基于声学FEM-BEM的户内变电站噪声场计算

准确计算户内变电站大型、复杂的噪声场分布,进而评价可采用降噪措施的减噪效果,是解决户内变电站噪声污染的关键问题。为此,综合声学有限元法(finite element method,FEM)求解复杂声场收敛性好及精度高的优点,及声学边界元法(boundary element method,BEM)降维求解大型声场的优势,提出了一种基于声学FEM-BEM的户内变电站噪声场求解算法。首先,建立变电站内部声源声固耦合模型,采用声学FEM求解混响噪声作用下的声固耦合响应;然后,基于声学FEM-BEM耦合理论,求解内、外耦合边界处结构单元受声固耦合激励产生的位移及应力载荷;最后,根据声压及应力载荷激发的外场声波扩散模型,基于常规Gauss数值积分法,建立外部空间声域2维BEM声学积分方程,求解外部声场。该算法在湖南某110 kV户内变电站噪声场的求解分析中得到了成功应用,与实测值的相对误差为3.61%~4.87%。

饱和地基水泥土复合桩近场主动隔振的BEM-FEM耦合分析

人工振动污染是当前城市发展过程中面临的一个难题,单排或多排桩是人工振动污染防治的一种重要方式。传统基桩施工容易造成泥浆污染、振动等各种负面环境问题,而水泥土复合桩是一种低振动、低噪声、无挤土、少排泥浆的新型基桩,特别适合在城区构建排桩屏障。针对饱和地基中单排水泥土复合桩的近场主动隔振问题,建立了动力机器基础环境振动影响的半解析BEM方程;在此基础上,分别采用半解析BEM对饱和地基、FEM对水泥土复合桩进行建模,根据饱和地基-水泥土桩接触面的平衡和相容条件,建立了水泥土复合桩近场主动隔振的半解析BEM-FEM耦合方程,给出了耦合方程稀疏矩阵的存储策略,并对单排水泥土复合桩的近场主动隔振效果进行了计算分析。研究结果表明:单排水泥土复合桩能够有效地对动力机器基础引起环境振动进行隔振;等长芯桩复合桩的隔振效果要优于短芯桩。单排水泥土复合桩的隔振效果随着桩数的增加而逐渐提高;较小桩间距并不一定取得更好的隔振效果,建议相邻桩桩间净距取2.0~2.5λ_(R)(Rayleigh波波长)。随着单排水泥土复合桩距振源距离的增加,屏障隔振效果逐渐降低,但降低幅度相对较小。此外,对水泥土复合桩而言,当内插预制桩的外轮廓尺寸相同时,预制芯桩型式对水泥土复合桩隔振效果影响相对较小,可根据实际工程条件选择合适的芯桩类型。

饱和地基中劲芯水泥土墙隔振的二维BEM-FEM耦合分析

振动污染在国际上已被列入“七大环境公害”之一,填充沟是振动污染治理的一种常用隔振屏障。传统的填充沟受工程造价和施工工艺等限制工程中应用较困难;为克服上述问题,提出一种新型隔振屏障-内插预制芯墙的劲芯水泥土墙。对于饱和地基中劲芯水泥土墙的隔振问题,饱和地基采用饱和土半解析边界元法(boundary element method,BEM)建模,劲芯水泥土墙采用有限元法(finite element method,FEM)建模,根据饱和地基-水泥土墙交界面的平衡和连续性条件,分别建立了劲芯水泥土墙对入射Rayleigh波(瑞利波)的远场被动隔振和对动力机器基础振动近场主动隔振的半解析BEM-FEM耦合分析方法,并对劲芯水泥土墙的隔振效果进行了计算分析。研究结果表明:饱和地基中设置劲芯水泥土墙能够起到较好的隔振作用,其隔振效果与混凝土墙基本相当且远优于纯水泥土墙;预制芯墙在劲芯水泥土墙隔振系统中起关键作用,为避免弹性波从芯墙底绕射而降低隔振效果,预制芯墙深度应与水泥土墙深度保持一致;增大芯墙厚度对隔振效果提升不大。在等深芯墙条件下,增大墙深能显著提高远场隔振效果,但对近场隔振效果提升较小;增大墙厚也可提高隔振效果,但提高幅度不大。实际工程中,建议结合工程造价和施工工艺,选择合适的水泥土墙和预制芯墙墙厚。此外,屏障距振源距离对主动隔振效果影响较小,建议根据被保护建筑与振源之间的实际情况,选择合适位置构建隔振屏障。

