一种颗粒追踪算法在内燃机中的应用

在固定网格颗粒追踪算法基础上,提出了一种非结构化动网格中颗粒追踪的算法。将追踪过程分为2步:第1步计算网格移动后颗粒所处单元,第2步按固定网格颗粒追踪算法进行追踪。针对复杂网格中非平面问题应用了虚拟三角化的处理方法,并与文献中算法进行对比,结果显示出明显的高效性,并通过贯穿度的对比验证了其准确性。将此算法用于内燃机缸内过程,并将计算的压力缸内压力的计算值与试验值进行对比,最高压缩压力处误差为1.7%,验证了程序的可行性。

正电子发射型颗粒追踪技术在矿物加工中的应用

作为检测颗粒运动行为的先进手段,正电子发射型颗粒追踪技术(PEPT)近几年已在矿物加工领域有了一定的应用。本文主要就PEPT工作原理进行了简介,总结了该技术近几年在螺旋选矿、浮选、旋流器以及磨矿等工艺中的应用,就PEPT技术在矿物加工中的应用前景进行了分析。结果表明:作为一种先进的颗粒追踪技术,利用PEPT可以直观监测到颗粒在螺旋选矿机、水力旋流器以及浮选过程中的运动规律,也能对磨机运行状态以及研磨介质运动状态进行监测,这对明确设备运行机制具有重要意义。未来PEPT技术也应在TBS分选机、摇床、调浆机等设备中用于测定和表征颗粒运动状态,利用PEPT计算研究物料特性和结构参数对颗粒运动的影响,将有利于完善矿物加工理论,为设备的优化提供指导。

基于单颗粒追踪法研究聚氧化乙烯溶液的微流变特性

基于单颗粒追踪方法研究了不同温度与浓度下聚氧化乙烯(PEO)溶液的微观流变特性。根据广义Stokes-Einstein关系及复杂流体黏弹性理论,利用颗粒追踪技术,对浓度为0.4wt%~1.0wt%的PEO溶液在25℃、35℃和45℃时的微观流变特性进行了测量和分析。研究结果表明,随着被测溶液浓度的增加,探针颗粒的布朗运动受限趋势增大,其中浓度为1.0wt%的PEO溶液在25℃时布朗运动受限最为显著。黏弹特性模量求解结果表明:在实验条件下,PEO溶液的黏性模量(G″(ω))占主导而弹性模量(G′(ω))表现较弱;在相同温度下,黏弹性模量随着溶液浓度上升而增大;随着温度的升高,溶液弹性模量和黏性模量都呈现减小趋势,且弹性模量减小速率大于黏性模量减小速率。均方位移标准差分析表明,基于单颗粒追踪的微流变测量误差随追踪时间的增加呈增大趋势。

基于深度学习的原位电镜图像纳米颗粒识别与追踪

原位电镜能够观察纳米材料在反应气氛条件下的动态化学反应过程,但是随之而来的是得到海量电镜视频数据后,如何从整个反应过程的视频数据中挖掘出纳米颗粒随时间变化的信息(尺寸、位置等)是至关重要的。基于准确提取纳米颗粒数据信息的目的,文中采用了一种基于深度学习的实例分割与追踪算法来完成原位电镜视频数据的纳米颗粒识别与追踪,实例分割网络采用MASK-RCNN,追踪算法基于开源Trackpy软件包,通过开发纳米颗粒识别与追踪图形用户界面,便于纳米材料领域科研人员使用和进行有用信息统计,为深度学习在原位电镜图像分析中的应用提供了可行性。

一种固定网格上拉格朗日点追踪的快速算法

提出一种基于非结构网格颗粒追踪的改进算法.在已有算法的基础上,发展适用于包含任意多边形单元界面的混合网格算法,对不共面的空间多边形界面进行虚拟三角化,实现基于任意混合网格的拉格朗日追踪.数值试验证明方法可行可靠.通过对固定容器内喷入的不同数量颗粒进行追踪的数值测试及与文献对比,显示算法高效,在颗粒数为10000时,效率提高约47%.

