Multi-physical field coupling simulation of TCVI process for preparing carbon/carbon composites

To prepare Carbon/Carbon (C/C) composites with advanced performance, the thermal gradient chemical vapor infiltration (TCVI) process has been optimized by simulation. A 2D axisymmetric unstable model was built, which included convection, conduction, diffusion, densification reactions in the pores and the evolution of the porous medium. The multi-physical field coupling model was solved by finite element method (FEM) and iterative calculation. The time evolution of the fluid, temperature and preform density field were obtained by the calculation. It is indicated that convection strongly affects the temperature field. For the preform of carbon/carbon composites infiltrated for 100 h by TCVI, the radial average densities from simulation agrees well with those from experiment. The model is validated to be reliable and the simulation has capability of forecasting the process.

Simulation Monitoring for Rainfall Infiltration in Soil Based on High Density Electrical Method

Rainfall infiltration is a porous medium flow problem with variable saturation. Based on the theoretical analysis of the flow field, electrical conductivity of rocks, the electrical field, the paper simulates the coupling relationship between the water saturation in soil and the apparent resistivity distribution. It combines the Richards equation, the Archie formula and the Laplace equation. The experiment simulates the potential field data by the Wenner setting in electrical exploration on a two-layer geologic model with continuous rainfall during 5 days, which shows that the effective saturation in soil is increasing with the rainfall time, while the apparent resistivity is decreasing. This can provide a theoretical basis for the analyzing the rainfall infiltration and porosity of the soil by using high-density electrical method in the future.

四旋翼无人机滑模-CPCMAC联合控制半物理仿真系统

针对四旋翼无人机强耦合、欠驱动、非线性等特点,以及在实际飞行过程中极易受到干扰的问题,对四旋翼无人机动力学模型进行分析,提出了一种基于联合的四旋翼无人机姿态控制算法,并在此基础上设计了四旋翼无人机半物理仿真系统。首先,针对非线性系统设计滑模控制器,选择跟踪航迹和翻滚角设计位置控制率和姿态控制率。其次,滑模控制器在实际应用中易产生震荡,利用基于信用积分的小脑模型神经网络(CPCMAC)来学习滑模控制的方式。最后,搭建基于LabVIEW的控制站,同Matlab/Simulink进行数据收发控制。仿真结果表明,在跟踪目标相同时,提出的四旋翼无人机滑模-CPCMAC联合控制相比于传统的比例积分微分(PID)控制和积分反步法控制优势明显,能够抑制超调和余差,在快速性和鲁棒性方面都更加优越。同时,构建的四旋翼无人机半物理仿真平台能清晰反馈出无人机参数的变化,应用预留的参数接口和地面控制站,降低了无人机飞控算法的开发难度,提高了开发效率,具有明显的实用价值。

超深层裂缝性致密砂岩气藏多尺度耦合流动数值模拟

塔里木盆地克拉苏气田白垩系气藏是罕见的超深层裂缝性致密砂岩气藏,该类气藏的储渗空间具有显著的多尺度特征,基质与多尺度裂缝、断层介质的渗透率级差相差5~6个数量级,常规渗流理论难以准确描述其流动规律和开发机理。为此,基于单裂缝流动物理实验结果及流体力学理论,结合多尺度裂缝几何信息,应用均化理论和体积平均尺度升级方法,将多尺度介质划分为5个流动系统,建立了考虑介质间的非稳态窜流多尺度耦合流动数学模型,并应用有限体积法对耦合流动模型进行了数值求解和数值试井分析。研究结果表明:(1)不同尺度裂缝中具有不同的流动特征,随缝宽增加流速加快,流动模态发生变化;(2)多尺度耦合流动模型与双重介质模型结果存在较大差异,导数曲线具有不同趋势特征;(3)应用所建立的多尺度耦合流动模型成功解释了气藏实际试井数据,模型能够反映实际地层中的流动过程。结论认为,超深层裂缝性致密砂岩气藏多尺度耦合流动模型揭示了多尺度裂缝以及致密基质间逐级动用、协同供气的开发机理,可为类似气藏制订合理开发技术政策及气藏提高采收率提供理论和技术支撑。

