑性接触力。首先通过两个浮冰间碰撞模拟以验证接触力计算的正确性,再通过对单向均匀风场下浮冰挤压的模拟验证冰脊生成的模拟能力,最后研究冻结强度参数对剪切风场下冰盖断裂和冰脊生成的影响。结果表明,极地海冰多面体离散元方法能够合理地反映地质尺度海冰的动力过程,并且可有效地模拟冰盖线性运动引起的冰隙和冰脊等动力特征。

剪切增稠幂律流体中单气泡上升动力学行为的格子Boltzmann方法研究

采用不可压非牛顿气液两相流格子Boltzmann方法研究了剪切增稠流体中气泡上升的动力学行为,重点分析了流变指数n、Eoυos数(Eo)和Galilei数(Ga)对气泡形变、终端速度和剪切速率的影响.数值结果表明:气泡形变程度随Eo的增大而增大,n对气泡形状的影响与Ga相关.另一方面,随着Ga增大,气泡终端速度随n呈非线性单调增大,且n对终端速度的影响随Ga的增大逐渐明显;当Ga固定且值较小时,气泡终端速度在较小Eo下随n的增大先增大后减小,而当Eo较大时终端速度随n的增大呈增大趋势;当Ga固定且较大时,气泡终端速度在Eo较大时较为统一地随n增大而增大.此外,气泡左右两端存在剪切速率较高的区域,该区域尺寸随Eo,Ga的增大而增大,随n的增大先增大后缩小.最后利用正交试验法得到上述三变量对剪切速率和终端速度的影响程度.对于剪切速率,参数影响程度由大到小的顺序依次为n,Ga和Eo;对于终端速度,Ga对其影响最大,n次之,Eo影响程度最小.

基于离散元方法的千枚岩隧道掌子面稳定性研究

千枚岩隧道在施工过程中由于围岩软弱破碎,易在掌子面附近发生失稳塌方。文章采用颗粒流软件PFC模拟炭质千枚岩三轴试验,标定围岩材料的细观参数,以此构建隧址区三维离散元数值计算模型,模拟隧道在不同开挖进尺和开挖方法下开挖支护全过程,分析隧道开挖后掌子面位移发展规律和开挖扰动区分布范围特征,揭示千枚岩隧道掌子面失稳机理。数值计算结果表明:随开挖进尺的增大,隧道开挖扰动区范围增大;在不同开挖方法中,台阶法的开挖扰动区范围最小。相关研究可为类似软弱破碎围岩隧道的设计和施工提供参考。

基于离散伴随方法的翼型定常/非定常气动优化设计

为了有效提升翼型的气动性能,本文发展了一种基于离散伴随方法的翼型定常/非定常气动优化设计方法。应用该方法,对给定目标压力下的翼型反设计问题和振荡翼型的时平均阻力优化问题进行了研究,所得结果表明:反设计得到的翼型几何外形与目标翼型高度一致;振荡翼型的阻力优化计算经过12次迭代后,时平均阻力降低了约40%。

基于格子Boltzmann方法的单一粗糙裂隙渗流状态研究

岩体中普遍存在裂隙,基于格子Boltzmann方法以及D2G9离散模型在计算流体的渗流状态下具有边界条件易于设置、计算效率较高、计算结果可视化等优点,建立考虑不同粗糙度的单一裂隙渗流模型,模型的上下边界设置为无滑移的全反弹边界,左右边界则采用非平衡外推格式的分布函数边界,同时结合经典流体力学的Poiseuille流问题,对计算模型进行验证。最后,分析岩体裂隙表面粗糙程度对渗流状态的影响,计算结果表明:随壁面粗糙程度的增加,流体的流速、大小、方向均会发生不同程度的改变,并且在由粗糙度的改变而引起隙宽急剧变化的部位,局部伴随着流体旋涡的形成,导致流体内部摩擦阻力的增大,从而产生较大的局部能量损耗。

基于离散贝叶斯网络的电缆集电线线路故障定位方法

常规的电缆集电线线路故障定位方法以故障信号识别为主,故障区段的非平稳信号定位存在一定的失误,为解决该问题,设计了基于离散贝叶斯网络的电缆集电线线路故障定位方法。提取电缆集电线线路等效注入电流特征,对电缆支路上的电流变化特征进行分析,避免故障失误的问题。基于离散贝叶斯网络构建集电线路故障定位模型,根据发电机组的稳态电动势,定位电流故障分量的支路区段,满足故障定位需求。修正电缆集电线路故障定位误差,补偿单端阻抗测距的零序电流,得到故障相的电压与电流,从而确定故障的边界条件,保证故障定位的准确性。采用对比实验,验证了该方法的定位准确性更高,能够应用于实际生活中。

