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关键词： 超声速喷管   过膨胀状态   比热比   修正方法  

摘要： 高效、低成本的排气系统风洞实验技术是排气系统研制过程中的一项关键技术。然而,在排气系统的冷流实验中使用的工质为空气,若只以喷管的落压比(Nozzle Pressure Ratio,NPR)作为特征参数开展实验,则会由于工质比热比(γ)的不同,造成与模拟的实际流场有所区别。尤其在喷管内出现大范围的流动分离,出现大量激波相交反射、激波边界层相互干扰时,影响更大。本文旨在探讨超声速喷管冷流实验中由于采用空气替代燃气工质而引起的差异问题。通过分析γ的不同,深入研究其对超声速喷管流场和力学性能的影响,并提出相应的修正方法。通过对排气系统冷流实验方法与数据处理方法的进一步改进,获得更接近真实工况的结果。本论文主要的研究内容如下: 1.采用随机优化算法对k-εRNG湍流模型的常数进行校正,以提高RANS方法在单边膨胀喷管(Single Expansion Ramp Nozzle,SERN)模型计算中的适用性和准确性。优化后的模型在壁面压力分布预测上表现更为准确,相较于默认常数值的模型准确率提高了5%。通过改进的湍流模型,在二维和三维情况下,采用中等质量网格就能获得令人满意的计算精度。同时,为考虑计算成本问题选择使用半模型进行三维计算。 2.在不同γ的情况下,深入研究了过膨胀SERN流场和性能的变化。通过理论分析和数值模拟,发现γ值的变化引起了喷管内静压分布的变化,导致冷流实验难以准确测量SERN的力学性能。尤其是在不同NPR和γ条件下,喷管呈现出多样的分离激波结构,壁面压力和剪切应力分布发生变化,对分离点位置和分离压力有着较大影响。在三维流场中,分离激波结构向内收缩,上、下壁面分离激波相互作用的形态发生变化。 3.为解决γ不同引起的冷流实验与实际工况结果差异的问题,采用机器学习方法构建了过膨胀SERN比热比修正模型。通过训练数据集和贝叶斯优化算法,使用卷积神经网络建立了修正模型,实现了对冷流输入条件的有效修正。修正后的数据在准确性和泛化能力上得到验证,与真实工况的数据高度一致。

关键词： 工业物联网   通信控制一体化   脉冲噪声   延迟敏感  

摘要： 近年来,随着5G等高速率、低延迟无线通信网络的广泛应用,小微企业和个人用户得以享受超可靠、超低时延的无线接入服务。这为物联网(Internet of Things,IoT)技术的发展创造了有利条件。相较于IoT,工业物联网(Industrial IoT,IIoT)的应用场景更加复杂、覆盖范围更为广阔,对通信质量和时延要求也更为苛刻。然而,传统控制方案难以满足控制系统对实时性的要求,严重影响工业生产活动的效率。为了解决无线通信和控制中存在的控制延迟高、成本大等问题,通信控制一体化系统(Integrated Communication and Control System,ICCS)应运而生。ICCS通过合理设计无线通信链路的数据传输策略,联合优化控制系统的编码信息和控制参数,从而有效降低了无线网络控制系统的时延,显著提高了系统的控制性能。 在IIoT场景中,ICCS经常受到脉冲噪声干扰的影响,这对无线网络控制系统(Wireless Network Control System,WNCS)的性能构成了严重挑战。本文考虑针对脉冲噪声干扰下的WNCS,采用米德尔顿A类噪声(Middleton Class A Noise,MCAN)模型,在分别采用无编码和有编码控制方案下,使控制系统能够实现稳定控制和较高的性能。在无编码通信-控制一体化方案中,本文考虑了WNCS中存在感知噪声的场景,并分析了不同噪声类型或多种噪声叠加对系统控制性能的影响,通过最小化控制均方误差(Mean Square Error,MSE),得出在单控制对象和多控制对象下的最佳控制参数。而在基于编码的通信-控制一体化方案中,本文针对时延敏感的IIoT控制对象,旨在优化系统的控制时延。具体的,本文通过理论分析并求得MCAN信道模型的信道容量表达式,并根据有限长码块定理,求得MCAN模型下的数据传输速率。通过设计一种联合优化方法,使得控制系统能够以超低的时延实现稳定的控制,从而提高系统的通信和控制性能。最后,本文的研究内容填补了目前在WNCS中,鲜有文献针对脉冲噪声干扰下的通信控制一体化技术领域的研究空白,为实际IIoT场景中,通信控制一体化技术在WNCS的应用提供了理论依据。

