基于POD方法的EPR燃料棒流致振动特性分析

EPR(European pressurized reactor)燃料棒相比M310燃料棒的棒长更长,导致其频率降低、幅值增大,在冷却剂的作用下,会加剧格架与棒束之间微动磨损(grid-to-rod fretting,GTRF),进而造成放射性物质的泄漏.将EPR燃料棒简化为3D梁模型,将刚凸和弹簧对燃料棒的约束等效为弹性约束,将带格架的燃料棒简化为多跨连续简支梁模型,然后基于ANSYS-APDL建立了EPR燃料棒的有限元模型.阐述了湿模态分析和湍流激振响应分析的基本原理,整理了12个格架失效工况,系统地研究了格架失效对湿模态和湍流激振响应的影响.针对EPR燃料棒流致振动问题,提出了采用本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)原理分析EPR燃料棒流致振动特性的方法,通过对快照矩阵进行POD分解生成投影子空间,将湍流激振响应投影到子空间进行模型降阶,最后在物理空间快速地重构湍流激振响应.结果表明:格架失效会导致频率降低,且湍流激振响应的幅值会在格架失效处增大;当格架失效使得EPR燃料棒模型成为悬臂梁结构时,湍流激振响应最大;前2阶POD降阶模型基本能快速重构燃料棒的湍流激振响应,且误差非常小.文章的研究将有助于核反应堆工程的优化和设计.

风力机翼型S809绕流流动特性的POD和DMD对比分析

失速时的流动分离现象对风力机叶片的气动性能有重要影响,S809作为典型水平轴风力机翼型,在临界失速攻角下气动性能会大幅降低。基于流动特征提取的非定常流场降阶模型(reduced-order model,ROM)是进一步深入了解非定常流动的重要手段。本文通过计算流体力学方法得到轻、深失速攻角下翼型的流动特征,对时变速度场进行本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)和动态模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)分析,得到轻、深失速下翼型的非定常流场信息(能量占比、模态频率等)。通过两种方法的对比,结果表明,POD和DMD方法能够准确捕捉流动过程中的非定常结构和升力主频相同的典型模态,但是POD方法由于基于能量特征,在捕捉模态时会忽略与升力主频相近但能量较小的流动结构,而基于频率特征的DMD方法能够准确获得场的演化信息(增长率、频率等)。本文研究有利于针对主频结构发展相应的流动控制方法,从而改善翼型流场情况,提高气动性能。

POD和DMD方法对燃料棒流致振动特性的分析

燃料棒的流致振动是造成燃料失效和反应堆停堆的重要因素之一,研究其流致振动机理非常必要。本文建立了燃料棒的高保真有限元模型,基于ANSYS Batch和随机振动理论批量计算了不同支撑刚度下燃料棒的流致振动响应,并搭建了1个流致振动响应数据库。该数据库采用不同支撑刚度值来模拟和检查燃料棒可能遇到的情况。基于数据库组装快照矩阵,采用两种数据驱动方法(POD方法和DMD方法)搭建了1个高保真降阶模型(ROM),该ROM能够实现流致振动响应的快速重构。对比了POD方法和DMD方法重构燃料棒流致振动响应的效果以及各自的优点和缺点。研究发现:使用相同数量的模态重构燃料棒的流致振动响应时,POD方法的重构效果优于DMD方法;基于相同数量的模态重构时,刚度为1 N/mm的重构效果最差,这主要是因为刚度越小,频率越小,系统的振幅越大,需要更多数量的模态才能捕捉大幅振动带来的影响;DMD方法不仅能够高效地重构燃料棒的振动响应,还能够判断每个DMD模态的稳定性。

槽道内涡波流场的POD分析

对槽道内涡波流场的瞬态速度矢量场进行了2DPIV测量实验,将2DPIV测量的矢量场数据进行POD分析,根据POD分解的各阶模态的能量比确定了表征涡波流场主导结构的前15阶模态。结果表明,POD分解的前15阶模态发现槽道内涡波流场是由槽道壁面剪切层诱导的涡列以及伴随的波状主流组成;流场中大尺度的涡旋发展为涡对,对波状主流的脉动频率产生影响;根据涡波流场中的驻点和鞍点,获取了流场的大尺度涡对、平均流场以及Helmholtz涡环等明显特征;最后根据POD分解的前15阶模态对槽道内涡波流场进行重组,重组流场表征了槽道内层流状态下波状主流的形态和涡旋共存的涡波结构以及驻点和鞍点的位置处涡旋的变化等主要特征,有效地剔除了PIV测量流场中的随机信息,保留了PIV测量流场的主导特征。

基于POD方法的高超声速边界层转捩判定方法

高超声速边界层转捩是高超声速飞行器设计的关键基础问题之一.为了研究高超声速边界层转捩,在风洞中,对平板模型进行了M=5的实验,在模型中心沿流动方向使用PCB脉动压力传感器对脉动压力时间序列进行采集.文章将本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)方法引入高超声速脉动压力数据处理中,发展了单点POD分析方法.经验证,使用该方法重构数据的均方根(root mean square,RMS)峰值位置可表征转捩位置,实用性强.

