A Clustering-tree Topology Control Based on the Energy Forecast for Heterogeneous Wireless Sensor Networks

How to design an energy-efficient algorithm to maximize the network lifetime in complicated scenarios is a critical problem for heterogeneous wireless sensor networks (HWSN). In this paper, a clustering-tree topology control algorithm based on the energy forecast (CTEF) is proposed for saving energy and ensuring network load balancing, while considering the link quality, packet loss rate, etc. In CTEF, the average energy of the network is accurately predicted per round (the lifetime of the network is denoted by rounds) in terms of the difference between the ideal and actual average residual energy using central limit theorem and normal distribution mechanism, simultaneously. On this basis, cluster heads are selected by cost function (including the energy, link quality and packet loss rate) and their distance. The non-cluster heads are determined to join the cluster through the energy, distance and link quality. Furthermore, several non-cluster heads in each cluster are chosen as the relay nodes for transmitting data through multi-hop communication to decrease the load of each cluster-head and prolong the lifetime of the network. The simulation results show the efficiency of CTEF. Compared with low-energy adaptive clustering hierarchy (LEACH), energy dissipation forecast and clustering management (EDFCM) and efficient and dynamic clustering scheme (EDCS) protocols, CTEF has longer network lifetime and receives more data packets at base station. © 2014 Chinese Association of Automation.

交通循环荷载下橡胶混凝土阻尼耗能特性试验研究

橡胶混凝土是以橡胶颗粒为附加集料形成的混凝土,其独特的物理特性和强化效果使其在土木工程中日益推广应用.为了研究橡胶混凝土作为桩承式低路堤体系中桩帽的可行性,制备了不同橡胶颗粒粒径和体积掺量的橡胶混凝土试件,开展了系列静力抗压试验和循环荷载下滞回特性试验,获得了橡胶混凝土的抗压强度、滞回耗能、阻尼损耗因子、动弹性模量等力学性能指标及其随橡胶颗粒粒径、体积掺量的变化规律.研究发现,随着橡胶颗粒体积掺量的增加,橡胶混凝土试件抗压强度和动弹性模量逐渐呈指数形式降低至某一临界值,该临界值大小与橡胶颗粒粒径大小有关,粒径越小,强度越小,动弹性模量越小;而滞回耗能、损耗因子随橡胶颗粒掺量呈现二次函数变化趋势,先增长后略微下降,且在橡胶颗粒掺量8%~10%左右达到峰值,相较于加载幅值水平,颗粒粒径对能耗的影响较小.

结合面法向接触阻尼能量耗散弹塑性分形模型

结合面法向接触阻尼能量耗散建模时,只考虑微凸体弹性变形时的储能和塑性变形时的耗能是不完全的,因为微凸体存在弹塑性变形情况。通过引入微凸体加卸载模型,分离了处于弹塑性变形的微凸体的能量储存与耗散,建立了更加符合实际情况的结合面法向接触阻尼能量耗散及其损耗因子模型。通过仿真发现,结合面法向接触阻尼能量耗散及其损耗因子随着分形粗糙度参数的增大而增大,随着分形维数的增大先减小后增大,且在1.2附近出现最小值;结合面法向接触阻尼能量耗散随着法向接触载荷的增大而增大,损耗因子随着法向接触载荷的增大而减小;考虑弹塑性过渡机制情况下法向阻尼能耗低于仅考虑弹性和塑性机制情况下的法向阻尼能耗。

主动电磁轴承支承的高速电动机总成热平衡分析

以一台由主动电磁轴承支承的某型卧式离心鼓风机为研究对象,对其电动机总成的电磁场进行仿真,得到电动机和主动电磁轴承的损耗分布,根据该鼓风机的三维模型提取空气域,分析不同风冷散热方式下冷却空气在其内部的流动情况,再运用Fluent对电动机总成温度场进行仿真,将得到的温度场仿真结果与试验结果进行对比,结果表明:电动机、径向主动电磁轴承、轴向主动电磁轴承的铜损耗率最高分别为768180,124590,281700 W/m^(3);双口直接通风加水冷散热和单口混合通风加水冷散热的仿真结果与试验结果的最大误差分别为4.15%和5.48%,单口混合通风加水冷的散热效果更好,验证了单向磁-热耦合温度场分析方法的合理性。