关键词： 大气湍流   水下成像   单像素成像   四瓣高斯光束   Krawtchouk矩  

摘要： 传统光学成像技术利用焦平面阵列探测器直接产生目标场景图像,具有成像速度快、成像质量好、发展成熟等优势。然而这种成像技术在面临诸如大气湍流和水下环境等复杂条件时,成像质量往往显著下降甚至无法成像。不同于传统的成像模式,单像素成像(Single-pixel imaging,SPI)使用仅具有单个像素的探测器获得一维时序光强涨落信号,然后利用算法重构获得二维图像。这种独特的成像体制使得SPI具备了一定程度的抗湍流和抗散射能力。但是随着湍流和散射强度的增强以及成像距离的延伸,SPI的成像质量仍不可避免地出现劣化。在本论文中,我们将针对大气湍流与水下环境下的单像素成像进行深入研究,以满足复杂环境下高质量成像的需求。 针对大气湍流干扰下的单像素成像,本文首先系统地推导了湍流环境下的光场传输模型与SPI公式,并通过仿真分析指出使用传统高斯光源的SPI在大气湍流干扰下存在成像模糊的问题。在此基础上创造性地提出利用非相干四瓣高斯光束作为光源,以实现大气湍流干扰下的远距离SPI。为了深入探究传播距离、湍流强度以及四瓣高斯光束阶数对SPI成像质量的具体影响,进行了详尽的仿真数值分析。仿真结果表明,相较于传统的高斯光束,采用四瓣高斯光束作为光源,在长距离成像条件下能够显著提升SPI系统在湍流环境中的成像质量。 为了进一步提高水下SPI的成像质量,本文首次将基于Krawtchouk矩的单像素成像(Krawtchouk Moment-Based SPI,KMSI)引入水下环境,通过脉冲光源和时间分辨门控探测器组成的距离选择切片成像系统,有效地消除了原始KMSI的棋盘格效应和水体的后向散射。实验和仿真结果表明,在亚采样率条件下(例如5%采样率),基于距离选择切片成像的KMSI系统在高浊度和水下湍流环境中的成像质量都要优于其他SPI模型。 总的来说,本论文结合光束整形技术与图像矩理论,为复杂环境中的单像素成像系统提供了更高质量的解决方案。