高速摄影技术在风沙颗粒测速中的应用研究

通过相邻图像减法获得了清晰的沙粒运动图像。在此基础上,分别提出了通过人工目视解译与计算机追踪相结合进行跃移颗粒数字轨迹追踪的多帧图像匹配算法以及更适用于计算跃移沙粒群运动瞬时速度场的两帧图像匹配算法。结果表明:与前人研究采用的单纯的人工匹配计算相比,多帧图像匹配算法在保证数据准确性的同时,极大的提高了工作效率。两帧图像匹配算法克服了传统的PTV匹配算法对流场内粒子群运动特征的要求,更加适宜于跃移沙粒群的速度测量,不仅拥有较高的匹配率,而且全过程实现全自动计算,具有较高的计算速度,能够为跃移相整体运动特性研究提供具有代表性的数据。因此,此方法有助于高速摄影技术在研究跃移沙粒运动中的优势更加明显。

风沙流中基于宏观颗粒模型的沙粒浓度分布

风沙侵蚀是造成土地沙化和干旱区地貌的主要原因,其中沙粒的浓度分布是研究输沙量、颗粒碰撞、风沙流结构等特征的主要影响因素,也是了解颗粒碰撞过程和风沙两相流耦合过程的重要研究内容。为了考虑沙粒与气流的力平衡、阻力和扭矩的变化、碰撞及摩擦等影响,运用了一种新的宏观颗粒模型(macroscopic particle model,MPM)研究沙粒在气流中的运动。与前人研究结果进行比较后发现,宏观颗粒模型在不需要任何附加模型的前提下,能实现风沙两相耦合的准直接数值模拟,根据沙粒运动速度云图所示的风沙流运动状态的不同,沙粒浓度的垂向分布会出现结论不一致的现象。颗粒流系统的内在非线性是造成风沙流运动状态不均匀、不一致的主要因素。数值模拟结果表明,利用MPM模型中的离散颗粒追踪、颗粒速度和位置等信息能够研究多相流条件下的风沙运动机理。

基于水龄的陈行水库流场特征分析

水龄能够指示湖库内部各水域的水体更新效率,是反映湖库流场特征的重要指标之一。文中以陈行水库为研究对象,在构建库区二维水动力水质模型基础上,应用拉格朗日颗粒追踪法,分析不同情景下库区流速流向和水龄的空间分布特征,并基于库区氯化物浓度分布特征初步探究了水龄与水质的关系。结果表明:吞吐流决定了陈行水库库区的环流形状与方向,当入库流量从10 m^(3)/s增加至20 m^(3)/s时,全库平均流速提升至1.5倍,平均水龄从1.20 d缩短至0.92 d,表明水龄与入库流量之间不呈现简单的线性关系;库区大部分区域对进水的响应时间明显缩短,但西南沿岸区域的水龄始终超过1.50 d。不同风向下,库区环流规模以及水龄分布规律均呈现异质性。相对于静风情景,东南风驱动下的环流规模向西北方向压缩,库区西南侧局部区域出现新的滞水区,全库平均水龄延长约1倍;西北风则可显著降低库区西侧的水龄,水龄高值区出现在库区东北侧。库区氯化物浓度与水龄分布趋势整体相反,代表性点位的水龄与氯化物浓度呈现显著的负相关关系,表明水龄可有效解释库区氯化物浓度的空间分布特征,对氯化物等保守性物质在库区的迁移扩散过程具有较好表征作用。研究结果可深化对陈行水库流场特征的认识,为水库的水质管理提供支撑,同时也可为湖库流场研究提供新的思路。

蜂窝式离心通风器滑油颗粒轨迹数值分析

为研究蜂窝式结构对离心通风器油气分离效率的影响,以离心通风器为研究对象,对其叶轮段进行蜂窝式结构处理。以质点运动学、多相流为理论基础,对通风器内部油滴颗粒进行受力分析,进而得到了油滴颗粒在蜂窝式结构内部运动的轨迹方程。在此方程的基础上建立了油滴颗粒分离的判断标准,以及整个蜂窝式通风器叶轮段分离效率的计算方法,分析了工况、尺寸因素对于蜂窝式结构分离效率的影响,同时对出口段进行了油滴颗粒轨迹方程的建立和分析。结果表明在蜂窝式通风器叶轮段的分离过程中,径向方向上会同时受到离心力、气拽力和科氏力的共同作用,其中离心力的作用占据主导位置,气拽力会逐渐减小,轴向方向颗粒只受到气拽力;蜂窝式结构的分离效率在工况条件下与进口速度成反比、与转速成正比,在尺寸条件下与蜂窝孔口径成反比、与蜂窝孔结构长度成正比。

