基于Lagrangian粒子法的船舶横摇阻尼涡模式数值研究

Lagrangian粒子法是近年来新兴的一类无网格方法.基于该广义理论下的有限点法,将问题求解域离散为有限个空间粒子点,借助移动最小二乘法获得粒子的物理场函数,利用投影法分步求解拉格朗日形式下的不可压缩Navier-Stokes方程,最后数值模拟得到S60船模各二维横剖面在横摇时的涡模式,有效地捕捉到船体周围流场的非线性特征,如流体分离、漩涡泄出等.计算结果表明:船舯附近的剖面在横摇时,在其舭部周围将会产生两个涡,故舭部表面压力呈正负交错变化;当剖面位置逐渐靠近船艏或船艉时,其舭部涡缩减为一个,此时舭部附近压力符号无变化.将该数值计算结果与试验进行对比验证,二者吻合较好,说明Lagrangian观点下的有限点法针对船体各横剖面的横摇阻尼涡模式均给出了较为准确的数值模拟结果,有效验证了本文计算方法的可靠性.

基于非结构网格粒子输运的蒙特卡罗模拟计算研究

传统的构造实体几何的建模方式不能满足复杂几何输运、多物理耦合计算和大尺度核辐射效应模拟等问题,目前MCNP程序允许在非结构化的网格下跟踪粒子,它是作为一个网格空间嵌入在传统的构造实体几何之中,非结构网格几何采用有限元程序ABAQUS创建,使用MCNP的径迹长度估计器计算非结构网格单元内的输运结果,并在非结构网格上执行单元对单元的跟踪,结果可以输出到ABAQUS或者Paraview进行可视化和其他物理分析。本文分析了两种典型的基准实验:Ueki固定源和Godiva临界源问题,模拟结果表明,UM几何的运行时间和与CSG几何的计算偏差与输入网格单元的数量、单元的阶数成正比,同样阶数的四面体比六面体结果误差更小,本文的非结构网格计算结果与传统的构造实体几何结构结果具有很好的一致性。

基于多策略融合改进粒子群算法的路径规划研究

针对传统粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)在路径规划中易陷入局部最优使得规划路径较长以及搜索后期由于种群多样性降低容易陷入停滞等问题,提出一种多策略融合粒子群算法(multi-strategy fusion particle swarm optimization,MFPSO)并将其应用于路径规划中。首先,利用中垂线算法(midperpendicular algorithm)的粒子位置更新方法提升粒子的收敛速度;其次,在最优粒子附近采用生成爆炸粒子的策略使算法跳出局部最优;然后,引入线性动态惯性权重调整方法,增加算法的搜索能力;最后,在路径规划应用中采用全局最优解局部搜索策略,在算法后期得出的最优路径再进行局部搜索得出更优的路径,增加机器人路径规划能力。仿真结果表明,多策略融合粒子群算法在路径规划中具有更高的路径搜索能力。

混合策略改进的粒子群算法

针对粒子群算法易陷入局部最优、收敛精度低、收敛速度慢等缺陷,提出了基于混合策略的改进粒子群算法。使用融合Circle映射与精英反向学习的策略初始化种群,提升初始种群的质量,同时加快收敛速度;在粒子速度更新方式中引入蜘蛛移动策略平衡算法的全局搜索与局部搜索;提出了基于自适应t分布的变异策略,增强算法全局搜索和跳出局部最优能力;对15个单峰和多峰函数进行仿真实验,与其他3种算法进行了对比分析,结果表明:所提出的改进算法具有很强的寻优能力与稳定性。