关键词： 高速飞行器   综合热效应   气动/控制一体化设计   气动代理模型   综合性能评估指标体系  

摘要： 马赫数大于5的高速飞行器具有高机动性以及探索极端环境的能力,有望在军事、航空航天、物流运输等领域发挥重要作用,并推动航空技术的进一步发展。然而,此类飞行器的工作环境主要集中于平流层和同温层,该高度范围内大气密度低、氧气稀薄、温度变化大,同时高速飞行过程中,飞行器空气动力学特性发生显著变化。由于与大气的高速摩擦,其表面产生极高的温度,引起力/热/结构等多场耦合效应,使得低速飞行器设计中可以忽略的问题变得不可忽视,为飞行器设计带来新的挑战。传统的独立设计方式忽略各学科之间的相互影响,可能无法有效应付高速飞行器复杂的工作环境,导致飞行器整体性能不佳。 针对以上问题,本文提出考虑综合热效应的气动/控制一体化设计,通过考虑气动布局与本体控制性能的相互影响,采用层次分析方法建立面向气动/控制需求的优化设计模型,给出处于综合热效应影响下高速飞行器最优控制的折衷飞行状态范围,达到减少设计迭代次数、提高飞行器性能、改善飞行器的稳定性和操纵性的目的。具体工作包括: (1)针对综合热效应影响下飞行器结构随累积热的增加不断发生变化所导致的多物理场耦合和复杂工作环境问题,以飞行马赫数大于5的高速飞行器标模为研究对象,通过动力学建模的关键因素分析,给出了综合热效应对飞行器结构变形的影响规律,得到了当考虑综合热效应的影响时,飞行器本体动力学建模的飞行条件范围。据此建立了考虑综合热效应影响的飞行器本体动力学模型,分析了其对飞行器气动特性、操稳特性和配平特性的影响规律,明确了建立高保真度的气动代理模型的重要性,为开展气动/控制一体化设计研究奠定基础。 (2)针对气动代理模型无法兼顾模型精度和计算效率的问题,以飞行条件范围所获得的气动数据作为数据集,采用迁移学习的方法,通过数据共享、知识迁移、参数共享和领域适应等机制,将kriging在有限高精度数据上的优势和深度学习在高维空间大数据条件下的优势相结合。仿真实验结果表明,与kriging气动代理模型和深度学习代理模型相比,本文提出的迁移学习代理模型在模型保真度方面约提升9.64%以上,在计算效率方面约提升5.65%,实现了模型保真度和计算效率之间的平衡,为控制律设计和一体化设计优化提供好的被控对象。 (3)针对高速飞行器在巡航段内定高巡飞过程中,在累积热影响下飞行器结构发生形变,无法沿预期状态飞行的问题,以建立的飞行器动力模型为被控对象,采用深度强化学习的方法开展控制律设计。该方法可以通过实时与环境交互学习得到新的控制策略,以适应系统动力学特性的变化,为后续开展布局散布/控制偏离相互作用对飞行任务的影响分析以及气动/控制一体化优化设计提供了有力支持。 (4)针对飞行器气动和控制解耦设计不仅增加了设计的时间成本,还可能导致次优的设计结果的问题,以气动布局评估指标和控制性能评估指标为基础,选择层次分析法建立的综合性能评估指标体系作为最优化目标函数,构建了气动/控制一体化设计优化模型,采用直接搜索算法,提出了考虑综合热效应影响的高速飞行器综合性能最优的折衷优化方案,该方案对飞行器总体性能约提升17.9%以上,为此类高速飞行器设计提供设计方法和技术支撑。

关键词： 业财一体化   成本控制   优化策略   信息共享  

摘要： 随着市场经济的不断发展，企业面临着日益激烈的竞争环境，成本控制成为提升企业竞争力的关键，业财一体化作为一种新型管理模式，强调业务与财务的深度融合，对企业成本控制具有重要意义。本文阐述业财一体化视角下的企业成本控制原则，包括数据精准、协同增效、全程把控，并总结当前企业在成本控制方面仍面临目标短视、信息孤岛、流程不合理及执行不力等问题。为此，本文提出基于长远规划的成本战略目标体系构建、打破信息壁垒的信息共享机制建立、优化业务流程的系统规划、强化预算监控的执行力度以及提高数据解析与核算能力的技术更新等优化策略，旨在帮助企业提升成本控制的有效性和精确度，从而增强企业的综合竞争力。