旋转磁场作用下磁铁矿粉运移规律与分选研究

为了研究磁铁矿粉在旋转磁场中的运移规律,首先,设计一种中间给料、底端排尾矿、顶端排精矿和部分尾矿的新型螺旋管式磁选设备,并搭建试验平台;其次,采用多物理场仿真软件COMSOL对其流场和磁场进行数值模拟,对螺旋分选管上下部出口截面位置的矿石颗粒进行受力分析与示踪模拟;第三,采用高速相机观察分选管内磁性颗粒的运移规律;最后,进行粗精矿分选试验。研究结果表明:在旋转磁场作用下,螺旋管内的磁性颗粒发生与旋转磁场转向相反的运移;在旋转磁场反向驱动作用下,下行分选管内磁性颗粒被螺旋向上提升进而被“回收”;上行分选管内磁性颗粒在被提升的同时与非磁性颗粒在磁场与离心力的作用下发生径向分离;在给料流量为4.85~6.00 L/min、给矿质量分数为10%的条件下,将原矿TFe品位由61.69%提升至68.15%~68.49%,精矿中SiO_(2)质量分数由10.14%降至5.61%~5.76%,精矿产率为90.03%~90.58%,精矿TFe回收率为98.13%。

综采工作面粉尘运移规律的数值模拟研究

基于工作面粉尘运移机理,运用Fluent数值模拟方法,建立60 m×4 m×3 m综采面模型,并对操作条件、边界条件、离散项、水力半径和湍流强度等参数进行设定,分别对综采面在不同风速条件下的不同粒径粉尘运移情况、采煤机机身处涡流情况进行模拟。通过模拟得知,风速对粉尘浓度有较大影响,随着风速的增加,粉尘浓度及扩散范围呈下降趋势;采煤机割煤产生的煤尘,绝大部分被底板捕获,只有小部分随风流排出工作面;采煤机下风侧10 m位置达到最大值,在25~30 m趋于稳定状态。因此,在实践当中,可以通过提高风速来降尘;并重点对采煤机下风侧30 m以内采取降尘措施。研究结论将为综采面制定粉尘防治措施和安装粉尘防治设备提供理论指导。

全尾砂深锥浓密过程中絮团的动态沉降规律

为了探明全尾砂浆深锥浓密过程中絮团的动态沉降规律,自制连续浓密实验平台开展动态絮凝沉降实验,基于互相关原理和颗粒追踪软件进行数据处理,分析入料速度、耙架搅拌速度及料浆质量分数对絮团沉降行为的影响。结果表明:絮团在竖直方向上受到沉降柱内水体紊动和底部水流回流公共作用导致沉降速度呈逐渐降低的趋势;入料速度、耙架搅拌与水体紊动剪切作用呈正相关,紊动剪切作用较弱时,促进絮团颗粒的凝结,提高絮团沉降速率。反之,则会破坏絮团结构,抑制絮团沉降过程;底部絮团沉降速度与料浆质量分数呈负相关;保持剪切强度在峰值区有利于絮团的快速沉降,本实验条件下建议耙架搅拌速度为0.2~0.6 r/min、入料速度为0.2~0.3 m/s。