POD方法在风洞试验二维速度场分析中的应用

针对风洞试验二维速度流场,构建了正交分解与流场重构的数学模型。通过对鼓包背风面PIV瞬时速度流场进行分解,发现阶数越低的模态对原始流场的能量贡献率越大,代表了流场中的低频、大尺度流动结构;反之,阶数越高的模态对原始流场的能量贡献率越小,代表了流场中的高频、小尺度流场结构等信息。通过对流场进行低维重构,发现前4阶重构流场几乎不受一些小尺度旋涡的影响,很清晰地显示了流场的主要结构。

基于POD法控制模态选择的大跨屋盖结构风致动力响应分析

为了提高大跨度屋盖结构风致动力响应频域分析的计算效率,提出先挑选控制模态再进行风致响应有效计算的"二步法"过程.将本征正交分解(POD)法和模态叠加法相结合,建立风荷载作用下大跨屋盖结构各阶模态响应的快速估算方法,并以估算结果作为衡量准则进行控制模态的挑选;在经过挑选得到控制模态后,采用考虑了荷载空间分布相关性和广义风荷载谱中虚部成分的精确完全二次项组合方法(ACQC)进行风致响应的有效计算.将该方法运用于某大型火车站站台屋盖结构,计算表明:在采用相同的模态参与阶数的条件下,本方法得到的风致响应结果具有更高的精确性和更快的收敛性.

POD与MSM原理和应用的对比分析

为揭示本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)与模态叠加法(mode superposition method,MSM)在基本原理和工程应用中的异同,对POD和MSM的数理基础进行了对比性分析;通过风洞试验及动力响应时程分析获得了一座冷却塔的表面脉动风载荷及其脉动响应,以此两个时空随机场为例对POD和MSM两种方法的应用进行了对比性阐述.POD和MSM均通过引入空间模态和相应的时间坐标,经线性叠加来实现对时空随机场的分解与重建,但两者的应用对象并不一致:前者多用于已知随机载荷场的分析而后者多用于未知结构响应的计算.两者空间模态和时间坐标的提取方法和数理意义以及各模态对原随机场的贡献等亦不相同.尽管POD和MSM两种方法所得空间模态均有正交性,但时间坐标的正交性仅存在于POD方法,故POD各阶模态的本征值之和可以完全反应对原随机场的贡献,而MSM的模态贡献则存在一定的耦合性.

面向POD的低碳城市住区形态研究——以重庆鲁能星城住区为例

步行是住区中最基本最节能的出行方式,同时也是健康的生活方式。本文引入"POD"模式在住区中的发展目标,包括提高居民出行中的步行化程度,以及鼓励住区居民的步行生活;其次,以鲁能星城住区为实证研究对象,一方面基于提高步行化程度的目标,分析了居民步行化程度与住区形态中密度、混合使用的关系;另一方面,基于引导居民步行生活目标,分析了居民步行偏好特征与住区形态中环境设计的关系。最后,提出了面向POD模式的低碳城市住区形态。

均值对随机场POD分解影响机理

基于POD方法的理论基础与数学矩阵分析,通过引入随机场均值的相关矩阵及对均值相关矩阵的POD分解,阐述均值对随机场完整信号和脉动信号POD分解的影响机理。以双曲冷却塔模型和闭口箱梁模型的断面风压场POD分解实例,分析风压均值的影响,并验证上述理论解释的合理性。尽管随机场均值并不影响POD方法对随机场的分解和重建过程,但两种信号分解得到的各阶参数如本征值、本征模态及主坐标都只是所采用信号特性的反映而不能相互混淆。以完整信号分解得到的各阶参数都将受到随机场均值的影响,尤其是低阶参数。由于实际使用中对随机场的信号均值和脉动信号多分别对待,因此在POD分解中应使用脉动信号构建相关矩阵以完全反映脉动信号的特性,从而避免信号均值的影响。