基于OGCE⁃BEM的OTFS信道估计

【目的】随着面向第六代移动通信技术研究工作的开展,传统的正交频分复用(OFDM)系统中的载波间干扰使得信道估计性能不足以提供高度可靠的通信,而正交时频空(OTFS)系统可以有效解决快速时变性和多普勒效应导致的通信系统可靠性下降问题,近年来受到了广泛关注。【方法】为了有效满足OTFS系统所需的信道估计性能需求,文章采用优化的广义复指数(OGCE)基扩展模型(BEM)将信道脉冲响应建模为时不变的基函数与基函数系数的形式,从而有效地拟合高速移动通信场景下的快速时变信道。OGCE⁃BEM通过更加密集的采样改善了频谱泄漏的问题,并且通过增加修正系数降低了高频基模型的误差。为了得到更为精确的基函数系数,文章基于遗忘因子与估计误差的关系,设计了可变遗忘因子的递归最小二乘(RLS)滤波器,使得RLS滤波器可以实时追踪基函数系数的变化。【结果】仿真结果表明,文章所提算法适用于高速移动通信场景,基函数的设计更为合理,相较于固定遗忘因子的估计方法,具有更低的均方误差,信道估计结果更加精确。与最小二乘(LS)、BEM⁃LS和BEM⁃线性最小均方差(LMMSE)信道估计方式相比,均方误差性能得到了明显提升。【结论】文章所提基于OGCE⁃BEM的信道估计算法有效减少了待估计未知参数量,提高了信道估计的准确性。

基于BEMS模型的双层优化的日前双向电力交易策略

通过建筑能源管理系统提供成本效益,提出了一种优化调度和竞标策略的建筑能源管理系统(BEMS)模型。通过在上层最小化电能成本确定次日电能数量竞标,考虑了预期不确定性的成本,而一些较低层次的子问题确保了建筑负载和分布式能源资源的最佳运行,以保留舒适性,最小化消费者的不便和住宅储能单元的降级。首先对电动汽车的可用性、SOC水平以及日常通勤的能量消耗进行了预测;其次模拟研究了热泵运行计划,热泵能源需求夏季降低了15%~22%,冬季降低了10%~12%;最后利用建筑热质量和灵活的温度范围,实现了热泵能源需求的最小化,储能设备的降解减少了2~3倍。

饱和地基中波阻板远场被动隔振的二维BEM-FEM耦合分析

国际上已把振动污染列入“七大环境公害”之一,而波阻板(wave impedance block,简称“WIB”)是低频环境振动污染防治的一种常用手段。针对饱和地基中建(构)筑物下方设置波阻板的远场被动隔振问题,分别采用饱和土半解析BEM对饱和地基和FEM对波阻板进行建模,最终建立了波阻板对入射Rayleigh波隔振的半解析BEM-FEM耦合方程,采用该方法计算分析了波阻板的远场被动隔振效果,并初步探讨了组合式波阻板(由多种材料组成的波阻板)的隔振效果。研究结果表明:在建(构)筑物下方一定深度设置波阻板能够有效降低波阻板上方地表的振动;地表屏蔽区域范围与波阻板设置范围基本吻合。减小波阻板埋深和增大波阻板厚度均能取得更好的隔振效果,而波阻板宽度对隔振效果基本无影响;实际工程设计时,建议波阻板埋深取0.2~0.4λR(λR为Rayleigh波波长)和厚度取0.2~0.3λR,宽度则根据被保护建筑尺寸确定。波阻板材料剪切模量对隔振效果影响较大,增加波阻板材料剪切模量是提高波阻板被动隔振效果最为有效的措施之一。此外,当波阻板由竖向多层材料组成时,建议采用上软下硬方式构建波阻板;当波阻板由多种材料水平分区组成时,地表隔振效果与其下方对应分区的材料性质相对应,可根据实际工程振动控制要求的不同构建多种材料分区的组合式波阻板。