关键词： 浮选   湍流脱附   颗粒-气泡   毛细力   脱附概率模型  

摘要： 浮选是细粒矿物及煤炭提质除杂的重要方法,但其分选过程存在明显的尺寸效应,其中湍流诱发颗粒-气泡脱附是导致浮选存在分选粒度上限的主要原因。目前,颗粒-气泡脱附研究多以定性推理分析为主,脱附过程颗粒-气泡间复杂界面力学行为演化规律及矿化气絮体-多尺度湍流相互作用的能量作用机制仍未明晰。论文以气絮体界面毛细粘附力-湍流脱附应力竞争作用为突破口,提出以“准静态脱附力数学模型构建-剪切湍流脱附机制研究-涡旋湍流脱附机制研究-湍流脱附概率模型修正”为研究主线,聚焦“颗粒-气泡准静态脱附毛细力数学模型”和“湍流诱发颗粒-气泡脱附能量作用机制”两个关键科学问题,采用浮选脱附力测试仪、高速动态摄像、粒子图像测速、激光诱导荧光及计算流体力学相结合,从颗粒-气泡准静态脱附过程认知出发,明晰不同分离角度下的颗粒-气泡动态脱附规律,构建毛细力数学模型;进一步解析剪切和涡旋湍流对颗粒-气泡脱附行为影响,建立脱附过程界面行为控制方程,揭示湍流驱动气絮体脱附动力学机制;最后通过提取颗粒脱附过程关键参数,对颗粒-气泡离心脱附理论及其脱附概率模型进行改进与完善。研究对进一步深化颗粒-气泡湍流脱附机理认知,提高浮选入料粒度上限具有重要意义。主要结论如下: 明晰了不同分离角度下颗粒-气泡脱附动力学并构建毛细力数学模型。分离角度是决定颗粒-气泡脱附行为的核心参数,其通过改变接触角变化规律来影响三相润湿周边的收缩方式。随着分离角度增加,接触角从“同步增长”变为“交叉变化”,三相润湿周边呈现“双向同步收缩-双向不同步收缩-一侧收缩一侧固定-一侧收缩一侧铺展”的演化规律。将作用于气絮体的总脱附力分解为垂直于三相润湿周边的垂直分量（F⊥）和沿三相润湿周边的平行分量(F（47）),分别建立了两个方向下的毛细力数学模型,并通过引入分离角度矢量计算得到了任意脱附方向下的毛细力数学模型。结合试验验证,发现随着分离角度增大临界脱附力呈现下降趋势,相同分离角度下颗粒尺寸和疏水性的提高增大了临界脱附力。同时指出,外力达到临界脱附力不是颗粒-气泡发生脱附的充分条件,还需外力持续一段时间完成三相润湿周边收缩。据此,提出了“气絮体-应力-时间”三要素脱附判据新准则,有效弥补了传统邦德数脱附判据的局限。 揭示了剪切湍流诱发颗粒-气泡脱附动力学机制。气絮体剪切湍流脱附过程经历了气泡拉伸变形、三相润湿周边滑动收缩和气泡颈缩断裂三个阶段,其动态脱附行为受剪切湍流方向和流场强度调控。在法向剪切湍流中,颗粒-气泡分离角度随流场强度的增加而减小,导致颗粒-气泡脱附时所需克服的毛细力增大,进而需要更高的流场能量完成脱附;而在切向剪切湍流中,分离角度随流场强度增大而增大,所需克服的毛细力减小,因此脱附过程对流场能量需求降低。基于动态接触角和三相润湿周边滑移速度模型构建了颗粒-气泡脱附过程界面行为控制方程,并运用Fluent-UDF编程实现了颗粒-气泡剪切湍流脱附过程三维模拟。模拟结果揭示了迎面涡旋是颗粒-气泡脱附的主要驱动力,而侧面涡旋对脱附过程的影响与剪切湍流方向有关。法向剪切中侧面涡旋促进气泡偏转,有利于其脱附;而切向剪切中侧面涡旋阻碍气泡偏转,延长其脱附所需时间。 揭示了涡旋湍流诱发颗粒-气泡脱附动力学机制。系统考察了湍流强度、颗粒尺寸、气泡尺寸以及疏水性对气絮体涡旋湍流脱附的影响,揭示了气絮体涡旋湍流脱附行为的时空依赖性,发现湍流强度是决定其脱附方式的关键参数。在低湍流强度下（Re=11302）,气絮体主要在浮力作用下上升,不易发生脱附。随着湍流强度的提高（Re=22605）,气絮体沿螺旋式轨迹旋转,且易受壁腔顶部高速流体剪切区影响发生流体剪切脱附或气泡振荡脱附。在高湍流强度下（Re=33907）,壁腔内涡旋强度显著增强,气絮体旋转半径减小,使其有效避开壁腔顶部的高速流体剪切区,主要发生离心脱附。颗粒与气泡尺寸增大及颗粒疏水性降低均会增加气絮体脱附概率,缩短其在壁腔内的运动时间。此外,发现流场加速对象的不同是导致颗粒-气泡脱附方式发生转变的重要原因:在流体剪切脱附过程中,气泡因受到流场加速作用而从颗粒表面脱附;而在离心脱附过程中,则是颗粒在流场加速作用下从气泡表面脱附。 提出了颗粒-气泡离心脱附理论新见解并对其脱附概率模型进行修正。在气絮体离心脱附过程中,颗粒与气泡一起进行离心运动。由于颗粒的斯托克斯数高于气泡,涡旋效应促使颗粒始终位于气泡外缘,并在流场持续加速作用下获得更高的速度和离心力。当离心力超过毛细力对颗粒的束缚时,颗粒从气泡表面脱附。同时,发现实际脱附过程中法向脱附相对较少,颗粒-气泡的分离角度呈现出多样性;且颗粒旋转半径并非以气泡半径或直径为基准,而是围绕涡旋内部某一瞬时旋转中心进行旋转。基于此,本文对毛细力和离心力的计算公式进行了相应完善,进而对邦德数与脱附概率模型进行了修正,旨在更