弯管内外表面腐蚀缺陷力学-电化学相互作用规律研究

为进一步研究弯管内外表面腐蚀缺陷力学-电化学(M-E)相互作用规律,建立基于多物理场耦合的弯管内外表面含腐蚀缺陷的三维模型,研究内压和缺陷几何形状对M-E相互作用规律及对弯管的影响。研究结果表明:当弯管内外表面存在腐蚀缺陷时,弯管内侧的M-E效应更强,增加应力和腐蚀的增长速率,使内侧更容易发生失效;当缺陷几何增长时,应力在缺陷长度和宽度方向上增长,腐蚀主要在缺陷长度方向上增长;外表面缺陷附近的应力和腐蚀增长规律基本一致,而内表面缺陷附近的应力增长较腐蚀增长更为复杂。研究结果可为含腐蚀缺陷弯管评估模型的完善以及管道系统完整性的管理提供理论参考。

COMSOL仿真模拟埋地天然气管道多孔瞬态泄漏与扩散

为研究埋地天然气管道多个泄漏孔下的扩散规律,以多孔介质中埋地管道的泄漏孔个数、泄漏孔间距、管道埋深为变量研究流体运输扩散现象.使用COMSOL软件构建三维模型,基于多孔介质中气体扩散物理模型,设置土壤域为多孔介质域观察管道非稳态过程泄漏扩散现象,并采用有限元法模拟多物理场耦合作用.结果表明:土壤域内多个泄漏孔释放的甲烷气体达到饱和时间比单孔泄漏约缩短120min;泄漏孔间距为300mm比间距为100mm时形成土壤表面危险半径约增加1.5倍;埋地管道上方覆土厚度与固定时间内土壤表面气体浓度变化呈负相关;泄漏孔个数和孔径的增加与土壤内甲烷含量变化呈正相关.研究结果可为天然气泄漏事件应急预案的制定提供技术支持.

面向电气工程实际的多物理场数值仿真开放实验教学

在电气工程专业本科生电磁场实验教学中,开展面向电气工程实际的多物理场数值仿真开放实验教学,对培养学生的工程观念、综合应用多学科专业知识解决实际电气工程问题的能力具有重要的意义。以电力系统中广泛应用的电力设备——干式空心电抗器为研究对象,阐述了开设干式空心电抗器电、磁、热以及力场等多物理场数值仿真开放实验的目的、内容及实施过程。这些开放实验取得了良好的教学效果。

当前渗流力学理论遇到的挑战与对策思考

本文详细阐述了渗流力学经典理论——达西定律的发展历程及其适用条件,并从Navier-Stokes(N-S)方程推导出了达西定律在多孔介质中的毛细管渗流和裂缝渗流中的数学表达式。文章指出了当前达西定律应用中存在的8大问题,并综合分析了渗流力学理论在油气田开发中的主要挑战。针对这些挑战,本文提出了一系列对策和思考。文章强调指出:构建多尺度、多物理场耦合模型并借助AI科学计算是揭示油气储层复杂真实流动机制,填补目前理论空白的必由之路。建议指出:进一步发展核磁共振、电镜扫描及智能数据与图像处理等高精度实验技术,以直观展现流体在储层中的流动行为和过程。最后,建议综合运用实验研究、新理论模型建立和AI科学研究方法(AI for Science),突破油气渗流力学理论中目前遇到的挑战。研究成果可为我国高校、科研机构和研究者开展石油科学理论研究和课题立项提供重要参考,同时可为我国油气资源可持续进行科学和技术战略规划提供强有力的技术支撑。