跨声速压气机转子叶顶区域流场非定常计算和POD分析

采用时间精确求解法对跨声速轴流式压气机转子NASA Rotor35单流道进行了三维非定常数值模拟,研究了叶顶区域流场的时间非定常波动特性。将叶顶区域流场的非定常解作为快照,采用本征正交分解(POD)方法提取POD模态,进一步分析了叶顶近失速点流场的流动特性。结果表明:在近峰值效率点的大质量流量工况下,叶顶区域流场呈现出稳定性,基本不发生随时间波动的特性;在近失速点的小质量流量工况下,叶顶区域流场呈现周期性的波动特性,由激波与叶顶间隙泄漏涡形成的破碎、通道中部未形成泄漏涡的相邻叶片泄漏流流线以及来流一起形成的叶顶二次涡是叶顶非定常周期性波动形成的必要条件。

忆阻神经网络自适应滑模控制及其应用

光电吊舱系统中存在各种扰动和未建模动态,常规控制算法难以适应复杂情况。采用神经网络实现模型未知部分的自适应估计,结合滑模变结构控制,可以有效提升控制精度,但在控制初始阶段,神经网络估计没有收敛到实际模型时,滑模控制存在抖振现象。因此,提出了基于忆阻器神经网络自适应滑模控制算法,采用神经网络可以逼近未建模态,提升控制精度,而忆阻器神经网络来保存权值参数,可以减小神经网络收敛时间。在控制的初始段,改进自适应增益来减小由于神经网络估计误差带来的抖振现象,仿真与实验结果表明,采用忆阻神经网络及改进的自适应增益算法,初始抖振显现得到了很好的控制,算法收敛时间减小为常规滑模控制算法的1/2,稳态控制精度较常规滑模变结构控制算法提升了59.18%。

振荡燃烧火焰图像处理

应用图像FFT、本征正交分解(POD)和动力学模态分解(DMD)3种方法,对在振荡燃烧环境下的火焰图像进行分解,得到火焰脉动幅值、主频以及初始相位.其中通过图像FFT方法分析图像中每一个像素灰度值时间序列,对其进行傅里叶变换,然后得到整体火焰的振荡特性.而POD和DMD方法将每一张火焰图像视为一个样本数据,以向量的形式表达,通过线性代数和矩阵分析等理论对样本数据进行分解.DMD和图像FFT两种方法得到的火焰脉动幅值和主频基本一致,可以得到单一频率(基频和各谐频)脉动特征,而POD方法无法将各种振荡频率对应的脉动结构进行分离,得到总的脉动结构.结果表明上述3种方法均可以捕捉振荡燃烧环境下火焰的主要脉动特征.

栽培方式对夏直播花生产量和品质的影响

选用早熟型大花生品系365-1为试验材料,研究地膜覆盖、秸秆还田、免耕对夏直播花生产量和品质的影响。结果表明,地膜覆盖栽培提高了籽仁棕榈酸、油酸、亚油酸、蛋氨酸、苯丙氨酸含量和花生单株结果数,降低了千克果数,并显著提高了产量。秸秆还田提高了籽仁的粗脂肪、蛋氨酸、苯丙氨酸含量和花生双仁果率、单果重,对提高产量有一定作用。免耕栽培对花生产量提高和品质改善不利。本试验条件下,秸秆还田结合地膜覆盖处理荚果产量最高,且花生籽仁的蛋白质含量和粗脂肪含量有所提高;免耕秸秆覆盖栽培作为保护性耕作方式,较秸秆还田露地栽培增产4.71%,粗脂肪含量最高,具有一定推广价值。

弹性悬挂弯扭耦合颤振模型表面压力分布的时空特性及颤振机理分析

实际应用中,桥梁颤振稳定性可用风洞试验的结果作为评估标准,但颤振时断面的压力空间分布特征是不清楚的。本文对弹性悬挂的刚体模型在颤振时及固定时(来流风速与颤振风速一致)的表面压力进行采样,首先分析模型在颤振时的表面各部分压力特性,结果显示,右部压力相位相当于左部具有滞后性,表明是受迎风侧特征紊流影响的被动区域。随后运用本征正交分解(POD)方法分析模型表面压力分布特征与颤振发散性运动之间的关系,结果显示,所获得的本征模态中存在与颤振扭转发散运动关联极强的'主导颤振模态',该模态对总升力矩系数波动的贡献占绝对主导地位,其主坐标频率与颤振频率一致且具有与振动位移一致的发散性,但其归一化空间分布特征在断面颤振过程中不变化。结合模型在固定时的本征模态分析结果,除颤振主导模态外,其余模态均能在固定时的本征模态中找到类似空间分布的模态,且与断面发散性运动的关联性很小。本文工作为今后颤振机理分析提供了一个新的思路与方法。

卡尔曼滤波在陀螺稳定吊舱控制中的应用

通过对当前流行的控制方法进行比较,采用变结构控制的原理对系统控制器进行设计.以典型的两轴四框架结构吊舱系统的内俯仰框架为控制对象,设计了一种基于Kalman滤波器的滑模变结构控制方案.当过程噪声和量测噪声较大时,针对不同形式的跟踪信号,对有无滤波器两种控制方案的跟踪效果进行了比较.仿真结果表明,采用基于Kalman滤波器的滑模变结构,系统的跟踪性能较没有Kalman滤波器的跟踪性能有明显的改善,提高了系统跟踪精度.

