基于硬约束和物理信息神经网络结合的天然气管网仿真新方法

随着天然气管网互联互通成环成网,需要利用仿真技术模拟各种工况下的管网运行状态,以提升管网的供气能力,进而降低管网运行成本。现有的智能化仿真方法过于依赖数据驱动,忽略了天然气流动机理,导致精度与稳定性较差且结果不可解释。为此,从机理角度分析了天然气流动基本控制方程与管网拓扑结构,将机理信息耦合至深度学习的损失函数指导结构设计与训练,形成了天然气管网物理信息神经网络PINN(Physics-Informed Neural Network)仿真模型;然后描述了输入输出变量之间的耦合关系,设计边界条件嵌入训练硬约束模式,建立了硬约束和物理信息神经网络结合BHC-PINN(Boundary Hard-Constraint Physics-Informed NeuralNetwork)的模型,实现了天然气管网全时空状态的仿真监测。研究结果表明:(1) PINN模型将管道与拓扑结构的机理信息耦合进损失函数以提高模型的可解释性,并借助管网进出口冗余数据提高了准确性,实现了对管网压力流量的准确监测;(2)建立的边界硬约束模式,使神经网络的输出强制满足边界条件,得到的流量和压力仿真误差分别从2.1%和0.32%下降低至1.5%和0.082%,训练的效率和速度分别提高了48.5%和55.9%;(3) BHC-PINN能实现管网任意位置气体流动状态的观测,对于中间阀室压力的仿真最大误差为0.2%。结论认为,该新方法能准确仿真天然气管网内流动状态,增强了数据驱动模型的可解释性,并为天然气管网瞬态仿真提供了数据加机理混合驱动的新思路。

教育信息化改革背景下虚拟仿真实验在高中物理教学中的实践路径

教育改革要跟随社会发展的速度与趋势,随着信息技术在社会各个领域的广泛应用,教育实现信息化改革也成为大势所趋。在此背景下,高中物理教师应改变传统的实验教学模式,增加虚拟仿真实验,扩大实验内容覆盖范围,提高实验安全性,确保实验数据精准反馈,满足高中生的个性化学习和发展需要。本文立足于教育信息化改革背景,探究虚拟仿真实验在高中物理教学中应用的必要性及实践路径,旨在提升实验课堂效率与质量,促进高中生在物理方面的提升与发展。

低压断路器双金属片残余应力的多物理场仿真研究

本文对双金属片的残余应力情况进行分析,利用COMSOL多物理场仿真工具,研究双金属片残余应力对其性能的影响。利用COMSOL软件对电流、固体力学和固体传热3个物理场进行耦合,得到双金属片在不同电流下的变形程度,结果表明,变形程度随电流增大而增大。通过预设残余应力,研究了残余应力对双金属片的影响,结果表明,残余应力会对双金属片的变形程度造成影响。在双金属片的生产制造中,应当通过热处理等方法降低残余应力,以提高双金属片的性能并延长使用寿命。

NOBOOK虚拟仿真软件在高中物理实验教学中的应用策略

为了解决学生物理实验探究兴趣不足、专注力以及学习能力低下的问题,本文主要以高中物理实验教学为例,对NOBOOK虚拟仿真软件高效运用的策略进行了研究,首先分析了高中物理实验教学中NOBOOK虚拟仿真软件的运用在帮助学生克服实验探究的畏惧心理、强化学生对物理知识的理解、提高学生的自主学习和探究能力等方面的意义,然后提出了创新适宜的实验教学情境,激活学生物理实验探究的兴趣;强化引导,鼓励学生猜想和质疑;制定合理的物理实验教学方案,优化教学的方法;强化学生实验过程的监督,有效收集数据;优化实验教学评价,帮助学生树立反思意识等有效策略,以期为今后有关研究提供借鉴。

地球物理实验教学中虚拟仿真系统设计与应用

信息技术的高速发展,使教与学的关系也在不断变化,传统的教学模式已难以满足当前的需求。以“构造地震响应观测与震源过程分析”地球物理虚拟仿真实验系统为例,从实验目的、教学模式、实验方法和教学特色等方面阐述地球物理虚拟仿真实验教学的改革与创新,旨在提升学生实践创新能力培养的效果,为教与学的改革提出新的思考。