基于粒子群优化-熵权无偏灰色马尔可夫模型的沥青道面性能预测

为提高沥青道面使用性能的预测精度,针对道面性能数据累积年限少、波动大的特点,采用熵值法对多个道面单元进行赋权,并利用粒子群算法(PSO)和马尔可夫模型对传统无偏灰色模型残差序列的状态区间和白化系数进行优化,构建可准确预测沥青道面性能的PSO-熵权无偏灰色马尔可夫模型.结合西北某机场沥青道面6个检测单元前7年的道面状况指数进行模型精度检验,结果表明:与传统无偏灰色模型相比,经马尔可夫模型划分残差序列空间并使用PSO算法寻找最佳白化函数后,优化模型第1年~第5年各单元残差和相对误差均减小,且整体预测精度分别提高0.05%、0.28%、0.05%、0.03%和0.14%,第6、7年的整体预测精度分别提高12.9%和19.2%,说明优化后的模型对实际沥青道面的预测结果更具有效性和针对性.

微流控粒子分选中圆形微凹槽容纳特性研究

微流控技术由于具备操控微通道中微小体积流体的能力,已成为操控粒子和细胞的新平台.基于粒子惯性迁移和微凹槽涡胞捕获的粒子分选方法,是一种重要的微流控粒子操控技术.目前,微凹槽容纳的粒子数量不高,制约了该方法的效率.为了提高微凹槽粒子容量,对圆形微凹槽进行结构设计,并利用高速显微成像技术和数值模拟,研究了不同圆形微凹槽的粒子容纳能力.研究发现,相同入口雷诺数(Re=37~555)下,带底腔的圆形微凹槽相较于普通圆形微凹槽容纳的粒子数量提升了45%,这是因为增加底腔后使得涡流线向下延展,形成更深的“U形”结构,可以容纳更多的粒子;当Re=482时,带底腔的直径500μm的圆凹槽比直径600μm的圆凹槽的粒子容量提高了93.9%,原因是前者凹槽内粒子运动轨道与流线更加吻合,粒子轨道面积与凹槽面积占比达到了97%;随着Re增加,从侧通道收集到的粒子富集浓度整体呈现先缓慢增大后减小的趋势,收集到的20μm粒子的最大富集浓度为初始悬浮液的126.7倍;不同微凹槽内粒子群的轨道运动受到涡流场特性、粒子物性及粒子间相互作用和壁面限制作用等因素的共同影响.研究结果对微凹槽结构设计和提高粒子分选性能有重要指导意义.

复杂多相流体的介观模拟:耗散粒子动力学方法及应用

在悬浮液、乳液和泡沫等复杂多相流体中,离散分布着大量的纳米至微米尺度的颗粒、液滴和气泡等,在流动作用下这些离散相物质呈现出复杂的个体或群体运动行为,进而显著影响这些复杂多相流体的宏观流变和流动行为.针对这类流体,开展介观尺度数值模拟成为一种有效且相对经济的研究手段.其中,耗散粒子动力学(dissipative particle dynamics,DPD)方法是一种具有代表性的介观尺度数值模拟方法,由于其粒子方法的特质,DPD方法适合用于上述复杂多相流体内部结构的数值建模和数值模拟研究.本文对近年来DPD方法在颗粒悬浮液、乳液和气泡等复杂多相流体模拟方面研究进展进行了系统的介绍,深入探讨了DPD方法在复杂多相流体介观模拟方面的针对性改进以及当前存在的不足,并对DPD方法的研究和应用进行了总结和展望.

改进粒子群优化滚珠丝杠进给系统BP神经网络PID控制策略研究

针对传统的BP神经网络PID(BP-PID)控制因其初始权值随机,导致系统的收敛速度较慢、控制前期会有较大误差和BP神经网络初始权值优化等问题,建立了滚珠丝杠进给系统伺服三环模型,设计了BP-PID控制器,提出了一种二阶振荡混沌映射粒子群算法(SCMPSO)优化滚珠丝杠进给系统BP-PID控制器。首先,混沌映射初始化粒子位置,使粒子均匀分布于空间,增加粒子解的多样性;随后,提出一种非线性余弦自适应惯性权重,以平衡算法的全局搜索能力和局部搜索能力;其次,在算法中引入二阶振荡环节,在面对突变多峰干扰时,能及时跳出局部最优解。研究结果表明:当加入外界干扰时,控制策略SCMPSO-BP-PID在正向进给时段的位移平均误差为0.013 mm,相比SAWPSO-BP-PID、LDWPSO-BP-PID、PSO-BP-PID这3种控制策略分别提升约45.8%、55.2%、61.7%;当加入阶跃响应时,SCMPSO-BP-PID的最大超调量仅为0.029,系统调节时间和峰值时间相比3种控制策略均有较大提升,具有较高的控制精度和稳定性。

