倾斜椭球凹陷阵列湍流强化传热实验与数值分析

为了提高涡轮叶片内部通道对流传热性能,本文基于瞬态液晶热像技术分别针对矩形通道表面排布的球形凹陷和斜椭球凹陷阵列的传热和压力损失特性进行了实验研究。在雷诺数为1×10^(4)~6×10^(4)内,与基准球形凹陷相比,平行排布和V形排布的斜椭球凹陷总体传热分别增强了23.8%~33.8%和104%~121%,V形排布的斜椭球凹陷综合传热性能显著提高了25%~68.3%。通过数值模拟发现,平行排布的斜椭球凹陷虽然可以诱发更强烈的二次流,但是平行的排布方式使下游凹陷受到来自上游凹陷升温后的流体冲刷,因此限制了传热的进一步增强。V形排布的斜椭球凹陷通过诱发大尺度的纵向涡对将来自主流的冷流体输运至壁面,冷流体直接冲击壁面并与近壁流体剪切,极大地增强了对流传热。

椭球体绕流阻力数值模拟研究

颗粒在无界均匀流场中的阻力是颗粒多相流领域最基本的问题之一。在相关的工程应用与科学研究中,颗粒基本都是非球形。早期基本以相同体积的圆球阻力来近似非球颗粒的实际阻力,近来则提出了多种基于实验数值拟合的非球颗粒阻力经验公式。本文通过高精度的计算方法,系统模拟了从扁平到细长的回转椭球颗粒,在常见的颗粒雷诺数范围内(0.1~1000),对于各种来流攻角条件下的阻力,数值模拟结果得到了已知理论解的充分验证。在不存在理论解的大多数条件下,将数值结果与多种流行的经验公式结果进行了系统比较。一般而言,当颗粒以最大迎风面积置于来流中时,其所受阻力最大。但是数值模拟发现了特例,在流动进入牛顿阻力区时(雷诺数1000),扁平的椭球在回转轴与流向一致时(此时具有最大迎风面积),其阻力反而小于倾斜置于流场中的结果。对流动结构的分析表明,这是因为在非轴对称条件(颗粒倾斜)下,流动更容易失稳,造成紊乱的尾流,使得压差阻力上升。综合分析表明,对于给定的颗粒形状,数值模拟相对于通过各种实验数据拟合得到的适用于一般非球颗粒的经验公式具有更高的精度。累积更大量的高精度数值模拟结果,有望给出具有更高精度、更具适应性的阻力公式。

基于广义超椭球模型的结构非概率可靠性指标

非概率凸集合模型仅需获知结构不确定性的范围或界限来度量结构可靠性,因而适用于小样本不确定性结构工程问题.针对广义超椭球模型,对其非概率可靠性度量问题进行了研究.首先,提出了基于广义超椭球模型的简单非概率可靠性指标,定义为结构功能函数的均值与离差之比,并讨论了该可靠性指标的不一致性问题.其次,为克服上述不一致性问题,提出了一种比例因子非概率可靠性指标,定义为不确定域向外扩大或向内收缩时,失效面与不确定域接触的最小比例因子.最后,通过3个工程算例分析验证了所提非概率可靠性指标的有效性和可行性.

异形椭球滑面构建及边坡三维稳定性分析

边坡临界滑动面的确定是边坡稳定性分析中的关键问题之一。现实中边坡所处环境往往十分复杂且形状各异,而传统的滑动面模型难以全面适应这些复杂条件。因此,提出了一种基于异形椭球面作为滑动面的三维稳定性分析方法。首先,构建异形椭球方程,并通过空间几何变换生成由半长轴a等六个参数控制的异形椭球。利用异形椭球在短轴上的不对称性,生成Ⅰ型和Ⅱ型两种异形椭球滑面,使用插值方法将两种滑面应用于三维边坡,形成异形椭球滑动面。接着,采用剩余推力法和遗传算法计算边坡稳定性系数,并搜索临界滑动面。通过经典算例进行验证,对比分析了标准椭球滑面与异形椭球滑面的稳定性。结果表明,Ⅰ型和Ⅱ型异形椭球滑面的边坡安全系数分别为2.266和1.994,相较于标准椭球滑面,异形椭球滑面在搜索过程中显示出更快的速度和更稳定的最小安全系数收敛,更适用于复杂边坡。最后,将Ⅱ型异形椭球滑面在工程实例中应用,计算结果与实际情况相符,验证了该方法的可行性。