2013年1月中国东部地区重污染过程中上海市细颗粒物的来源追踪模拟研究

大气PM2.5是当前我国城市和区域面临的最突出的大气污染问题,然而PM2.5及其关键组分污染的来源不清,严重制约了人们对PM2.5的科学认知和污染防控的步伐.本研究以2013年1月中国东部地区一次典型重污染过程为研究案例,利用CAMx三维模型中耦合了物种示踪机制的颗粒物来源追踪方法,探讨和揭示了中国东部地区代表性城市上海及周边地区共4个源区(上海、苏南、浙北、大区域)、8类污染源(包括燃烧源、生产工艺过程、流动源、生活面源、挥发源、扬尘源、农业源、天然源)对上海城区大气中PM2.5及其关键组分包括水溶性无机离子(SO2-4、NO-3、NH+4)、元素碳(EC)和有机碳(OC)的污染贡献.研究结果表明,2013年1月份中国东部出现严重灰霾污染期间,上海城区PM2.5的主要区域贡献为上海本地污染源排放累积(PM2.5浓度贡献平均为55.4%±22.3%)和长距离输送(38.4%±20.0%).上海地区8类主要排放源中,扬尘源贡献均值最大,达到30.7%±31.8%,其次为燃烧源18.2%±15.6%、流动源18.6%±17.5%、挥发类源16.9%±18.0%.对上海市PM2.5组分的源解析研究发现,燃烧源对细颗粒物中硫酸盐和硝酸盐的浓度贡献最大,其浓度贡献分别达到56.2%和55.9%.铵盐中72.4%来源于挥发类源贡献,元素碳约78.3%来自于交通源贡献.挥发类源排放和流动源是主要的有机气溶胶贡献源,浓度贡献分别为36.2%和32.5%.

基于细颗粒物来源追踪技术的2013年12月上海市严重污染过程中PM_(2.5)的源贡献分析

近年来高浓度细颗粒物引起的大气灰霾污染已成为制约我国城市和区域可持续发展的重大环境问题之一,科学快速地诊断PM2.5及其关键组分的来源对于缓解当前严峻的污染形势具有极为重要的科学意义和现实意义.2013年12月上旬,我国东部特大型城市上海及其所处的长三角区域出现了历史上罕见的严重污染过程,PM2.5小时浓度一度高达640μg·m-3.本文以分析12月上旬上海市所出现的三次典型重污染过程为案例,利用颗粒物来源追踪技术,对严重污染期间上海市PM2.5及其关键化学组分(硫酸盐、硝酸盐、铵盐、有机碳和元素碳)开展了来源解析研究.结果表明,在上海市人为排放源中,工业锅炉和窑炉、移动源和电站锅炉是对细颗粒物中硝酸盐贡献最大的3类排放源;工业源和移动源是对硫酸盐贡献最大的两类排放源.在灰霾、湿霾和过境这3次污染过程中,上海本地排放对PM2.5的浓度贡献分别是35.3%、44.8%和22.7%;长距离输送分别达到了42.0%、41.1%和59.8%.在长三角模拟区域内,扬尘、工业过程、挥发类源、工业锅炉和窑炉及移动源是最主要的细颗粒贡献源,平均贡献占比分别是25.1%、14.9%、15.8%、13.7%和15.9%.研究表明,2013年12月这类极高的严重污染过程,并非单一城市所致,区域联防联控,特别是重度污染期间的联合减排对于缓解细颗粒物重度污染极为重要.

基于DPM模型的旋流式沉沙池悬沙数值模拟

为了研究旋流式沉沙池泥沙颗粒的运动及沉沙机理和旋桨转速N与沉沙率之间的关系,借助商业软件Fluent,采用湍流模型和DPM模型相结合的数值模拟方法对泥沙颗粒进行颗粒追踪,通过设置7种不同的湍流模型模拟旋流式沉沙池悬沙在7种转速下的运动,与已有的试验结果进行对比,验证了模型的可行性,并选出在不同转速下最合适的湍流模型,进而运用选出的湍流模型分别模拟7不同转速下旋流式沉沙池流场分布,分析了旋流式沉沙池的流场和颗粒轨迹。结果表明,在沉沙池转桨所在的平面上,速度从池壁到池中心逐渐增加,相应位置上的压力逐渐减小;在沉沙池立面上,存在二次流现象,在转桨附近存在较大的漩涡;相同转速下粒径较大的颗粒比较小的颗粒更易沉降;随着桨叶转速的增加,颗粒总去除率逐渐减小。