基于磁性纳米粒子的比色适配体传感器检测赭曲霉毒素A

基于磁性纳米粒子(Fe_(3)O_(4)@Au)和纳米银(Ag NPs),通过DNA碱基互补配对,构建了一种新颖的比率比色传感器用于赭曲霉毒素A(Ochratoxin A,OTA)的检测。OTA适配体(aptamer)偶联的Fe_(3)O_(4)@Au作为参比信号,互补DNA(cDNA)偶联的Ag NPs作为响应信号,通过调控两者的比例以及DNA碱基互补,制备了具有两个紫外吸收峰的比率纳米探针(Fe_(3)O_(4)@Au-Ag)。没有OTA存在时,比率比色传感器的吸光度比值(A400/A580)保持恒定。对检测条件(时间、pH和温度)进行了优化,在优化条件下,该传感器对OTA检测呈现良好的线性关系,线性范围为0.01~1000 ng·mL^(-1),检出限为0.033 ng·mL^(-1)。该传感器具有良好的选择性、重现性和高灵敏度,并被成功应用于豌豆粉中OTA的检测,回收率为93.9%~96.0%。

具有不同扩散系数的活性手征粒子分离

近几年对活性粒子的研究已成为很多领域研究者关注的重要课题之一,其中关于活性手征粒子的相分离问题具有重要的理论和实际意义.本文通过朗之万动力学研究了具有不同扩散系数的活性手征粒子组成的二元混合系统中粒子的相分离.较小的相对扩散系数有利于“冷”粒子形成大的团簇而分离,较大的相对扩散系数则会减弱分离效果.由于粒子特征(自驱动速度、自转角速度)和相对扩散系数对粒子间碰撞作用的影响,系统要使“冷”“热”粒子达到相分离,自驱动速度和自转角速度的增大(或减小)不能同步,自驱动速度的相对变化率要小于自转角速度的相对变化率.通过分析“冷”粒子有效扩散系数的变化,系统相分离现象得到了很好的解释.有效扩散系数较小意味着“冷”粒子会聚集形成较大的团簇,系统可出现相分离现象,而当有效扩散系数较大时“冷”粒子的扩散较强,不会形成大的团簇产生相分离.另外,随着粒子填充率的增大“冷”粒子最大团簇粒子数占比曲线进行先增大后减小的非单调变化,每条曲线存在一段最优粒子填充率宽度.相对扩散系数和自驱动速度的增大,会使曲线的最优填充率宽度变窄并向右偏移.

脉冲激光模拟单粒子效应试验技术述评

对近十年开展的脉冲激光单粒子效应试验技术进行了述评,指出脉冲激光模拟试验技术具有一定的优势和特点,与重离子模拟试验手段相比,方便易用,试验费用低。总结分析了近十年实验室开展的单粒子效应脉冲激光模拟试验技术研究工作,介绍了电子器件及集成电路单粒子效应激光模拟试验研究结果,对采用脉冲激光模拟单粒子效应试验获得的试验数据与重离子实验数据的等效性进行了比对分析。基于大量试验研究工作,建立了单粒子效应实验室模拟试验及加固评估的手段和方法,使单粒子效应激光模拟试验系统在加固评估中得到应用;试验研究表明,单粒子效应激光模拟系统可以确定单粒子敏感区、敏感参数、翻转截面获取及电子系统故障注入等,为航天器空间辐射效应模拟及加固设计验证开辟了新的技术途径和方法。