异步测量系统的分布式序贯椭球相交融合估计

针对具有测量缺失现象的多源异步测量系统的状态估计,提出一种基于条件Kalman滤波的分布式序贯椭球相交(DSEI)融合算法。对系统测量缺失现象通过一组服从伯努利分布的随机变量进行建模描述;同步化状态空间模块利用状态迭代方法将异步测量系统在测量更新时刻进行同步;局部滤波模块采用条件Kalman滤波算法实现,保证滤波结果的完整性;融合估计模块在不考虑多传感器间相关性信息的前提下,设计DSEI融合算法对各个传感器提供的滤波结果进行融合。仿真实例验证了所提算法具有精度提高35%、迭代时间小于3 ms的优越性能。

椭球形反转核/壳量子点中杂质态的结合能及光致电离截面

利用变分理论和有效质量近似,研究了核为势垒、壳为势阱的椭球形反转核/壳量子点中杂质态结合能及光致电离截面随体系尺寸、椭球率以及杂质位置的变化关系。数值计算结果表明:量子点尺寸和形状对结合能及光致电离截面有着重要的影响,且结合能随量子点尺寸和杂质位置变化呈非单调变化,当壳厚度较小时椭球率的影响明显,且随着椭球率的增大结合能增加;光致电离截面的峰值强度在不同杂质位置、不同椭球率下均随着核尺寸增加而增大,并伴随着峰值位置出现红移或蓝移现象。

共聚酯薄膜单轴拉伸中的折射率椭球在线测量

聚酯膜的光学性能取决于其化学组成以及在特定工艺条件下形成的结晶、取向结构,拉伸过程中聚酯结晶、取向结构演化的相关研究,对高品质聚酯光学膜的生产具有重要意义。将一束强度随时间交变的激光源分为参考光、直射测量光、斜射测量光三路,利用测量光通过介质时的光学延迟能够通过测量光和参考光的强度-时间曲线的相位差来反映的原理,组建可在线测量介质折射率椭球变化的装置,在此基础上,对改性共聚酯膜单轴拉伸过程中的应力-光学行为进行研究,考察分子链刚性对聚酯分子应力诱导取向效应的影响。结果显示,分子刚性较大的共聚酯对单轴拉伸载荷的响应更为敏感,能够更快地在拉伸方向形成较高的取向,但分子刚性较大的共聚酯垂直于载荷方向的取向调整能力变弱。

粗糙和光滑椭球胶体的受限扩散

复杂受限环境中的扩散研究在凝聚态物理领域中备受关注.胶体体系的出现,为定量研究微观粒子的受限扩散提供了卓越的实验模型系统.当胶体粒子的形状由球形变为椭球形时,体系展现出各向异性的扩散动力学特性.近年来,研究者们发现粗糙表面能够诱发球形胶体体系异常的旋转动力学.然而,由于实验体系的局限性,粗糙表面对椭球形胶体粒子的受限扩散的影响依然知之甚少.本文建立了胶体受限扩散的模型体系,由粗糙圆球胶体构成受限环境,研究了粗糙和光滑椭球在其中的受限扩散.当圆球的堆积分数较低时,粗糙表面未发挥作用,因此光滑和粗糙椭球的平动和转动扩散相近.随着圆球堆积分数的增高,粗糙表面之间发生互锁,导致粗糙椭球的平动扩散明显慢于光滑椭球;随着堆积分数的进一步增高,由于粗糙表面产生的空间位阻效应,粗糙椭球的转动扩散也显著慢于光滑椭球.该工作表明粗糙表面会改变椭球的受限扩散,为揭示复杂环境中具有粗糙表面物质的扩散规律提供了实验依据.

基于椭球体建模的多机器人碰撞检测方法研究

多机器人协同工作共享的工作空间使得机器人彼此之间存在交互运动,这将不可避免地导致机器人在运动过程中发生碰撞现象,一旦碰撞发生就会造成严重的操作事故,所以碰撞检测是多机器人协作技术中重要的环节之一。针对多机器人碰撞检测问题,主要研究基于离散的碰撞检测,在规划的路径上划分时间步,反复地进行静态碰撞检测,从而完成机器人在运动过程中的碰撞检测。针对基于椭球体建模的多机器人碰撞检测问题,采用椭球体包围机器人连杆、关节等结构,获取空间椭球体间最短距离来判断机器人间是否有碰撞发生。针对椭球体间最短距离的求解,采用基于椭球坐标系的最短距离求解算法,以其中一椭球体中心为原点和椭球的半轴长建立局部椭球坐标系,利用等高面的概念来求解另一椭球体到椭球坐标系原点的最短距离,计算效率更快。对机器人结构参数进行初始化,并提取规划路径的空间位置参数,在路径上划分时间步,在每一个时间步上反复调用碰撞检测算法函数,从而获取机器人运动过程中各个离散点的最短距离,最终得到最短距离变化曲线,进行碰撞检测。并通过一个仿真算例验证了此方法的有效性。