分数阶Navier-Stokes方程的格子Boltzmann方法

对于分数阶Navier-Stokes方程的数值求解问题,首先将该方程进行离散化处理,然后构造D1Q3格子Boltzmann模型,并采用Taylor展开和Chapman-Enskog多尺度展开等技术恢复宏观方程,同时推导出该模型平衡态分布函数的表达式。最后根据一维的两个数值算例对方程进行数值模拟以及误差分析,并将得到的数值解与精确解进行比较,从而验证格子Boltzmann方法的准确性与有效性。

基于离散元方法的回转炉结构优化设计

回转炉内化学气相沉积包覆是生产锂电池硅碳负极的主要方法。回转炉结构影响颗粒的运动特性进而影响颗粒的包覆效率和包覆均匀性。应用离散元方法模拟颗粒运动,以颗粒堆积角为响应值,基于HEEDS软件对DEM仿真所需参数进行参数标定,设计回转炉实验验证参数可靠性,结果表明,仿真与实验颗粒分布特性相似。回转炉运动仿真分析颗粒的运动和分布特性,以轴向分布方差和数量高度分布为颗粒离散度性能指标,设计更优的回转炉结构。

基于离散元方法的分级破碎机受力磨损分析

破碎机的工作转速与物料硬度之间的关系直接影响分级破碎设备的齿辊和耐磨衬板的受力和磨损情况。基于离散元仿真软件EDEM,针对不同硬度的颗粒、齿辊的工作转速对分级破碎机的破碎过程进行仿真分析,得到了颗粒的硬度与齿辊和耐磨衬板受力、磨损的关系,为分级破碎机的设计和实际生产提供了理论依据。

基于贝叶斯离散优化的电力调度网络发令多任务优先级解耦方法

电网输电线路的负荷率和利用率的不断加重,为电力系统运行调度增加了难度。为了合理规划调度任务,保证电网运行安全,研究基于贝叶斯离散优化的电力调度网络发令多任务优先级解耦方法。建立电力调度模型,设定调度优化目标和约束条件;基于贝叶斯离散优化预测电力负荷,为任务优先级判定提供依据;通过分块解耦动态仿真电力系统,将复杂外部系统转换为简单等值系统;通过电力调度多任务优先级解耦,划分优先级,接收操作令,完成电力调度的解耦。经实验论证分析,所提模型得到的解耦前后的仿真曲线较为吻合,仿真结果可以真实准确地反映电力系统的动态行为,对过载线路有功功率的调节效果明显,越限问题得到了很大程度的改善。

基于离散剪切波与优化深度卷积神经网络的图像降噪方法

海洋试验图像通常受到海洋气象条件、海水光照折射和海洋深度等因素的影响,导致在海洋中采集的图像包含严重的噪声。为了提高海洋试验图像的清晰度和降噪性,提出一种基于离散剪切波与优化深度卷积神经网络相结合的海洋试验图像降噪方法。采用离散剪切波变换分解海洋试验图像,能有效从图像中提取不同方向和频率的特征。利用优化深度卷积神经网络强大的图像特征提取能力,经网络模型训练后,能获取图像中的关键特征,达到降噪的目的。在验证实验中,所提方法与传统图像降噪方法相比,能有效保留图像的纹理和细节特性,获得了较好的降噪效果,有助于提高海洋试验图像的清晰度和降噪性。

基于离散方法的钢-BFPC结合面接触性能虚拟材料仿真研究

为准确计算钢-BFPC结合面的实际接触面积比进而建立基于离散方法的钢-BFPC结合面接触性能虚拟材料仿真方法。通过对结合面接触拓片离散化处理建立钢-BFPC结合面实际接触面积比的计算方法,编制了相应的计算程序,分析不同结合面压力对实际接触面积比的影响规律。以计算的实际接触面积比为基础,建立了钢-BFPC结合面虚拟材料仿真分析模型。分别通过虚拟材料仿真和实验研究了钢-BFPC结合面试件模态特性并将两种方式结果对比分析,结果显示两者的固有频率最大相对误差为+6.48%且振型一致,证明了钢-BFPC结合面实际接触面积比的离散计算方法和虚拟材料仿真方法的准确性。