船用颗粒阻尼能量损耗特性影响研究

颗粒阻尼技术作为抑制低频振动的重要方式,可应用于抑制船舶低频振动。为探索颗粒阻尼器的耗能机理,本文基于离散单元法对颗粒阻尼器在不同振幅、不同填充比、不同振动频率下的运动状态和耗能进行研究。结果表明:颗粒在填充比为50%的工况下,在不同振动频率和振幅激励时颗粒的运动状态比较丰富,出现了不规律的耗能现象;填充比为70%、90%时,颗粒的耗能随着振动的幅值和频率的增加而增加,特别是在颗粒填充比为70%、振动频率为120 Hz、振幅为5 mm的情况下,颗粒的耗能达到了顶峰。在损耗因子方面,振幅在1~4 mm时90%填充比要明显高于50%、70%填充比;在振幅为5 mm时,90%填充比低于70%填充比而高于50%填充比。

基于耗散功的角度对热力学第二定律的教学探讨

热力学第二定律的本质是自然界中自发实现的与热现象相关的过程都是不可逆的,而不可逆过程总伴随着能量“质”的下降。文章通过引入耗散功来描述一般封闭体系的热力学第二定律,这是从能量的角度而不是像通常那样基于熵的视角去描述热力学第二定律。作者推导了耗散功所满足的关系,再通过三个简单的例子来说明对于非准静态等温过程其耗散功大于零。这些结论将有助于学生更好地掌握热力学第二定律。

类比法剖析毛细现象的能量分配

毛细现象的能量来源曾经有过激烈的讨论,但能量分配并未解释清楚.将毛细管中液柱上升运动与盘曲链条升降运动进行类比,通过受力及做功分析,明确了毛细现象中能量的分配问题,即毛细恒力做功与液柱重力势能变化、动能损失、滞阻损失之间的关系,并进行了实验验证.

汽轮机湿气损失抑制方法研究

低参数汽轮机在余热回收中有着广泛的应用,为降低汽轮机中的湿气损失,提高运行效率,本文提出了一种添加不凝气体(以氢气为例)的湿气损失抑制方法,并提出了湿气损失定量评估修正模型,同时通过建立hydrogen-steam混合工质凝结流动模型,分析不同氢气组分比对凝结流动特性的影响规律,探明不凝气体对湿气损失的抑制机理。结果表明:不凝气体会改变透平做功过程中凝结激波的形态,使流体域压力和温度发生激变,影响成核及液滴生长过程。当混合工质气中氢质量分数组分比为50%时,流体域内成核区长度减小13.34%,湿气损失降低48.02%,湿气损失系数降低43.4%。这表明氢气可以通过控制非平衡凝结过程有效降低汽轮机湿气损失。

基于能量耗散与释放原理的岩石强度与整体破坏准则

讨论了岩石变形破坏过程中能量耗散、能量释放与岩石强度和整体破坏的内在联系。指出岩石变形破坏是能量耗散与能量释放的综合结果。能量耗散使岩石产生损伤,并导致岩性劣化和强度丧失;能量释放则是引发岩石整体突然破坏的内在原因。定义了单元耗散能、可释放应变能、强度丧失和整体破坏的概念。给出了基于能量耗散的强度丧失准则和基于可释放应变能的整体破坏准则,分析了各种应力状态下岩石单元整体破坏的临界应力。并应用上述准则讨论了隧洞围岩发生整体破坏的临界条件。

双向对冲流滴灌灌水器水力性能与消能效果

双向对冲流滴灌灌水器是1种可形成急转流、正反双向流、以及对冲混掺流等加大能量耗散效果的新型灌水器。为研究灌水器的水力性能以及流道几何参数对水力特性的影响,取灌水器几何参数作为因素,采用正交设计安排25组试验方案,开展水力性能测试,计算流道的局部损失系数,同时对正交试验结果进行直观和方差分析,建立几何参数与流态指数的回归模型。结果表明,灌水器流态指数为0.432～0.464,其水力性能良好。单元流道的局部损失系数为6.698～19.130,显示优越的消能效果。挡水件与分水件最大过水通道宽度对流态指数的影响最大。建立的几何参数与流态指数之间的回归模型R2=0.94,且验证表明其估算值与试验值相对误差小于5%,可可靠地估算流态指数。研究可为双向对冲流滴灌灌水器水力性能预研和评估、结构优化提供参考。

