基于CFD-DEM的流-固耦合数值建模方法研究进展

随着土体渗流侵蚀研究的逐渐深入,对土颗粒流失和变形破坏机理的研究方法呈现出多尺度的特点。其中,计算流体力学-离散元耦合方法(CFD-DEM)为在细观尺度上研究流-固耦合相互作用对土体宏观力学特性的影响提供了一种行之有效的方法。针对CFD-DEM耦合方法在岩土工程领域应用现状,本文系统总结现有流-固耦合计算方法的优缺点,重点论述CFD-DEM耦合方法的建模策略,包括固相颗粒形状建模与粒间接触模型、流体相控制方程及参数计算方法,以及CFD-DEM耦合计算,并就相关问题进行深入探讨,最后提出了CFD-DEM耦合方法未来的发展方向。

考虑频率耦合特性的D-PMSG复数域阻抗建模及其特征分析

阻抗分析法因其简单有效被广泛用于含电力电子变换器的互联系统稳定性研究。然而,采用传统方法对频域序阻抗建模时,需通过非线性变换(Park变换及其反变换)进行坐标系转换,这会导致不同周期分量的卷积运算及相应的频移,其过程较为烦琐。针对上述问题,基于复向量时域微分算子,提出了永磁直驱同步发电机(D-PMSG)等效阻抗建模方法。该方法在时域周期系统稳定运行轨迹的邻域内直接进行小信号线性化,并采用指数旋转因子灵活反映系统受扰后的时变特性,结合时域微分算子等效表征互联系统控制环节的动态特性,避免了频域阻抗建模时坐标系的反复变换,大幅降低了解析建模的复杂度。此外,所提方法能够更加清晰地阐释互联系统受到扰动时D-PMSG并网逆变器产生频率耦合现象的物理意义;同时,能够说明基频电压初始相位对耦合分量相频特性的影响。最后,利用仿真验证了所提算法的有效性。

考虑海上风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统等效阻抗建模方法

海上风电经柔直并网系统的阻抗模型是其稳定分析的基础。然而,现有阻抗建模方法忽略海上风电与模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)间的阻抗耦合,可能导致系统稳定性判定失准。为此,该文提出一种考虑海上风电与MMC阻抗耦合的柔性直流送出系统等效阻抗精确计算方法。首先,采用谐波状态空间理论(harmonic state-space,HSS)建立MMC与风电机组的序阻抗模型;在此基础上,分析风电机组与MMC两者交流端口电压、电流与阻抗的相互耦合机理,以获得风电机组与MMC交流等效阻抗;最后,提出风电机组与MMC阻抗耦合度指标,以量化分析不同控制环节对风电机组与MMC的耦合程度的影响。在MATLAB/Simulink搭建海上风电经柔直送出系统仿真模型验证该文所建模型的精确性及阻抗耦合度的对系统稳定性的影响,并通过RT-Lab硬件在环实验证明该文所建模型在系统稳定性分析中有效性。

放射式冲击波在松质骨中传播的流固耦合模拟

为探究放射式冲击波在多孔结构的松质骨及孔隙流体中的传播规律,建立了基于CT图像三维重建和不同骨体积分数的基于Voronoi设计的松质骨模型,以及放射式冲击波装置、软组织层、皮质骨和骨髓流体,应用有限元流固耦合方法进行显示动力学仿真分析.结果表明:该模型能够模拟放射式冲击波穿透软组织层在松质骨及孔隙流体中的传播特性.靠近皮质骨的松质骨区域受力明显,孔隙流体中也存在压力和流速变化.提高冲击波驱动压力和减小松质骨的骨体积分数,都会使骨小梁所承受的压力和有效应力增大,孔隙流体的受力和流速也随之增大.该结果为放射式冲击波对骨科疾病的有限元模拟提供了一种思路和方法,同时也为体外冲击波对骨科疾病的治疗提供了重要参考.