基于Three.js的大学物理在线仿真实验开发

Three.js是用JavaScript编写的基于WebGL的在线三维场景和动画的开发引擎。为了使学生能在线开展虚拟仿真实验,探索学生线上自主学习和线下课堂学习相结合的实验教学模式,提升学生实操实验课时的有效利用,采用Three.js提供的JavaScript库函数来开发分光计实验和密立根油滴实验等在线虚拟仿真实验。通过该仿真实验,学生能在实验课之前对实验的原理和操作细节有具体了解,从而对实验中遇到的问题进行深入探究,提高实验教学效果。这些仿真实验也可以作为由于其他原因无法实现线下实验的一种替代教学实验方案。以Three.js为开源开发的物理在线仿真实验平台可推广。

风电机组运行动态数字孪生建模及半物理仿真

面向数字孪生技术所提出的精准映射与实时仿真需求,针对大型风电机组复杂非线性运行特性,提出了一种多输入-多输出(multi-input multi-output,MIMO)有限差分域-混合半机理(finite difference domain-hybrid semi-mechanical,FDD-HSM)数字孪生建模方法,建立了含物理控制器的风电机组数字孪生半物理仿真系统。推导机组集成动态MIMO-FDD-HSM模型结构;定义可表征机组运行工况的有限差分回归向量,完成全工况下有限差分空间紧致凸划分、参数模型辨识以及非参数模型训练;联合物理控制器搭建风电机组数字孪生仿真系统,开展硬件在环实时仿真。结果表明:该仿真系统具有高精度、实时逼近能力。

基于COMSOL多物理场耦合仿真建模方法研究

在相关理论研究的基础上,利用COMSOL Multiphysics建立了一套声振耦合、热力耦合、热声耦合等多物理场耦合仿真建模方法,并通过简单的模型算例进行了仿真计算,在与其理论值及相关文献的结果进行对比分析后,验证了该仿真建模方法的正确性。

四旋翼无人机滑模-CPCMAC联合控制半物理仿真系统

针对四旋翼无人机强耦合、欠驱动、非线性等特点,以及在实际飞行过程中极易受到干扰的问题,对四旋翼无人机动力学模型进行分析,提出了一种基于联合的四旋翼无人机姿态控制算法,并在此基础上设计了四旋翼无人机半物理仿真系统。首先,针对非线性系统设计滑模控制器,选择跟踪航迹和翻滚角设计位置控制率和姿态控制率。其次,滑模控制器在实际应用中易产生震荡,利用基于信用积分的小脑模型神经网络(CPCMAC)来学习滑模控制的方式。最后,搭建基于LabVIEW的控制站,同Matlab/Simulink进行数据收发控制。仿真结果表明,在跟踪目标相同时,提出的四旋翼无人机滑模-CPCMAC联合控制相比于传统的比例积分微分(PID)控制和积分反步法控制优势明显,能够抑制超调和余差,在快速性和鲁棒性方面都更加优越。同时,构建的四旋翼无人机半物理仿真平台能清晰反馈出无人机参数的变化,应用预留的参数接口和地面控制站,降低了无人机飞控算法的开发难度,提高了开发效率,具有明显的实用价值。

通用信道编译码算法物理性能快速仿真系统

为实现信道编译码硬件算法物理性能的快速、准确验证,提出一种软硬件协同的通用化信道编译码算法物理性能快速仿真与性能评估系统。PC上位机软件主要实现模拟信源/噪声数据生成、仿真数据后分析、数据/控制指令传输以及与FPGA下位机交互等功能;FPGA下位机通过设计数据调度与系统控制、信道编译码算法架构、加噪信道以及数据统计等单元,构建通用编译码算法验证系统硬件系统架构,支持不同信道编译码算法物理性能的高效、准确验证。以系统当前支持的BCH码、LDPC码、删余卷积码、RS码及其串行级联码的性能仿真为例开展性能测试,性能恶化最大值低于0.4 dB,在10-7误码率统计量级下,仿真时间低于12 s,验证仿真评估系统的准确性、可靠性与有效性。系统采用的通用级联架构还可支持其他信道编译码算法的快速移植与部署,可为信道编译码算法物理性能快速验证提供一种有效的解决方案。