钢管铅阻尼器耗能机理研究

影响钢管铅阻尼器性能的主要构造参数有厚径比、削弱比和高径比。设计13个不同构造参数的钢管铅阻尼器，采用ABAQUS有限元软件对其进行模拟分析，研究厚径比、削弱比和高径比对钢管铅阻尼器传力机制、塑性分布状态和耗能机理的影响。分析结果表明：①钢管铅阻尼器的钢管和铅芯协同工作，共同耗能，传力机制和耗能机理明确；②钢管铅阻尼器受力过程分为弹性，弹塑性和塑性三个阶段，但弹性阶段和弹塑性阶段很短，屈服位移很小，在1mm内即能进入屈服耗能；③厚径比、削弱比和高径比对钢管铅阻尼器传力机制和协同工作性能影响不大；④厚径比、削弱比和高径比对钢管铅阻尼器塑性变形分布影响很大；合理取值可以保证钢管铅阻尼器屈服耗能集中在阻尼器中部，且具有较合理的塑性分布模式；建议厚径比在满足加工前提下尽可能取小值，削弱比取0．3～0．4，高径比取2．3—2．6；⑤钢管铅阻尼器耗能时，铅芯先屈服耗能而钢管为弹性，耗能全部由铅芯承担；接着钢管屈服与铅芯共同耗能；钢管进入塑性后钢管和铅芯耗能比很快就趋于稳定，钢管耗能占总耗能80％以上，铅芯耗能占总耗能10％～20％之间。

基于功耗分析的货物列车节能运行控制方法研究

由于机车牵引能耗的巨额经济成本和气体排放引起的污染问题,列车节能运行控制与研究日益重要.本文根据机车牵引力做功与能量转换方程分析了列车运行能耗的主要作用形态,即克服列车运行阻力和调速制动导致的动能损失.基于对运行阻力功和制动动能损失的考虑,从理论分析及仿真计算的角度,探讨了调速制动前的惰行距离和途中运行速度均衡性对列车运行能耗的影响.案例分析表明:在运行时分相近的要求下,通过避免不必要的制动调速和增加停站制动前的惰行距离,可降低运行能耗9%;通过设置合理的目标速度上下限保持列车运行速度均衡性,可降低运行能耗6.8%.

金属橡胶材料阻尼测试的一个新方法

金属橡胶材料是一种新型减振缓冲材料。本文提出了一个金属橡胶材料阻尼性能的测试方法。基于粘弹性阻尼耗能的基本原理,在给定应变激励函数的条件下,构造了一个等效应力响应函数,由滞环面积相等建立了一组包含实测应力响应和等效应力响应的等效耗能方程,将应变激励函数离散得到了损耗因子的计算表达式,由此可以通过实测应力方便地计算出损耗因子。该方法不仅便于对大阻尼材料的阻尼进行测试,而且具有精度高的优点。依据这一方法对金属橡胶材料进行了测试,测试结果表明我们开发的金属橡胶材料有很好的阻尼减振性能。

黏弹性消能支撑的研究与设计

针对工程中实际需要 ,提出一些新型的黏弹性消能支撑型式 ,研究了它们的受力特点 ,并给出了消能支撑水平控制力的表达式 ;提出了消能支撑设计中钢杆应满足的承载力要求 ;同时分析了支撑中钢杆拉压刚度对黏弹性阻尼器损耗因子和抗剪刚度的影响 ,并在此基础上给出了考虑钢杆拉压刚度影响的消能支撑水平控制力表达式 ;最后指出钢杆的拉压刚度对减震效果影响较大 。

改进型深筒式消力井消能效果及影响因素分析

为优化深筒式消力井装置的结构,使其在增加消能率的同时而不影响水流平顺流入下一级管道,并能降低水流对消力井井底的冲刷破坏作用,通过理论分析和模型试验研究,测量了消力井的相关水力参数,计算了不同结构体型消力井的水头损失系数和消能率,从消能率的角度探讨了多喷孔出水口的结构参数、溢流板高度与水头损失系数之间的关系,结合井底压强分布情况寻找较优的结构体型。结果表明:采用多喷孔出水口并增设溢流板的改进Ⅱ型消力井消能率比传统型的要高30%且井底压强分布均匀,在结构上具有明显优势。改进Ⅱ型消力井在小流量情况下过堰水流为自由出流,此时消力井水头损失系数会随流量的增加而降低,当流量增加至淹没出流后消力井水头损失系数随流量变化不明显。相对开孔面积为100%时,消力井主井水头损失系数随喷孔孔径的增加会有小幅度的减小;在距径比不大于2.5时水头损失系数随距径比的增大而减小,距径比大于2.5之后对水头损失系数影响不大;喷孔错列布置的水头损失系数明显比并列布置的大;溢流板高度对消力井水头损失系数的影响不明显,在淹没出流时堰板高度小的消力井水头损失系数略微有所降低。此研究可为深筒式消力井的结构设计提供参考,亦可为解决长距离管道输水过程中的消能问题提供科学依据。