基于BEM声流固耦合的汽机旁路调节阀噪声特性分析

针对在高压差工况下汽机旁路调节阀噪声存在超出工业噪声允许范围的问题,采用混合仿真的方法对汽机旁路调节阀的流场和声场进行数值仿真计算,对汽机旁路调节阀进行CFD稳态和瞬态流场计算,找出产生噪声与振动的流场诱因。采用声流固单向耦合边界元法和IEC 60534-8-3标准理论预测方法分析汽机旁路调节阀阀后管壁外1 m处的噪声。结果表明,数值模拟与理论计算结果均满足标准规定噪声要求且相差仅为0.94 dB(A),验证了噪声数值模拟方法的有效性,可指导高压差调节阀的噪声研究。

基于BEM与CFD数值模拟的风力机叶片气动性能分析

为阐明转子叶尖损失效应以及动态失速效应对风力机气动性能预测的影响,文章采用计算流体力学(CFD)以及叶素动量理论(BEM)两种方法分析预测了不同风场条件下的叶片气动性能,研究了三维旋转效应下叶片表面的非定常气动特性。结果表明:在离心力和科氏力作用下,叶片吸力面发生流动分离,随着风速的增加,失速区域逐渐增大;叶片翼型截面前缘吸力侧受风速影响较大;在非定常来流条件下,叶尖部位尤其是前缘对来流敏感程度较高。通过不同叶尖损失校正模型对叶片载荷的预测结果对比可以看出,针对BEM进行的叶根叶尖修正计算结果更接近于CFD模拟结果,但是,在叶根和叶尖部位仍存在一定偏差。

完全非线性波浪与二维固定结构物作用的IGN-BEM耦合分析模型

为高效准确地对完全非线性波浪与二维固定结构物的相互作用进行模拟分析,建立了二维完全非线性时域耦合模型。耦合模型将计算域划分为靠近结构物的内域和远离结构物的外域,每个区域均采用满足完全非线性自由水面边界条件的波浪模型进行求解。在内域使用Laplace方程描述流体运动并采用高阶边界元法(BEM)对其进行求解;而在没有结构物的外域,波浪运动的控制方程为Irrotational Green-Naghdi(IGN)方程并采用有限元法(FEM)对其进行求解。内域和外域通过一段重叠区域进行耦合,从而实现模型间变量的传递。首先利用耦合模型分别对规则波的传播、直墙前立波的生成以及相关物理模型试验进行模拟,数值结果与精确解和试验结果的良好吻合验证了耦合模型耦合方式的合理性以及处理非线性问题的准确性;然后使用耦合模型模拟分析了波浪与固定结构物间的相互作用,并将结果与线性解析解以及完全非线性BEM模型的结果进行了对比分析,进一步证明了耦合模型的正确性与高效性。

一种低复杂度的正交时频空系统接收机设计

正交时频空(OTFS)调制可以将时间和频率选择性信道转换为时延-多普勒(DD)域的非选择性信道,这为高速移动场景建立可靠的无线通信提供了解决方案。然而,在车联网等复杂的多散射场景下,信道存在严重的多普勒间干扰(IDI),这给OTFS接收机信号的准确解调带来了极大的挑战。针对上述问题,该文提出一种联合稀疏贝叶斯学习(SBL)和阻尼最小二乘最小残差(d-LSMR)的OTFS接收机设计。首先,根据OTFS时域和DD域的关系,采用基扩展模型(BEM)将信道估计问题转换为基系数恢复问题,精准估计包括多普勒采样点在内的DD域信道。然后,提出一种高效的转换算法将基系数转换为信道等效矩阵。其次,将信道估计中估计得到的噪声,用于d-LSMR均衡器中进行信道均衡,并利用DD域信道矩阵的稀疏性实现快速收敛。系统仿真结果表明,与目前代表性的OTFS接收机相比,该文所提方案实现了更好的误码率性能,同时降低了计算复杂度。