基于多物理场仿真的油浸式变压器温度特性分析及散热器优化

准确计算油浸式变压器的温度分布并寻求优化方法,对设备运行维护具有重要意义。首先建立了35 kV油浸式变压器的3维等效模型,采用Jiles-Atherton模型模拟变压器铁芯材料的磁滞特性,通过磁场计算获取了铁芯和绕组的损耗密度分布。在此基础上将损耗密度作为热源,经过流–热耦合计算得到变压器的温度场和流场仿真结果。根据计算结果提取了铁芯、绕组区域的温度分布及截面的油流流速分布,并绘制了散热片的最高温度和流速曲线。最后结合中心组合设计和仿真分析方法得出不同散热器结构参数下的变压器热点温度,构建热点温度与结构参数间的支持向量机模型,采用粒子群算法获得了最优参数。变压器热点温度较优化前降低了15.12 K,仿真与模型预测结果的相对误差为6.42%,验证了优化模型的有效性。结果表明:优化方法能够显著降低变压器热点温度,为变压器的优化设计提供了新的思路和参考。

基于COMSOL的纸浆模塑干燥模拟及验证

目的研究采用COMSOL Multiphysics模拟纸浆模塑干燥效率及厚度变化的可行性。方法基于多孔介质理论,应用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立纸浆模塑干基含水率随时间变化的热湿、水分流动、非等温流动多物理场耦合模型,考虑干燥中含湿多孔介质的湿空气热对流及多孔基体的热传导,模拟在热板加热条件下纸浆模塑的干燥效率和厚度的变化,并与实验结果进行比较。结果模型内域探针所得模拟结果与实验结果具有良好的一致性,在干燥后期厚度预测误差范围为0.4%~7.7%,干燥效率预测差异值最低为4.3%。结论采用COMSOL Multiphysics模拟纸浆模塑干燥过程可行。

压接式IGBT寿命评估软件开发与案例分析

压接式IGBT功率器件是新型电力系统应用装备中的核心部件之一。由于电力设备工作环境复杂,工况多变,长期作用下会导致功率器件发生疲劳失效。为保证电力系统关键设备的安全稳定运行,需要对压接式IGBT器件的剩余寿命进行评估,从而在器件发生失效前及时进行相应的处理。首先通过建立压接式IGBT器件多物理场模型分析影响器件老化进程的力学参数;然后,基于分析结果,在现有寿命预测模型中选取适合于压接式IGBT的模型,并开发适用于压接式IGBT的寿命评估软件;最后用寿命评估软件进行案例分析,得到器件的寿命评估结果,对器件的应用提供了指导。

富油煤原位热解多物理场演化规律数值模拟研究

【目的】富油煤原位热解是一种具有清洁、高效、安全等优势的煤炭资源新兴利用技术,尚处于起步阶段,多物理场演化规律及关键工艺参数对富油煤原位热解过程具有重要影响。【方法】通过构建耦合流体流动、传热以及化学反应的多物理场数值模型,并与富油煤圆柱煤样热解实验的结果对比分析,以验证多物理场耦合模型的可靠性。根据先导试验条件,采用均质/非均质渗透率模型研究了渗透率、热载体流量以及致裂区高度对热解过程中传热传质的影响。【结果和结论】结果表明,增大渗透率有利于快速生产,对于均质渗透率模型而言,当渗透率为1μm2时热解反应仅需38 d即可完成,建议对煤层进行冲击致裂使得煤层渗透率达到达西级别。而对于非均质渗透率模型,在加热前期增大热载体流量可以提高传质传热速率。热载体流量为0.12 kg/s时,高渗区域热解反应完成仅需12 d左右。后期当中心高渗区域煤热解完成后,反应及渗流速率变慢,提高热载体流量对反应速率的影响较小。实际生产中建议前期选择较大的热载体流量(0.12 kg/s)促进高渗区域快速热解,更快产生焦油;后期可减小热载体流量节省成本。增大致裂区高度可提高热解速率,致裂区高度为6 m时,热解反应仅需130 d左右即可完成。实际应用中需综合考虑冲击致裂成本以及热解时间成本。