介质中的电磁能量密度及其损耗

以电磁场理论为基础,从场与介质相互作用的角度详细分析了介质中电(磁)场能量密度的物理意义,将介质中的电磁能量密度分解为电(磁)场能量密度和介质的极(磁)化能量密度.极(磁)化能量密度决定于极(磁)化强度和外场强度.在交变电(磁)场中产生电磁能量损耗的物理机制是,由于非线性介质中的各种阻尼作用,电(磁)偶极矩跟不上外场的变化而出现弛豫损耗,电磁能量被损耗转换为热能.利用极(磁)化能量密度公式导出在简谐交变外场中电磁能量损耗的平均功率密度表达式,该损耗功率密度与介质的相对介电常数(磁导率)的虚部、外场频率和场强的平方成正比.电磁能量密度时变值分解为场能时变值、极(磁)化能时变值和电磁损耗时变值.

复杂配电网潮流的降规模计算

为了减少大规模配电网潮流分析的计算量,探讨了电压降和线损的简化计算方法。文章证明了当流过馈线段的末梢节点的功率不为零时,用双方向等效电压降模型计算沿线电压降时能得到准确的结果,而用双方向等效线损 模型计算时却不能得到准确的线损结果。因此提出了一种可有效地避免线损计算误差的方法。该方法是一种利用双方向等效电压降模型的计算结果进一步计算馈线沿线各负荷点的电压,并用递推方法计算该馈线段上各条支路的线损的方法。采用文中提出的方法可大大减少参与迭代计算的节点数,而且各负荷点的电压以及配电网的线损都不需要迭代就可以直接计算得到,从而精确得到整个配电网的线损。经对198节点的实际配电网的计算,验证了该方法的有效性和精确性,且比等效线损模型优越。

具有复位功能的支撑研究综述

为解决具有复位功能的防屈曲支撑及附设耗能器支撑构造复杂、施工困难等问题,将具有复位功能支撑按耗能方式分为自复位附设耗能器支撑、自复位防屈曲支撑2种形式,并对这2种支撑的国内外研究现状进行了综述与分析,分析了不足,指出了目前具有复位功能的支撑研究中需要进一步深入研究的关键问题.

金属阻尼器的试验研究与应用

能量耗散是减少建筑结构或构件在地震中损伤和破坏的关键,应用金属阻尼器是耗散地震能量的重要手段之一。金属阻尼器主要是利用金属进入弹塑性屈服状态产生滞回进行耗能,具有造价低廉,耗能能力稳定的优点。在重点介绍目前几种被广泛应用的金属阻尼器的基础上,阐述了其工作原理、构造要求和工程应用情况。其中,对铅挤压阻尼进行了设计和制作,并对其进行了力学性能测试,测试结果显示:铅挤压阻尼器力-位移曲线接近矩形,符合"库伦摩擦"的特点;力-速度曲线接近双"S"形,阻尼器耗能能力较强且性能稳定。最后,提出今后金属阻尼器的发展方向和需要进一步解决的问题。

耗散作用对大气中声波传播影响的数值研究

通过结合保色散关系空间差分格式和Runge-Kutta时间格式的数值方法,研究了耗散作用对声波传播的影响.结果表明,耗散的不均匀性会同时影响声波的传播轨迹和传输损耗.不均匀的耗散会使得波包上部和下部承受不同程度的衰减,造成波包能量中心向弱耗散方向移动,使波包能量中心的传播轨迹发生偏折.与此同时,声波的传输损耗也受到了改变:与无耗散情况相比,声波的几何扩散衰减受到抑制;与均一耗散情况相比,声波的大气声吸收明显减小.由于声波衰减系数与声波频率的平方成正比,耗散作用使声波传播具有色散性质.不均匀耗散对于声波波包能量中心传播轨迹的偏折作用随频率的增加而增强.