关键词： 超声速燃烧室   脉冲调制电弧放电   等离子体辅助燃烧   等离子体强化点火   等离子体辅助稳燃  

摘要： 超燃冲压发动机是大气层内高超声速飞行的最佳动力装置,是21世纪大国博弈的重点内容。面向超燃冲压发动机高效低阻、宽速域、宽空域的发展方向,针对燃烧组织和燃烧流动耦合的需求,本文提出了基于脉冲调制电弧放电(PMAD)的等离子体辅助燃烧方法,研究了超声速气流中PMAD强化点火、辅助稳燃和改善燃烧特性的效果与特性。以下是本文的主要研究工作: 首先,从PMAD辅助燃烧基本原理出发,设计和实现了PMAD源,研究了PMAD的等离子体参数调节特性,获得了PMAD辅助燃烧的等离子体效应调节特性。通过设计和实现PMAD源,实现了高能电子密度增大。通过研究PMAD等离子体参数调节特性,分析了微秒时间尺度下电子能量随电感L和电容C先增大后减小的变化规律,获得了毫秒时间尺度下实现高能电子密度的最佳参数。通过研究PMAD辅助燃烧的等离子体效应调节特性,发现了PMAD作用下主要产生氧自由基和氮氧化物两种产物。这两种产物通过与产物或自由基反应而消耗,并在产生和消耗的过程中生成反应热,引起燃烧反应的增强。 其次,针对超声速点火的需求,分析了超声速点火过程主导因素,开展了高能PMAD强化超声速点火实验,研究了高能PMAD强化超声速点火特性。通过分析超声速点火过程主导因素,发现了超声速点火过程中局部点火和总体点火子过程,指出了局部点火诱导总体点火是点火过程主导因素之一。通过开展高能PMAD强化超声速点火实验,发现了PMAD将数百毫秒的总体点火过程缩短到几十毫秒的效果。通过研究高能PMAD强化超声速点火实验特性,指出了PMAD加速总体点火的效果是通过缩短局部火焰维持时间来实现的。 然后,针对超声速稳燃的需求,分析了超声速稳燃的原理,开展了低功耗PMAD辅助超声速稳燃实验,分析了低功耗PMAD强化超声速稳燃的特性。通过分析超声速稳燃原理,指出超声速稳燃存在两条改善稳燃的途径,加快火焰传播和稳燃模式降低气流速度。通过开展低功耗PMAD辅助超声速稳燃实验,成功实现了燃烧稳定模式的转变。通过分析低功耗PMAD强化超声速稳燃实验特性,发现PMAD在0.18至0.69当量比的条件下均有利于促进稳燃,特别在0.51～0.60当量比条件下,PMAD还能促进稳燃模式转变并利用稳燃模式降低气流速度的作用辅助稳燃。 最后,针对改善超声速燃烧特性的需求,分析了PMAD改善超声速燃烧特性的途径,开展了PMAD改善超声速燃烧特性的实验,研究了PMAD对超声速燃烧特性的影响。通过分析PMAD改善超声速燃烧特性途径,指出燃烧特性与一维释热分布和湍流扩散燃烧的特征时间密切相关。通过开展PMAD作用超声速燃烧特性实验,成功改善超声速燃烧特性。通过分析PMAD对超声速燃烧特性的影响,发现了在当量比0.47和0.55条件下,PMAD辅助燃烧的方法可成功改变超声速燃烧室的压力分布和释热分布,并对燃烧模态产生一定影响。进一步分析表明这种影响的燃烧释热能量产出和PMAD能量投入比值可达1200。