导弹伺服系统多物理场建模设计

导弹伺服系统是包含机械、电气、电磁、控制等多物理场的复杂机电系统。针对传统理想线性仿真技术存在的模型颗粒度不够、仿真精度不高的问题,开展细颗粒度多物理场仿真技术研究。对伺服系统的伺服电机、电路、控制算法、传动机构进行精确物理场建模,然后采用基于VHDL-AMS的统一语言建模技术、模型降阶技术和联合仿真技术相结合,实现伺服系统集成化多物理场仿真。仿真结果和样机试验结果对比表明:模型颗粒度高,仿真精度可达到87%。通过该方法可对系统进行高精度、高保真度的虚拟验证,降低研制风险。

多薄层致密砂岩储层大型水力压裂三维物理模拟实验

鄂尔多斯盆地东北缘临兴气田以多薄互层型致密砂岩储层为主,储层岩性复杂、渗透率低,受多种因素影响且作用机理不明确,导致压裂施工难度大、效果差异大。为此,针对临兴气田致密砂岩储层不同岩石组分、黏土含量、粒径、沉积旋回、平面及纵向非均质性等特性,设计并开展了不同地质条件下的水力压裂室内大型三维物理模拟实验。根据相似准则,参照二叠系石盒子组三向地应力、岩石强度、井身结构参数、现场压裂施工参数,确定了实验基本参数。根据临兴气田典型井主力储层特征,制作了考虑不同岩石组分、黏土含量、粒径、沉积旋回组合、平面非均质性组合、纵向非均质性组合的15块立方体岩心,开展了15组压裂模拟实验,并从分析注入压力曲线和观察岩样破裂面两个方面总结了影响水力压裂缝扩展规律的储层主控因素。研究表明,岩石矿物和粒径、沉积旋回、平面及纵向非均质性对致密储层裂缝扩展形态有显著影响。砂岩粒度较大、胶结较弱、黏土含量较高、平面非均质性较强,使得裂缝面更易于屈曲,扩展压力增大,导致加砂困难;沉积旋回会使得水力压裂缝易于沿旋回层面扩展,从而形成水平缝,其中反旋回界面突破难度比正旋回大;由于砂—泥层间界面、砂—煤层间界面、天然砂岩弱面易被激活,从而产生“工”或“T”字形裂缝,对于砂泥多薄互层还会产生“工”+“T”+“十”字形的组合裂缝。实验研究揭示了不同地质条件下的水力压裂缝扩展形态,也为类似区块的研究提供了借鉴。

基于比例谐振自抗扰控制的电机谐波抑制与噪声优化

针对驱动电机逆变器非线性、反电动势波形非正弦等因素所引入的大量低频谐波,提出了一种比例谐振自抗扰控制策略,该方法可以更为全面地抑制电流谐波,同时引入谐振调节可以对特定频率谐波进行更好地抑制。首先,建立了电机系统数学模型,基于麦克斯韦张量法,推导了电磁力的解析式,分析得出5、7次谐波会对电机的转矩脉动与电磁噪声性能产生恶化;其次,建立了Simulink&Jmag多物理场协同仿真模型,对谐波抑制前后的转矩脉动与电磁噪声进行仿真分析,验证了理论解析的正确性。最后,搭建实验平台对施加策略前后采集的电流与电磁噪声结果进行分析。结果表明,所构建的控制策略对低频主要阶次的谐波成分有较好的抑制效果,优化了电机的低频噪声特性。