基于BEM/FEM耦合技术的柴油机外声场模拟技术研究

采用BEM /FEM耦合技术对某高强化V6柴油机结构的声辐射情况进行了模拟 ,得到了整机辐射声功率、辐射效率、主要部件对声学结果的贡献以及近、远场声压 (级 )、整机外场声强矢量分布等声学结果 ,为该柴油机针对减振降噪的结构声学优化提供了详细信息与重要参考。在此基础上 ,重点对主要声辐射部件—下曲轴箱的结构进行了修改 ,并对修改方案的声辐射情况进行了重计算。主要声学量的对比结果表明 ,在所研究的频率域内 。

基于FEM和BEM法的大型立式齿轮箱振动噪声计算及测试分析

根据某大型立式行星传动齿轮箱的结构和安装特点,基于FEM法建立了该齿轮箱的和有限元模型,对其进行了振动模态分析,计算了其模态频率和稳态不平衡响应;基于BEM法建立了该齿轮箱的外声场边界元模型,导入了齿轮箱振动稳态不平衡响应结果作为声学边界条件,对辐射声场进行了数值计算和仿真分析。通过对齿轮箱进行现场振动和噪声测试分析,得到的测试结果与理论计算结果较为一致,表明了理论计算的可行性和准确性。

加纵肋平底圆柱壳振动和声辐射的FEM/BEM研究

建立了两端带平底板的加纵肋圆柱壳水中声辐射计算的FEM/BEM三维模型,探究了加肋的高度、宽度、数目对平底圆柱壳表面平均速度、辐射功率、辐射效率、声场指向性的影响规律。计算方法是在有限元软件ANSYS中做加肋平底圆柱壳建模、模态分析基础上,将有关数据(网格、模态)导入边界元软件SYSNOISE中计算流体-结构耦合状态下的辐射声场特性。结果表明:(1)纵肋的高度、宽度以及数目增大都可以引起平底圆柱壳的表面平均速度、辐射功率、辐射效率随频率变化曲线峰的移动,同时使声辐射效率增大,但使表面平均速度、辐射功率变化不明显。(2)纵肋的高度、宽度增大都使低频声辐射中两端平底板的贡献量增大,而使研究频域内的高频声辐射在激励力的反方向上增强。当径向激励力作用在纵肋上时适当调整均布纵肋的数目可以改变平底圆柱壳辐射声场的指向性。这对于水下结构辐射噪声预报以及噪声抑制具有重要意义。

地下水热量运移模拟的BEM-FAM耦合法

基于地下水热量运移的基本原理 ,本文提出了求解地下水热量运移问题的BEM -FAM耦合法 .该方法原理简单 ,操作方便 ;不仅可以直接计算出地下水流速度 ,而且避免了对流扩散方程数值解中的数值弥散和数值振荡 ,提高了计算精度 .应用本文提出的方法对溪洛渡水电站工程地下水热量运移问题进行了模拟 ,计算结果与地质分析的结论一致 ,表明该方法是可行的 .

基于FEM/BEM法的内部声激励水下圆柱壳声辐射计算

联合有限元法和边界元法对流场中的圆柱壳点声源激励下的声辐射作了数值计算。利用有限元软件ANSYS分析了加筋圆柱壳的模态,然后将模态导入采用边界元软件SYSNOISE,计算了加筋圆柱壳结构在点源激励下的声辐射,预报了圆柱壳的内外场声压,得到了圆柱壳的声辐射功率曲线。

海洋结构物波浪砰击的数值研究综述

波浪砰击是发生在波浪与结构物之间的一种强非线性相互作用,其载荷通常具有峰值大、作用时间短的特点.近年来,海上极端环境导致海洋结构物经常遭受严重的波浪砰击,造成生命和财产损失,从而使得波浪砰击问题备受重视.对于复杂的砰击过程,理论分析和模型实验仅能给出砰击载荷的简化解析解及有限的砰击流场信息,数值模拟逐渐成为研究波浪砰击问题的有效手段.目前,国内外学者已经对海洋结构物的波浪砰击载荷特性、砰击作用过程及其影响因素等问题开展了大量的数值研究,并获得了许多重要的研究结论.针对海洋结构物波浪砰击的数值研究进展、现有方法及重要结论进行综述,为波浪砰击数值模拟的进一步研究提供有益参考.