基于粒子群优化模糊PID控制的水厂加氯系统

水厂加氯过程具有非线性、大时滞等特点,采用传统的PID控制方式难以实现消毒剂精准投加。因此,以某采用次氯酸钠消毒系统的水厂为例,首先通过分析该水厂加氯系统工作原理,结合工程经验和运行数据确定了加氯过程的近似数学模型。然后综合使用粒子群优化算法、模糊控制算法和PID控制算法,设计了一种粒子群优化模糊PID控制器,并利用MATLAB软件搭建了粒子群优化模糊PID控制系统和传统PID控制系统的模型进行仿真验证,结果表明:相较于传统PID控制系统,粒子群优化模糊PID控制系统的超调量减少了89.36%,调节时间减少了46.63%,其抗干扰能力也更强,系统整体控制效果有了较大提升。最后使用基于粒子群优化的模糊PID控制法对水厂加氯控制系统进行改造,试运行后发现,新系统控制效果良好,出厂水游离氯值能够稳定在设定值附近。

行星际超低噪声三维能量粒子谱仪设计

太阳系能量粒子的起源和加速一直是空间物理学的重要前沿课题之一.在行星际空间中观测到的太阳系能量粒子主要分为两类:一类是持续存在的“太阳风能量粒子”,另一类是间歇性的“太阳能量粒子事件”.受限于以往行星际粒子探测器的灵敏度还不足够高,人类迄今仍未洞悉这些能量粒子起源和加速的物理过程与本质.本文设计了技术指标均为国际领先水平的行星际超低噪声三维能量粒子谱仪,采用双端望远镜结构(一端利用薄膜阻挡质子技术实现高灵敏电子探测,另一端利用磁场偏转电子技术实现高灵敏质子探测),结合多层、多像素半导体探测器阵列和覆盖近4π立体角的大视场设计,实现对行星际空间中20~1000 keV电子和25~12000 keV质子的三维分布进行高时间分辨率、高角度分辨率和高能量分辨率探测,用以揭示太阳系能量粒子起源和加速的机理,满足我国行星际探测和即将开展的深空探测的迫切需求.

基于粒子群算法的电机控制策略研究

针对电机速度控制存在的响应慢、精度差等问题,采用PSO优化PID控制器参数实现对无刷直流电机的速度控制。构建了直流电机的数学模型与控制模型,在此基础上提出了PSO优化PID参数的流程。在MATLAB/Simulink平台下搭建无刷直流电机控制系统仿真模型,对比传统PID控制、GA优化PID参数控制、PSO优化PID参数控制3种电机控制策略在电机空载工况、转速发生阶跃变化工况、电机负载发生阶跃工况下的仿真结果。结果表明,PSO优化PID参数控制相对于其它两种控制策略,其转速响应速度快、抗负载干扰能力强。

羟肟酸纳米粒子捕收剂浮选白钨矿试验

为实现微细粒白钨矿的有效回收,使用含有羟肟酸基团的羟肟酸纳米粒子(SAC)作为白钨矿捕收剂,通过浮选试验对比了SAC与水杨羟肟酸(SHA)对白钨矿及脉石矿物的浮选性能。试验结果表明:SAC对白钨矿的浮选回收率较SHA对白钨矿的浮选回收率高5.7个百分点,对方解石的浮选回收率较SHA对方解石的浮选回收率低4.0个百分点,对石英均无捕收作用。通过接触角和Zeta电位分析表明,SAC在白钨矿表面发生吸附,形成纳米级粗糙结构,与SAC的疏水性共同作用,提高了白钨矿表面的接触角,改善了白钨矿的疏水性。