大容量抽水蓄能发电机断路器发热特性仿真与散热优化方法

过高的温升会加速真空断路器结构老化、降低机械强度,基于温升仿真分析的断路器散热优化设计对断路器性能提升具有重要意义。为此通过建立大容量抽水蓄能发电机断路器电磁仿真模型,计算不同通流情况下的电磁损耗,并基于各端面接触电阻损耗,获得总发热损耗参数。在此基础上,建立包含对流、传导、辐射热传递模式的断路器自然对流仿真模型,从增强自然对流、辐射两方面对断路器散热结构进行优化设计。研究结果表明,在通流12.5 kA情况下,断路器监测点最高温升为133.7 K,辐射功率占比约23%。通过增加散热片及热管,最高温升能够降低至109.5 K。增大断路器部件表面发射率能够低成本实现辐射功率提升,从而将最高温升进一步降低至96.9 K。通过断路器稳态通流温升实验,验证了仿真可靠性,监测点温升的仿真与实验平均误差小于2.1 K。

SF_(6)断路器触头劣化过程合闸预击穿特性研究

电容器组投切断路器触头烧蚀劣化后会改变合闸预击穿时间,这不仅会影响选相合闸效果,同时也说明预击穿电弧持续时间可作为衡量触头烧蚀状态的指标之一。建立了126 kV SF_(6)断路器灭弧室内合闸预击穿过程电—流体耦合仿真模型,研究了触头劣化过程中合闸预击穿特性,并提出了预击穿时间带电检测方法。结果表明:合闸过程中场强最大点总是出现在静弧触头表面;灭弧室内SF_(6)气体密度几乎保持不变;110 kV电压等级相电压下,触头预击穿电弧持续时间随烧蚀程度变化的试验值与仿真值吻合良好。从电场畸变角度解释了随着触头的表面烧蚀劣化程度增大对应预击穿时间的变化规律,结果可为断路器选相合闸策略和触头状态评估提供理论指导。

高功率密度永磁同步电机多物理场设计与优化

针对额定功率50 kW、额定转速2050 r/min的高效率高功率密度永磁同步电机进行多物理场优化设计,包括电磁场、温度场和应力场的设计与仿真分析。为进一步提高功率密度,选用发卡绕组替代传统的圆线绕组;为改善反电动势的正弦度,相较于传统的径向充磁,选用了多段式Halbach阵列充磁方式。本文给出了高功率密度电机的设计流程和电磁参数优化过程,通过多物理场仿真表明,本文所设计电机能够同时满足电磁指标和各项温升和应力指标。

考虑多场耦合作用的航空薄辐板齿轮热处理后辐板车削变形研究

薄辐板齿轮拥有质量轻、结构与受力相匹配等诸多优点,常应用于航空航天等重要场合。然而,薄辐板齿轮本身的刚度较小,工艺过程复杂且涉及应力场、温度场等多个物理场的耦合作用,难以对其进行精确变形及加工精度的控制与预测。以薄辐板齿轮件为研究对象,针对齿轮辐板的热处理及车削加工工艺过程,建立了零件的工艺参数与其应力场间的映射模型,并通过试验验证了该模型的正确性;基于该模型,分析了不同的工艺参数、工艺路线以及零件的装夹方式等对航空薄辐板齿轮辐板的热处理后车削加工变形的影响,明确并优化了导致零件产生变形的主要因素。

基于多物理场耦合的大容量干式空心并联电抗器温度场仿真研究

干式空心电抗器的温度场研究对电抗器的设计和制造至关重要。文中对大容量干式空心并联电抗器,采用电磁—流热多物理场耦合方法,考虑了温度对铝导线电导率的影响,建立了包含星型架、撑条和包封绝缘的三维电抗器有限元仿真模型。对于110 kV输电系统中BKGKL-40000/110电抗器进行了仿真分析,分析结果表明电抗器温度分布总体呈现上高下低的趋势,在电抗器上部中心的空气流速最高,将结果与试验测温结果相比较,两者较为接近,说明了仿真方法的准确性。此外,对加设防雨罩后的电抗器仿真结果进行了分析比较。通过分析电抗器的温度分布特点,为干式空心并联电抗器的设计与制造提供参考。