内置温控多模耦合半导体激光器研究

随着半导体激光光源在通信、探测等领域应用的不断扩展,常规多模半导体光纤耦合模块功率温度特性不能满足使用需求,因此有必要研制高稳定性多模耦合半导体激光器。研制了一种内置温控的多模耦合半导体激光器。针对器件的封装耦合进行了光纤耦合设计和散热设计,并对制作的器件的光电参数进行了测试,重点测试了宽温范围内的输出功率与功率变化率。测试结果表明:光纤芯径为105μm、数值孔径(NA)为0.22时,室温下光纤输出功率大于3.1 W,耦合效率达到94%以上;在温度范围-45~70℃内,典型温度点下输出功率变化率低于1%。该内置温控多模耦合半导体激光器的研制为半导体激光器在泵浦领域的进一步应用提供了技术参考。

基于松散耦合方法的弃土场边坡三维建模及稳定性分析:以福州市闽清县白樟池埔建筑弃土场为例

近年来大规模的旧房拆迁改造及道路建设导致弃土方量剧增,弃土场已成为城市建设的重要附属工程。由于弃土场边坡结构松散、密实性差,较天然边坡更易发生变形破坏,弃土场的安全管理备受关注。为实现复杂工况下弃土场稳定性的快速分析,通过搭建ArcGIS和GeoStudio的松散耦合方法,构建了一套集可视化建模和模拟计算为一体的技术框架。为改良模型可视化效果,配合虚拟钻孔和空间插值方法改良地层曲面精度,完善了弃土场的三维建模技术。采用Python语言为程序接口完成跨平台模型数据交换,实现全时空全方位的多工况弃土场边坡稳定性快速预测。闽清白樟池埔建筑弃土场的应用实例表明,此方案能够实现弃土场任意断面的高质量识别和复杂工况下稳定性变化规律的快速预测,可见松散耦合方法在弃土场稳定性分析过程中具有显著的适用性和实用价值。

滚珠丝杠进给系统刚柔耦合动力学建模与时变动态特性分析

数控机床运行过程中,多轴滚珠丝杠进给系统的刚度和惯量会随着各轴位姿的变化而变化,致使其动态特性呈时变的特点。多轴滚珠丝杠进给系统时变动态特性的高保真建模与分析已成为数控机床轮廓误差精准预测的瓶颈难题之一。针对这一难题,提出基于拉格朗日方程与Ritz级数法的滚珠丝杠进给系统刚柔耦合动力学建模与分析方法。以某型号五轴加工中心的两轴滚珠丝杠进给系统为具体对象,重点考虑丝杠本体轴扭方向的连续弹性体变形影响,采用拉格朗日方程建立滚珠丝杠进给系统的刚柔耦合动力学模型,并采用Ritz级数法对方程求解,得到动力学模型的数值解。利用所建立的动力学模型分析进给轴位姿对两轴进给系统固有频率和模态振型的影响,发现各阶固有频率和模态振型随进给轴位姿的变化规律与对应阶次的主导轴有关。随着主导轴进给台由固定端移动至支撑端,对应阶次的固有频率逐渐减小,对应阶次的振型中丝杠本体的弹性振动幅值逐渐增大。此外,两轴进给系统的低阶模态振型主要由承载轴主导,高阶模态振型主要由附属于承载轴的子轴主导。最后,通过模态实验对所提方法进行应用验证,证明所建立动力学模型的准确性。研究结果对数控机床轮廓误差的精准预测具有重要参考价值。

生产调度与可靠性耦合的变工况再制造系统维护建模

针对变工况下的多工序再制造系统,提出生产、设备衰退和系统维护之间的耦合建模方法.首先引入考虑设备可靠性的动态生产优先级并据此生成生产调度计划,进而基于变动生产计划建立设备的变工况故障率模型,在此基础上,考虑生产的动态性和设备衰退的不确定性,构建基于双生产周期优化的再制造系统动态维护决策模型.算例分析表明,该模型可有效提高系统生产净收益且相对于传统生产和维护决策方法更具优势.