基于FEM和BEM的低噪声油底壳设计的研究

采用有限元和边界元相结合的方法进行柴油机油底壳结构振动和表面辐射噪声的预测,并通过实验验证了此方法的正确性。接着,运用此预测方法分别对结构加筋、采用复合阻尼材料和两者相结合3种改进方案进行了声学预测。结果表明:提高结构局部刚度,可以减小表面振动,降低噪声;采用复合阻尼材料则在中高频段有很好的降噪效果;但在复合阻尼材料的油底壳上加筋并不能取得更好的降噪效果。

保形(Conformal)结构互连电容的BEM模拟

介绍了一种基于扫描线的复杂保形介质结构快速生成算法 .该算法应用多边形的扩展运算和集合运算形成保形介质 ,同时处理保形介质中的凹槽 ,并已实现于边界元素法三维互连寄生电容提取软件 B3D中 .数值结果表明 ,该算法可靠 ,并有很高效率 .

基于多符号BEM的OFDM系统时变信道估计

针对基于扩展模型(BEM)的正交频分复用(OFDM)系统时变信道估计中频谱利用率不高的问题,提出了一种多符号BEM方法。相对于传统的单符号BEM方法,提出的方法减少了导频的子载波,并且通过基线倾斜技术抑制了傅里叶级数展开时出现的Gibbs现象。理论分析表明,基线倾斜技术引入后的信道模型误差在归一化多普勒频偏不大于((1/2)-(1/M))/(1+(N_g/N))时均有减小。数值仿真显示在相应的时变信道条件下,提出的方法的估计误差性能和误比特率(BER)性能相对传统方法有明显改善。

基于快速多极间接边界元法的地震超材料隔震效应

中国是世界上遭受地震灾害较严重的国家之一。近年来,灾害性地震给人们的生命财产带来了极大的损失,对重大工程结构开展减震隔震设计成为结构设计中重要的一环。本文将快速多极间接边界元法(FMIBEM)应用到2维地震超材料对地震波的散射模拟,并求解一种周期性隔震材料——岩土复合地震超材料(RSCSM)的隔震效应;在精度验证基础上,对RSCSM的带隙结构及不同单晶胞结构下的隔震效果与带隙范围进行详细的数值分析。结果表明:采用FMIBEM能够有效地处理大型地震超材料对地震波的宽频散射问题;RSCSM能够隔离地震波超低频段隙,方形晶胞结构产生的带隙宽度(0.5~17.0 Hz与54.0~72.0 Hz)涵盖了地震波产生危害的主要频段(0.5~2.0 Hz),隔震效果可达35%以上;改变RSCSM的单晶胞结构会对地震超材料带隙结构产生重要影响。方形晶胞结构产生的带隙约为0.5~17.0 Hz和54.0~72.0 Hz;菱形晶胞结构产生的带隙约为0.5~20.0 Hz;菱形单点晶胞结构产生的带隙约为0.5~16.0 Hz和40.0~57.0 Hz;菱形双点晶胞结构产生的带隙约为0.5~14.0 Hz。硬散射体填充率也会对带隙产生重要影响,相同填充率情况下,四边形晶胞能够产生更宽的带隙,并且能够在更低的填充率情况下产生更好的带隙效果。菱形单点与菱形双点晶胞结构只能在非常高的填充率情况下产生较好的带隙效果。本文研究为地震超材料对地震波散射的模拟提供一种高效方法,研究结论可为地基隔震设计提供科学依据。