深度学习计算T2加权像磁共振前列腺体积:与椭球公式比较

目的研究和实现利用深度学习计算T2加权像MR的前列腺体积,并与椭球公式计算的前列腺体积进行比较。资料与方法回顾性收集2019年10月—2022年2月武汉大学人民医院经病理确诊的180例前列腺增生和251例前列腺癌患者的T2加权像MR图像及诊断报告,根据诊断报告使用椭球公式计算每例患者的前列腺体积,使用U-Net模型的变体对所收集MR图像上的前列腺进行分割,利用公式前列腺体积=对(前列腺像素数目×每个像素的大小×层厚)进行求和,获得深度学习计算的前列腺体积。比较深度学习和椭球公式计算的前列腺体积差异和一致性。结果Bland-Altman分析显示,在前列腺增生和前列腺癌患者中,深度学习和椭球公式计算的前列腺体积具有较高的一致性,仅5%和6.37%的数据位于95%置信区间外。前列腺增生组用两种方法计算的前列腺体积的一致性高于前列腺癌组(ICC=0.803、0.686)。两种方法计算的前列腺体积在两组间差异有统计学意义(Z=-10.742、-12.706,P<0.05),深度学习计算的前列腺体积更大。结论深度学习在计算前列腺体积方面与椭球公式保持一致,利用深度学习计算MR前列腺体积具有广阔的前景,但还需进一步改进。

基于椭球面共形相控阵的卫星可见性仿真分析

针对我国航天事业迅猛发展,在轨运行卫星数量急剧增加,有限的航天测控资源难以满足日益增长的测控需求的问题,基于网格球顶相控阵天线技术及现有地面测控站数学结构,设计了一种符合实际工程需求的半椭球面共形相控阵阵列地面测控站模型;采用STK/Matlab联合仿真的方法,以卫星两行数作为目标库进行数据采集,通过地球坐标系与子阵视线坐标系实现数据转换,对地面站选址与中国现役卫星之间的可见性关系进行了研究;仿真结果表明,纬度和经度均与卫星可见性成正相关关系,为全国范围内地面测控站工作积累科学数据,对后续相控阵阵列天线最大化利用提供数据基础与应用支持。

基于超椭球Markov的列车控制中心剩余使用寿命预测

为研究设备可用度对列车控制中心(TCC,Train Control Center)的影响和预测TCC的剩余使用寿命(RUL,Remaining Useful Life),降低TCC的故障发生率,确保车辆安全运行,构建TCC动态故障树模型。通过引入Markov理论,将其转化为Markov模型,设计了TCC可用度评估与RUL预测方法;考虑了TCC的失效率和共因失效,利用D-S(Dempster-Shafer)证据理论对失效数据作数据融合处理,得到TCC设备初始故障区间概率;在此基础上,采用超椭球模型约束设备初始故障区间概率,得到更加精确的底事件故障区间概率;画出Markov状态转移图,用矩阵推导出TCC可用度和RUL的函数关系式,且对可用度的计算还考虑了维修因素。以兰州—乌鲁木齐客运专线某TCC数据作为分析案例,用该方法计算TCC及其各设备的可用度,并预测TCC的RUL。结果表明:与通用方法相比,评估结果相同,但评估信息更丰富。

构建适用于抽水蓄能工程椭球面的GNSS施工控制网平差方法探讨

为解决抽水蓄能电站工程GNSS施工控制网建设过程中椭球面与高程投影面不平行,造成坐标反算距离与全站仪实测距离不一致问题,本文提出一种采用多点拟合平移椭球中心构建适用于抽水蓄能工程椭球面的方法,并通过具体案例验证此方法的可行性,取得了良好的效果。此方法可为抽水蓄能工程施工控制网平差处理提供借鉴。

基于椭球模型的斜视星载SAR距离模糊仿真

距离模糊比是星载SAR图像的一项重要指标,与正侧视成像相比,大斜视成像星地几何关系更为复杂,传统距离模糊计算与仿真中将地球视为球体的假设会对计算结果造成较大偏差,不能准确评估SAR图像质量。本文采用更为准确的地球椭球模型代替球体模型,并提出了一种基于斜视天线坐标系的模糊区计算方法,利用此方法对距离模糊比沿距离向测绘带的变化进行仿真,同时对距离模糊比沿方位向的空变性也进行研究。本文研究成果对星载SAR系统设计具有重要参考价值。