单层网壳结构风振响应的主要贡献模态识别

网壳结构具有频谱分布密集、振型复杂的动力特性,在对该类结构进行风振响应分析时,通常存在着一些对响应贡献较大的高阶振型,但由于其频率较高而容易被忽略。因此,研究网壳结构风振响应的主要贡献模态分布规律有利于提高结构风振响应计算的精度和效率。本文利用Ritz-POD法,分析了单层球面网壳和单层柱面网壳结构风振响应的主要贡献模态,着重考察了主要贡献模态的自身参振能力,及其与脉动风压空间分布模式之间的关系。在此基础上,初步给出了网壳结构风振响应的主要贡献模态识别准则。

不同水肥管理模式对糯玉米叶片抗氧化酶及产量的影响

为了探讨全膜双垄沟播条件下糯玉米叶片过氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性、丙二醛(MDA)积累量、产量及水分利用率对不同水肥措施的响应,选择适宜糯玉米生长的最适宜水肥管理措施。设置2个灌水水平:I_(0)(控制4个时期土壤水分含量于适宜水平,具体为播种期、苗期至拔节前期、拔节后期至孕穗期及孕穗期至开花期分别为田间持水量的75%~85%、65%~75%、70%~80%及70%~80%)、I_(1)(控制2个时期土壤水分含量于适宜水平,具体为播种期、拔节后期至孕穗期均为田间持水量的75%~85%)及3个施肥水平:F_(0)(氮磷钾肥均基施)、F_(1)(氮钾肥基施加追施,基施、拔节期和大喇叭口追施比例为3∶3∶4,P肥全部基施)和F_(2)(氮钾肥基施加追施,基施、大喇叭口追施比例为3∶7,磷肥全部基施)进行研究。结果表明:不同水肥条件下叶片SOD、CAT变化趋势均为先增大至孕穗期后减小,POD、MDA全生育期逐步增加,I_(0)水平不同施肥处理间叶片MDA各生育期差异均不显著,SOD、POD、CAT对水肥敏感程度为POD>SOD>CAT,各处理糯玉米穗长、穗粗、行数及粒数均无显著差异,F_(1)I_(0)、F_(2)I_(0)可以显著增加糯玉米百粒干重,籽粒产量F_(1)、F_(2)高于F_(0),I_(0)高于I_(1),最高增产10.9%,因此在全膜双垄沟播条件下,F_(2)I_(1)为本年型最优水肥措施。

动力学模态分解和本征正交分解对圆柱绕流稳定性的分析

对雷诺数Re=100下的圆柱绕流非定常流场进行数值模拟,分别采用DMD方法和POD方法对圆柱绕流卡门涡街发展过程中的不稳定平衡阶段、过渡阶段以及稳定极限环阶段进行稳定性分析。分析结果表明:DMD方法准确地提取了不稳定平衡阶段和过渡阶段中的不稳定模态以及频率,在稳定极限环阶段准确提取了脱落涡模态及其高阶谐波模态和频率。DMD方法不仅可以高效提取主要流场结构模态和频率,且可分析相应模态的稳定性,从而得到动力学系统在时间和空间上的主要特征。POD方法中较少的模态包含流场绝大部分的能量,通过对模态系数进行FFT分析,可得到模态频率,但有时会存在多个频率耦合的模态,且POD方法无法判断所提取模态的稳定性,因此,POD方法主要得到的是动力学系统在空间上的主要特征。另外,DMD方法对流动类型范围的适用性更广。因此,在对复杂动力学系统进行稳定性分析时,DMD方法更具有优势。

先进瞄准吊舱动态特性仿真与测试的工程化方法

瞄准吊舱的伺服单元和结构单元成强耦合关系,为了使系统获得良好的伺服特性,需要对系统谐振进行抑制;利用电机扫频获得系统重要谐振点,给出基于质量特性与传力路径方式双重模式并行的瞄准吊舱分析模型简化方法,并根据吊舱结构特征详细设计和实施了模态测试方案;最后提出一种基于频率区间逼近与振型视觉匹配双重评价指标的模型快速确认方法,它使仿真结果和测试结果能迅速直接进行闭环验证;整个仿真-测试链路方便设计人员掌握,具有很强的工程实用性。