单分散Al-4.5wt%Cu合金粒子的制备与凝固过程模拟

使用脉冲微孔喷射法制备了粒径可控的单分散Al-4.5wt%Cu液滴,对液滴凝固成的粒子进行分析表征。结果表明:该粒子具有粒径均一、高球形度、热履历一致的优点。随着粒径的增长,粒子的内部微观结构由胞状晶变为树枝晶。建立了粒子凝固过程的传热数值计算模型,分析了粒子下落中温度、温度梯度变化及冷却速率与粒子微观组织形貌的关系。在本实验条件下,310.0μm粒子内部凝固组织为胞状晶,冷却速率为771.71 K/s;485.1μm粒子内部凝固组织为树枝晶,冷却速率为382.40 K/s。

放射性粒子125I体外实验模型的发展和现状

放射性粒子125I植入术作为临床治疗肿瘤的重要手段之一,近些年已在临床应用越来越广泛,并取得了令人瞩目的效果[1-5]。在我国,临床上主要使用的125I放射性粒子为6711型,结构见图1[6],半衰期59.6天,主要发射光子能量为 27.4 keV、31.4 keV 的X射线和光子能量为35.5 keV的γ射线,半价层为0.025 mmPb。放射性粒子植入术属于近距离放射治疗范围,不同于其他放射治疗方法,是采用极低剂量率持续照射肿瘤来获得治疗效果的。

系统级单粒子效应试验方法研究

为评估星载电子系统抗单粒子效应敏感性及验证系统级加固方法有效性,本文开展了系统级单粒子效应试验方法的相关研究。验证了采用地面模拟装置以逐一辐照系统中器件方式评估系统功能中断率的可行性,提出可通过多种方式获取器件的敏感性数据,指出直接将系统中器件对应的功能中断截面进行加和求取系统截面曲线的不合理之处,本研究为开展系统级单粒子效应试验提供了技术支撑。

改良术中实时计划对125Ⅰ粒子治疗腰淋巴结转移癌的价值

目的 探讨改良术中实时计划对CT引导125Ⅰ粒子植入治疗腰淋巴结转移癌的价值。方法 选取2015年1月至2021年12月在河北省人民医院接受125Ⅰ粒子治疗的腰淋巴结转移癌患者26例。根据手术时长(<1.5 h和≥1.5 h)将患者分为两组各13例,分别接受传统术中实时计划(传统术中实时计划组)和改良术中实时计划(改良术中实时计划组)。比较各组术前和术后D90、V90、V100、V150及肠管和腹主动脉的D2cc剂量参数的差异及两组各剂量参数差值百分比的差异。观察两组术后6个月的疗效与并发症情况。结果 改良术中实时计划组术前和术后各剂量参数比较,差异均无统计学意义(均P>0.05)。传统术中实时计划组术前和术后V150比较,差异具有统计学意义(P<0.01);其余参数比较,差异均无统计学意义(均P>0.05)。两组V150差值百分比比较,差异具有统计学意义(P=0.035);其余各剂量参数差值百分比比较,差异均无统计学意义(均P>0.05)。改良术中实时计划组和传统术中实时计划组术后6个月有效率分别为76.9%(10/13)和46.2%(6/13;P=0.226)。两组均未出现腹膜炎和出血等并发症。结论 改良术中实时计划提高粒子剂量分布的准确性,在一定程度上降低高剂量区范围,为125Ⅰ粒子治疗腰淋巴结转移癌的安全性提供保证。

改进粒子群优化算法在机械臂轨迹规划中的应用

针对机械臂运动效率与稳定性问题,提出了一种基于改进粒子群算法的时间优化轨迹规划方法。该方法以3-5-3组合分段多项式插值算法为基础,以分段区间的时间为优化目标,通过带有动态学习因子与收缩因子的改进粒子群优化算法进行优化。本文以实验室的空中作业机器人作业机械臂为模型,将本文方法与标准粒子群优化规划方法进行比较,仿真结果证明该方法收敛速度和精度都有明显改善,且算法未陷入局部收敛,最终优化结果有12.8%的提升。在该轨迹下机械臂的关节角度、速度、加速度曲线平滑无突变,机械臂运动平稳,方法具有可行性。