耦合环辅助多模光纤受激布里渊散射阈值分析

为了降低模间串扰,提出了一种耦合环辅助多模光纤结构,通过仿真软件对其结构进行建模,并建立了其受激布里渊散射增益谱的数学模型;理论分析了耦合环辅助多模光纤的受激布里渊散射阈值以及光纤参量和模式对受激布里渊散射光谱阈值的影响,并通过了仿真实验验证。结果表明,耦合环辅助多模光纤增大关键模式有效折射率差值为原来的1.75倍,可有效抑制模间串扰;受激布里渊散射光谱阈值跟随光纤长度的增加,从急剧下降变至缓慢,最终在18 km处趋于定值30 dBm;在其它条件不变的情况下,阈值随着衰减系数、纤芯的有效截面积和光纤模式阶数的增加呈线性关系增加,随着纤芯半径的增加呈指数形式增长。该研究为提升光纤通信系统的传输距离和信道容量提供了理论参考。

一种毫米波全频段正交模耦合器研究

为满足超宽带收发信机应用需求,提出了一种基于十字转门结构的改进型Ka全频段正交模耦合器。首先,为了提升宽带性能同时减小结构复杂度,设计了一种三阶E面弯波导以及一种阶梯型E面波导功分器,以实现对称的全E面结构设计。其次,提出了一种连接波导长度设计准则,保证了两种正交模式的相位一致性。该设计避免了切割十字转门结构,且剖分装配块的总数不超过四,大幅降低了加工容差、装配精度要求。实测结果表明,在26 GHz~40 GHz(42%)范围内,该正交模耦合器回波损耗优于20 dB,正交隔离度优于50 dB,插入损耗低于0.4 dB,两种模式传输路径相位差低于5°。实测性能与全波仿真结果具有良好的一致性。

月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

基于“1+X”证书考试数字创意建模与“建筑装饰施工图绘制”耦合关系研究

为对接“1+X”证书制度,“建筑装饰施工图绘制”紧跟国家相关政策需要进行课程改革,思考高职课堂如何对接“1+X”证书制度的理念、塑造新的课堂形态,以及在过程中如何落实这样的课堂形态是文章预期解决的主要目标。基于“1+X”证书考试制度,建筑室内设计专业学生已完成校内“建筑装饰施工图绘制”课程并全部进入企业实习,通过学生取得“1+X”证书数量和考试情况进行分析,主要从课程体系、课程标准、双师型师资队伍建设及实训基地打造等方面分析数字创意建模与“建筑装饰施工图绘制”课程之间的耦合关系并提出相应的建议。

基于参数化建模的涡轮叶片气热耦合分析方法研究

气冷涡轮的出现使得航空发动机涡轮前温度可以进一步提高,促进了高性能航空发动机的飞速发展。然而随着复杂的内部冲击、扰流强化换热、对流气膜、致密气膜喷淋等冷却形式在涡轮部件上得到应用,冷气与燃气之间的相互作用也越发复杂。为对复杂冷却涡轮叶片的流动和传热耦合影响进行快速、精细化评估,本文建立了一种参数化建模方法,针对GE E3高压涡轮一级导向器进行高保真几何建模和气热耦合仿真。分析结果表明,该参数化建模方法可实现复杂气冷涡轮叶片的高保真几何建模,获得较高的气热耦合计算精度。同时通过详细分析获得了大量的涡轮叶片内部流动换热细节,可支撑高温涡轮叶片的精细化设计。

耦合器热窗的极限真空方案模拟分析

深圳中能高重复频率X射线自由电子激光装置(简称S^(3)FEL)注入器1.3 GHz低温超导加速模组的高功率耦合器热窗的真空泵端口通过角阀连接到真空总管,从而便于安装、检漏和故障诊断。为了保证超导加速模组降温前耦合器热窗的极限压力达标,通过理论计算与软件模拟,对比验证了在不同方案下耦合器所能维持的极限真空度。结果表明:未经处理的耦合器A管采用单台离子泵方案,其极限真空度未能达到实际工程指标;而高温烘烤耦合器A管后,其极限真空度达到10^(-7) Pa量级,优于实际工程指标;耦合器A管设置两台离子泵后极限压力下降50%,可通过继续增加离子泵数量的方法使其满足工程指标。

基于EVS的耦合地形–优化钻孔数据的建模方法

为了解决地质建模软件Earth Volumetric Studio (EVS)建立的地质模型与实际地形地貌、地层倾向不符的问题,以贵州金象煤矿为研究对象,提出一种能真实反映地形地貌与地层倾向的建模方法(EVS耦合地形–优化钻孔数据的建模法)。通过工程实例将该方法与地层建模进行对比分析,结果表明采用耦合地形–优化钻孔数据的建模方法建立的模型比地层建模方法建立的模型更能反映实际的地质情况,与勘探方法探测的地质情况也更相近,且模型误差更小。