矩形喷嘴PDC钻头水力性能研究新方法

为了量化研究矩形喷嘴PDc钻头的水力性能,以5刀翼、布置6个矩形喷嘴的PDC钻头为基础模型,建立了流域模型,将岩屑建模为从切削齿表面射人流场的固相颗粒,采用计算颗粒追踪法对固相颗粒进行了追踪,同时使用岩屑运移速度比C_t作为钻头性能评价的参数。分析结果表明,井底岩屑运移是三维不规则运动,沿程存在碰撞与反弹,在岩屑从井底向环空出口运动的过程中,速度逐渐减小;相同条件下,矩形喷嘴钻头的C_t大于圆形喷嘴钻头的C_t值,且随长宽比的增大而增大,与圆形喷嘴钻头相比,矩形喷嘴钻头的水力性能更好;对于同一钻头,1.0mm岩屑的C_t值最大,当粒径小于1.0 mm时,C_t随岩屑尺寸的增大而增大,当粒径大于1.0 mm时,C_t随岩屑尺寸的增大而减小。

涡流装置固相冲洗特性三维多相流动数值模拟

为了研究涡流装置内固相冲洗特性,应用计算流体动力学(CFD)方法模拟其内部流动特征.采用RNG k-ε湍流模型、VOF气液两相流动和DPM离散相颗粒轨迹追踪模型对涡流装置在Rosin-Rammler颗粒分布时的三维流场进行了数值模拟,分析了颗粒的运动规律、粒径分布、流体流场对颗粒运动的影响以及涡流装置的截流比例.结果表明:涡流装置的存在,使其内部及其延伸的管道内产生了高速旋流,且旋流在下游管道延伸距离很长,降低了颗粒含量,这有利于颗粒的快速流动;颗粒的运动,对流体流场依赖性很强;涡流装置具有较好的截流特性,稳定后的截流量在35%以上,但是其结构设计需保证出口截面面积大于等于进口截面面积,这主要是为了防止堵塞,其可以在合流制管路系统中用于截流去污.

激光选区熔化成型腔内流场优化及飞溅去除研究

为减少激光选区熔化过程中飞溅物的残留,提高成型零件的质量,构建EOS M290型激光选区熔化设备成型腔的计算流体力学模型和流体流动颗粒追踪模型,研究不同进气速度、进气孔直径、进气孔拉伸长度和出气口栅格数量对成型腔内流场分布和飞溅颗粒去除概率的影响。结果表明,当316L不锈钢飞溅颗粒直径为10~100μm范围内的4种正态分布时,原模型在进气速度为3m/s时,去除概率仅为69.25%;延长进气孔可以改善成型腔内流场的均匀性和抑制Coanda效应,进气速度为3m/s,进气孔拉伸长度为90mm时,去除概率提高到74.64%;进气速度为3m/s时,出气口栅格数量从5增加到9,出气口中心平面均匀性指数从64.42%增加到78.57%;在粉床不被破坏的情况下,优化模型(进气孔直径4mm、进气孔拉伸长度90mm、出气口栅格数量8)的最大进气速度为4.46m/s,飞溅颗粒去除概率提升至82.11%。

基于光场成像的三维粒子追踪测速技术

将光场成像理论与三维颗粒追踪测速(PTV)技术相结合,实现了单相机三维流场的测量。结合高斯光学和相似原理,推导出了深度与最优重聚焦系数的关系。搭建了光场标定与流场测量系统,提出基于光场成像理论模型的深度标定方法,并与泰勒多项式拟合方法进行对比,证明了其具有较高的稳健性。利用清晰度最大原理,获得原始光场图像的全聚焦图,采用最小特征值角点检测算法对全聚焦图上的颗粒进行定位,结合三维粒子追踪技术,得到颗粒的三维速度。形成了光场PTV的图像处理流程,并对后向台阶流场进行了实测,结果表明光场PTV技术能够较好地测量三维流场。

单分子/单颗粒光学显微成像研究

作为一种新型的光学显微成像手段,单分子、单颗粒光学显微成像技术具有高分辨率、高通量、高灵敏度、非接触、无损伤等优点,在各个学科领域得到了广泛应用.结合本课题组的研究方向,本文综述了单分子、单颗粒光学显微成像研究中的单分子检测,单颗粒光学显微成像追踪,超分辨成像以及单颗粒催化四个方面的重要研究进展,并展望了该成像技术在生物医学应用中的发展前景与挑战.