新工科背景下基于大学物理数值仿真的创新型人才培养

本文通过在大学物理教学中引入基于数值仿真的科学研究方法,创新大学物理教学内容和教学模式,以深化学生对物理基本概念的理解,培养学生的创新意识和创新思维。在教学过程中,结合大学物理典型知识点设计数值仿真研究案例,并通过实践教学的方式,引导学生积极参与数值仿真实验,深入探索物理现象的规律和原理。通过科学、系统地引入基于数值仿真的研究方法,创新了大学物理的教学内容和教学模式,有效提升了学生的科学素养和创新能力,充分发挥了新工科背景下物理基础课程在创新人才培养中的地位和作用。

海底板块构造的综合地球物理虚拟仿真实验平台及其应用

依托“地球物理实验”课程,同济大学海洋与地球科学学院应用多媒体、三维建模等网络化、数字化手段,针对以板块俯冲、海底火山、洋中脊等一系列海底板块构造为代表的典型的地质-物理模型,开发了“海底板块构造的综合地球物理虚拟仿真实验”,设计了认知、基础实验和拓展实验三个模块,开展综合地球物理方法的虚拟仿真实验教学。实验项目实行以学生为本的基于问题和案例互动、自主探究和循序渐进的教学方式,注重培养学生的创新思维和综合技能。

面向电气工程实际的多物理场数值仿真开放实验教学

在电气工程专业本科生电磁场实验教学中,开展面向电气工程实际的多物理场数值仿真开放实验教学,对培养学生的工程观念、综合应用多学科专业知识解决实际电气工程问题的能力具有重要的意义。以电力系统中广泛应用的电力设备——干式空心电抗器为研究对象,阐述了开设干式空心电抗器电、磁、热以及力场等多物理场数值仿真开放实验的目的、内容及实施过程。这些开放实验取得了良好的教学效果。

基于多物理场仿真的油浸式变压器温度特性分析及散热器优化

准确计算油浸式变压器的温度分布并寻求优化方法,对设备运行维护具有重要意义。首先建立了35 kV油浸式变压器的3维等效模型,采用Jiles-Atherton模型模拟变压器铁芯材料的磁滞特性,通过磁场计算获取了铁芯和绕组的损耗密度分布。在此基础上将损耗密度作为热源,经过流–热耦合计算得到变压器的温度场和流场仿真结果。根据计算结果提取了铁芯、绕组区域的温度分布及截面的油流流速分布,并绘制了散热片的最高温度和流速曲线。最后结合中心组合设计和仿真分析方法得出不同散热器结构参数下的变压器热点温度,构建热点温度与结构参数间的支持向量机模型,采用粒子群算法获得了最优参数。变压器热点温度较优化前降低了15.12 K,仿真与模型预测结果的相对误差为6.42%,验证了优化模型的有效性。结果表明:优化方法能够显著降低变压器热点温度,为变压器的优化设计提供了新的思路和参考。

基于Unity3D的草坪毯修补机器人半物理仿真系统

机电一体化纺织机械的研发普遍存在现场调试工作量大、周期长及成本高等问题,针对目前主流仿真软件存在的三维展示效果差,或实时性不足,或无法连接机械电子软件进行综合仿真等缺点,研究设计了一套半物理仿真系统。基于Unity3D虚拟现实引擎搭建了仿真平台,以仿真电路板为载体,实现了虚拟机械与控制系统间数据的实时交互;以草坪毯自动修补机器人为仿真对象,证明该半物理仿真系统具有较好的实时性及三维展示效果;通过输出修补机器人关键结构的运动时序图、空间轨迹图,验证了修补机器人机电系统的工艺仿真可行性,可替代部分现场调试工作,减少工作量、缩短研发周期、节约成本,提高设备的研发效率。