多模耦合在电磁诱导透明电磁特性中的应用

为了实现电磁诱导透明现象,设计一种基于超材料的同时磁场激发的明-明模耦合电磁诱导透明结构,结构由双U型环和双圆环组成。通过改变两类构造的几何参数,实现了在特定频率下的共振,并分析了基于硅基半导体和石墨烯的电控类电磁诱导透明结构。模型分析结果显示,当耦合距离从5.0 mm到6.0 mm时,双U型环和双圆型环的透射谱中未出现传输窗口。电控类电磁诱导透明结构实验表明,通过调节费米能级,可以有效地调控超材料的透射特性。当费米能级提升至0.5 eV时,透射峰的强度降至59%。研究结果为电磁诱导透明结构的设计和控制提供了理论基础和技术路线。

现代学徒制与专创融合人才培养“双模耦合” 打通“后学徒”培育路径

本文研究的“后学徒”,指现代学徒制学生毕业从“学徒双重身份”成为“正式员工”身份后的职业生涯,即现代学徒制学生毕业后的长远发展问题。笔者围绕现代学徒制学生毕业后的“后学徒”生涯视野发展,探索构建一种基于“后学徒”长远发展的现代学徒制和专创融合的人才培育模式。

储能用锂离子电池电热耦合模型研究进展

高精度的电池模型是提升电池管理系统工作效率的关键,对于实现电池系统状态评估、寿命预测和健康运行具有重要意义。归纳和总结锂离子电池性能、温度非均匀特性和锂离子电池电热耦合模型构建方法及存在的问题。目前尚缺乏针对大规模储能电池全生命周期、复杂结构和环境因素条件下电热互动机制研究。基于经验方程和基于电池内部机理的电池热分析模型,存在计算速度慢、精度低和通用性差等问题。基于数据驱动的模型是一种更加高效的电池热学模型构建方法。在电池组层面,大多基于串并联方式和电池状态参数构建模型,不能准确模拟电流和环境温度非均匀条件下电池动态特性。依据储能电池系统复杂结构和环境特点,提高模型计算速度和精度成为下一步研究方向。

复杂齿轮耦合转子-轴承系统动力学的规范建模方法

由于齿轮的耦合作用,齿轮-转子-轴承系统中各个转子的振动是相互耦合、相互影响的,研究齿轮-转子-轴承系统动力学,必须基于系统的、整体的观念进行分析。因此,齿轮-转子-轴承耦合系统动力学建模和模型降阶一直是人们普遍关注的问题。基于齿廓啮合基本定理,给出了直齿轮、斜齿轮、直齿锥齿轮、弧齿锥齿轮共4种齿轮的几何耦合模型(或称运动耦合模型);利用耦合模型矩阵,给出了含以上4种齿轮副的复杂齿轮转子-轴承系统纵-弯-扭耦合动力学研究的统一、方便、规范的建模方法。为复杂齿轮-转子-轴承耦合系统动力学分析研究提供了方便。

基于DBN耦合模型的太阳辐照度模拟

在低碳经济的发展趋势下,太阳辐射的精确模拟对于光伏发电行业至关重要。影响太阳辐射的因素十分复杂,其与许多要素之间都存在复杂的非线性关系,这使得太阳辐射的模拟变得相对复杂。目前已有研究表明,机器学习模型能够很好地模拟太阳辐射,可挖掘出太阳辐射和各种影响因素之间的数学关系。文中基于支持向量回归(SVR)、随机森林(RF)、贝叶斯岭回归(BR)、梯度提升树(GBDT)、BP神经网络(BP)等五种机器学习模型,采用2020年1月—2021年4月位于河南的4个光伏发电站的真实卫星数据及地面观测数据进行机器学习建模以及地面太阳辐射模拟。由于传统单一模型的模拟精度较低,为提升模拟精度,通过引入DBN深度信念网络对五种模型模拟的结果进行二次建模,最终得到4个站点的高精度太阳辐射模拟值。研究结果表明,DBN耦合模型能够有效提取不同机器学习模型模拟结果的特征,其模拟效果和鲁棒性显著优于单一机器学习模型。