多道次冲压与电磁渐进成形复合工艺下薄壁椭球件塑性变形机制

为解决大尺寸变曲率薄壁椭球件常规成形易失稳起皱、尺寸超差和装备复杂等问题,提出了多道次冲压与采用环形线圈渐进成形制造薄壁椭球件的方法。采用ANSYS和ABAQUS软件联合分析了准静态冲压和线圈多次放电对零件不同区域应力应变状态和成形质量的影响。结果表明:环形线圈正对的板料区域在电磁力作用下发生高度变形,材料周向压应力出现高频振动并大幅度衰减,有效抑制了起皱产生。传统直接冲压高度为60 mm时,板料起皱位移可达7 mm。采用多道次冲压与电磁成形复合的方法,零件起皱被完全抑制。采用有限元模拟得到的最佳工艺参数,建立了实验工装并获得表面光滑的椭球形零件。

壁面约束下椭球颗粒曳力特性研究

颗粒两相流系统广泛存在于自然界和工程应用中,实际颗粒往往并非球形且受其附近壁面的影响。基于欧拉-拉格朗日方法的颗粒两相流数值模拟已成为非球形颗粒两相流系统设计的重要工具,然而其准确性受限于非球形颗粒曳力模型。因此,深入研究壁面约束下非球形颗粒曳力特性并发展近壁修正预测模型具有重要意义。本文采用直接数值模拟方法对有限雷诺数(0.5≤Re≤10)下,不同颗粒长轴取向与来流之间的夹角以及颗粒-壁面间距的单椭球颗粒曳力特性开展详细数值研究,分析比较不同工况下曳力系数的变化,探明雷诺数、攻角以及壁面间距对椭球颗粒曳力系数的影响规律,并评估现有自由流中椭球颗粒曳力关系式的适用性,最后发展了考虑近壁修正的椭球颗粒曳力预测模型,为优化非球形颗粒两相流数值模拟工具提供重要支撑。

椭球型果蔬柔性采摘灵巧手设计

为提高采摘灵巧手的作业通用性、减少采摘过程中夹取损伤现象,设计一种椭球型果蔬气动柔性采摘灵巧手。对手指部件进行有限元分析,对比手指尺寸和指尖推力间的关系,分析手指性能,并对该灵巧手进行硬件选型和电路设计,开发控制系统,制作气动采摘灵巧手样机,进行功能测试。灵巧手总重1 kg,小巧灵活,手指张开时间为2 s,40 kPa气压输入下夹爪闭合时间为3s。搭载试验平台,进行采摘试验。试验表明,三种椭球型果蔬进行采摘作业的采摘成功率在92.5%以上,采摘损伤率低于7.5%,该灵巧手具有一定的通用性,具有高成功率和低损伤特点。

基于ObjectARX开发技术实现椭球膨胀法独立坐标系转换的应用研究

针对长距离大型线状工程和高海拔抽水蓄能工程,长度变形(包括高程归化变形和高斯投影变形)超限,难以满足工程设计与施工对高精度成果的要求。本文采用组件化设计,基于VS 2010平台的C#语言和采用ObjectARX开发环境进行二次开发,研发椭球膨胀法独立坐标系转换软件,使投影长度变形减少到最小,满足规范要求投影变形值不应大于2.5cm/km的要求,该软件已成功应用于实际工程中,相比传统参数转换结果,精度更高、更便捷、更高效,减少了大量人力和物力。

基于椭球束的多智能体系统执行器故障区间估计

本文针对一类具有未知但有界不确定性的多智能系统,提出了一种基于椭球束的鲁棒故障区间估计方法。首先,将执行器故障向量视为辅助的状态向量,构建出一个新的增广系统。其次,基于图论理论,将多智能体系统整理成全局描述方式,针对该全局系统,利用全局相对输出估计误差,设计一种未知输入观测器,并生成估计误差动态系统。考虑估计误差动态系统受未知但有界的不确定性影响,基于椭球束生成估计误差每个时刻受干扰影响的上下界,再结合观测器对增广状态的点估计结果,生成状态与故障的估计区间。最后,基于多个飞机编队模型对本文所提方法进行了仿真验证。

直段对接焊缝内球型与椭球型缺陷应力计算及预测

球型、椭球型气孔是对接焊缝中常见的体积型缺陷,为更好地对这类缺陷进行评估研究,采用有限元方法对球型、椭球型缺陷在不同焊缝处的应力进行分析计算。结果表明:同类型缺陷在内壁处的应力最大,随着缺陷至内壁距离的增加应力逐渐下降,且椭球型缺陷的应力与缺陷的锐度及其在焊缝内的位置分布相关。通过函数方程对缺陷不同方向、壁厚位置的应力数据进行拟合分析,可得球型、椭球型缺陷在不同焊缝位置的应力预测方程。因此,利用上述应力预测方程可对检验过程中发现的球型、椭球型缺陷进行服役风险评估。