基于COMSOL的三维扬声器多物理场仿真

为了提高扬声器等音频设备的设计效率和工作性能,通过多物理场分析软件对扬声器模型进行建模分析,并且基于扬声器的工作原理提出了一种对三维复杂模型进行单项解耦的分析方法,该方法是把磁场单独提出来进行仿真计算,将结果带入到声—固耦合仿真从而达到全耦合的效果。利用该方法对模型进行时域仿真,其中分析了BL因子随音圈振动产生的非线性失真对仿真的影响,分析了单项解耦方法得到下的仿真结果,并将声压级曲线与传统多物理场全耦合方法的结果进行对比分析,讨论了单项解耦方法的可行性和优势,得到了在三维扬声器中单项解耦方法比全耦合方法更高效、准确的结论。

一种基于COMSOL的四极场离子运动仿真模型

四极场质谱仪是目前应用最广泛的小型质谱仪器之一。研究四极场中离子运动轨迹,对于深入理解和认识四极场中离子的行为非常重要,不仅有助于提出新的质谱技术问题,也对质谱仪器研制具有指导意义。离子运动的数值模拟和仿真是研究四极杆中离子运动行为的高效数字化手段。本文基于COMSOL Multiphysics建立了四极场的数字仿真模型Sim-Quaq-COM-V1.0,应用该模型得到的仿真数据结果与理论计算结果一致,可作为研究四极场中离子行为的精确数字化模型。在此基础上,对比研究了双曲四极杆与圆柱四极杆中离子的运动行为,相同条件下,m/z 69离子在双曲四极场中通过的数量约为圆柱四极场的4倍。该仿真计算模型能够快速配置全局参数,节省几何设计和建模的时间,降低计算难度;模型支持并行计算技术,在计算速度和计算量方面均有大幅提升,能够同时处理大量离子,缩短研究周期,助力质谱仪器设计和研发技术的数字化发展。

基于多物理场仿真的低频变压器温度特性分析及导向结构优化

为了降低低频工况下油浸式电力变压器的热点温度与内部温升,基于电磁-热-流体场多物理场耦合对低频变压器绕组区域导向结构开展优化分析。通过对变压器电磁部分的有限元数值计算,确定低频变压器与同工况下的工频变压器在铁芯和绕组区域的磁密分布与损耗特性区别。然后在此基础上将铁芯和绕组的损耗作为热源代入流体场和温度场进行仿真分析,得到变压器整体和绕组区域局部的温度及油流分布。最后通过构建20 Hz低频变压器绕组区域的油流传热模型,结合有限元仿真研究导油挡板数量与分布对绕组区域油流量、平均温度和热点温度的影响,并获得导向结构的最佳分配方案。研究结果表明,20 Hz低频变压器绕组区域的热点温度较无挡油板的模型下降了14.44%,该结果可为低频变压器紧凑化设计提供优化方案。

利用Three.js技术实现物理实验三维仿真

虚拟仿真实验教学能弥补传统物理实验的不足,现有物理实验仿真软件大都是二维的,教学效果有限。采用Three.js 3D技术,以“撒克逊碗下沉实验”为例,通过构建三维模型突破平面限制,实现一个立体的、在线的交互式虚拟仿真系统:通过对实验器材和过程三维建模,实现立体仿真,设计了4种实验探究变量间关系,虚拟教师提升可观察性,视频、语音增加了趣味性。应用实践表明,该系统能大大提高教学效果。

黏滞液体落球实验的COMSOL仿真探索

随着计算科学的发展,数字模拟技术被广泛运用于教育领域。在大学物理实验教学中,通过软件模拟可以更加直观显示实验现象和模拟规律,得到实验上无法测量的物理量,从而拓展实验教学的广度和深度。本文利用COMSOL Multiphysics软件对落球法测定黏度实验进行模拟分析,研究了落球法测定黏度实验中的速度场、压力梯度、速度变化和受力图等实验现象。研究发现COMSOL软件对实验建模具有很高的精度,可以有效辅助实验教学和开发,让学生加深对于物理实验规律的认识,培养学生数字化运用能力,从而提升实验教学效果。