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关键词： 网格湍流   表面活性剂   粒子图像测试技术   本征正交分解   小波变换  

摘要： 在全球节能减排的背景下,添加剂湍流减阻技术因其高效的减阻效果和低成本的优点,在流体长距离运输过程中得到了广泛的应用。目前,关于粘弹性流体湍流减阻的研究主要集中在具有壁面效应的槽道和管道流动中。此类流动均处于各向异性,增加了探究粘弹性流体湍流减阻机理的难度。然而,粘弹性流体各向同性湍流的研究却能很好地解决上述问题。因此,本文基于槽道网格湍流实验装置,对水和表面活性剂在不同网格格栅后的各向同性流动进行实验研究。 首先,建立了高雷诺数下槽道网格湍流实验系统,并使用二维粒子图像测速仪对水和表面活性剂水溶液的速度场进行测量。获得了不同溶液浓度、不同流动雷诺数和不同网格结构下沿流向不同位置处的速度场分布。同时对湍流流场进行各向同性度分析,确保所设计的槽道网格湍流实验台近似满足各向同性湍流的要求。 其次,基于实验PIV数据库研究了网格的分形特性和表面活性剂的浓度对网格后重要湍流参数的影响。结果表明,表面活性剂水溶液的速度场分布更加规则,溶液的粘弹性对湍动能、湍流耗散率和涡结构产生抑制。且随着溶液浓度和雷诺数的增加,溶液的粘弹性对湍流的抑制效果更加明显。进一步基于湍动能对表面活性剂水溶液在网格湍流中的减阻率进行分析。结果表明,表面活性剂水溶液在传统网格湍流和分形网格湍流中均表现出显著的减阻效果。此外,采用Daubechies小波对不同工况下的脉动速度场进行多尺度分解,发现在同一分解尺度上,表面活性剂水溶液的涡结构数量明显减少,湍流间歇性明显减弱。 最后,采用本征正交分解(POD)方法对槽道网格湍流中不同尺度涡结构特性进行研究。结果表明,表面活性剂水溶液工况中捕捉相干结构所需要本征函数个数明显少于水工况中的,溶液的粘弹性显著地抑制了湍流中小尺度涡结构的生成。网格的分形特性并未改变表面活性剂水溶液的减阻机理,仅改变了网格后的湍流流动特性。

关键词： LED   阵列光束   空间相干度   湍流效应   平均误码率  

摘要： 基于发光二极管(Light-emitting Diode,LED)的可见光通信(Visible Light Communication,VLC),具有成本低、抗电磁干扰性强、安全性高及系统设计相对简单等优点,可以实现照明兼通信的应用需求。目前,窄光束LED在大气中公里级距离和衰减系数较强的水下百米距离量级通信的应用得到重视和发展,LED光信号信道中的吸收、散射和湍流等传输效应的综合研究是通信系统方案设计和性能评估的基础。当前的可见光通信信道研究包括基于完全相干光的激光传输特性和考虑退相干下的部分相干光传输特性,而LED传输特性研究中的光场描述采用完全非相干光场模型。随着LED的广泛应用,其光源面微米量级空间相干长度得到了理论揭示和实验验证,窄光束LED的传输特性有必要采用基于部分相干光传输理论模型进行研究。本文建立了窄光束LED部分相干光模型,开展了自由空间传输理论仿真,实验验证了该模型的有效性;基于Rytov理论与广义惠更斯-菲涅尔原理,分别开展了大气和海洋湍流中,部分相干光LED(Partially Coherent Light Emitting Diode,PCLED)阵列光束传输特性的研究;搭建了水下部分相干光LED湍流传输特性的实验系统,测量了LED光束在湍流中的光强闪烁、光束扩展和空间相干长度;研究了PCLED阵列在弱湍流大气中的无线光通信性能。具体研究内容包括: 1.针对LED光源面微米量级空间相干长度和窄光束光场分布特点,建立基于高斯谢尔模型(Gaussian-Schell Model,GSM)的部分相干光LED-GSM模型,开展LED自由空间传输过程中空间相干长度与光束扩展和相干度关系的理论建模及数值计算,并与实验结果对比分析。同时研究了光源面空间相干长度和大气湍流参量对窄光束LED传输特性的影响。结果表明:随着LED-GSM光源面上空间相干长度的减小,远场光斑尺寸明显增大,但与完全非相干光有显著的差异;LED光源面微米量级的空间相干长度经过数千米的距离传输,观察面上的空间相干长度可达几十至几百毫米,且与初始毫米量级光束半径尺寸密切相关。受湍流效应影响,随传输距离增加空间相干长度会先增大后逐渐平缓减小,最大相干长度与光源面的空间相干长度和湍流强度有关。这为LED远距离湍流传输性能研究提供了理论基础。 2.针对远距离LED通信的应用需求,构建了PCLED阵列光束模型,基于Rytov理论与广义Huygens-Fresnel原理,推导了PCLED阵列光束分别在大气和海洋湍流传输时平均光强分布、光束扩展特性及空间相干度的理论表达式。系统计算分析了不同光源参数(子光束宽度、相干长度和阵列参数)、介质衰减参数、湍流参数(大气和海洋)与不同传输距离对PCLED阵列光束传输特性的影响。结果表明:在大气湍流影响过程中,子光束空间相干长度越小,PCLED阵列光束的传输合束距离越小,合束后的光斑尺寸越大;PCLED阵列光束与相干合成阵列光束的对比结果表明,非相干合成直接影响PCLED阵列光束的光斑尺寸、空间相干度和光强闪烁,从而影响系统接收的平均光强和信号噪声。这些因素直接关系到系统的平均信噪比、误码率和信道容量。在水下湍流影响过程中,当子光束空间相干长度分别为500微米和50微米时,PCLED阵列光束传输合束距离分别为50m和10m;随着传输距离的增加,子光束空间相干长度50微米的PCLED阵列光强分布退化为类高斯分布的传输距离较短且峰值光强显著降低。 3.开展部分相干光LED湍流传输特性的实验研究,本文利用内热油浴导热湍流模拟器,实验研究了LED和半导体激光器光源在湍流传输过程中光强闪烁、光束扩展和空间相干长度的变化。通过采集和分析接收光信号累积概率密度分布,获得弱湍流中光强起伏概率密度函数。结果表明:本实验所使用的LD(Laser Diode,LD)和LED经过湍流模拟器后的光强闪烁指数分别为0.228和0.138;空间相干长度的均值分别为0.317mm和0.067mm。LED的光强起伏特性无论在测量中直观现象还是在实验数据分析中均明显低于LD,表明LED对湍流效应的抑制影响优于LD。最后利用多个经典弱湍流光强统计模型拟合LED和LD光信号的衰落现象,获得LED和LD对数正态分布较高的拟合优度均值分别约为0.93和0.95,即对数正态分布较为符合弱湍流中信号特性。 4.针对湍流中光传输闪烁效应对可见光通信性能的影响,本文系统分析了不同PCLED阵列光束参数、子光束空间相干长度、湍流折射率结构常数、接收系统孔径平滑因子等影响因素,在不同传输距离下对光强闪烁的影响。基于实验测量获得远距离弱湍流信道中的光强起伏对数正态分布模型,研究了PCLED子光束空间相干长度和光强闪烁对平均信噪比、平均误码率及信道容量的影响。结果表明:

摘要： Hydrogen has been identified as a viable clean energy carrier as part of Energy Transition. The adoption of hydrogen energy will require the design and installation of new infrastructure and thus before a full-scale shift can occur, blends of hydrogen and natural gas will first be integrated into the existing natural gas transmission and distribution infrastructure. This study focuses on the use of methane-hydrogen blends within domestic gas piping systems and explores both mixing and no-flow scenarios for the blends of these two gases. Methane and hydrogen possess distinct physical properties, with methane having a density almost eight times that of hydrogen under standard conditions, and hydrogen containing only one-fifth of the volumetric energy density of methane under similar conditions. Thus, to maintain the same energy supply that just the natural gas provides, larger volumes of methane-hydrogen blends will be required. The physical differences necessitate a comprehensive investigation from both physical and safety point of view. This study examines the mixing and no-flow characteristics of methane-hydrogen blends under laminar and turbulent flow conditions in a specially designed apparatus constructed using ¾” black steel piping. The experimental apparatus includes a 10’ (3 m) long horizontal optical test section with optical windows at either end, vertical risers, a serpentine section, and various pipe fittings like Tees, elbows, unions and valves to simulate a customer-side domestic gas piping system. One end of the optical test section is equipped with a He-Ne laser source, while the other end incorporates a Shack-Hartmann wavefront sensor. The optical measurements quantify the gas activity within the horizontal optical test section. Each component gas has a unique refractive index, and the measurements capture the resulting optical aberrations, which become more evident as the gases separate within the optical test section. An optical variance is compute

关键词： 风成沙丘场   跨尺度模拟   湍流效应   相干结构   地形效应   荒漠化扩展   方格沙障  

摘要： 沙漠化是我国面临的重大环境问题,沙丘是沙漠化地表上最为常见、分布最广泛的风成地貌形态。对沙丘场的形成和演化过程进行准确的定量模拟,不仅有助于阐明沙漠化地表的发展规律和机理,而且可为治沙工程设计提供理论指导。然而,现有的沙丘场模拟缺乏对大气表面层湍流脉动、多样的沙丘相互作用和风沙输运“地形效应”的全面考虑。因此,为了更加精细、准确地模拟风成沙丘场的形成和演化动态,本论文首先发展了考虑大气表面层湍流脉动的沙丘场模型,在对模型可靠性进行全面验证的基础上,分析了沙丘形态发育、迁移速度和沙丘场模式演化的湍流效应。然后,通过开展沙丘地形上的大气表面层流动观测,研究了迎风坡形态对湍流运动特征和风沙流输沙率的影响。最后,将考虑湍流脉动和地形坡度对风沙输运影响的、更符合野外真实风沙运动过程的沙丘场模型,应用于荒漠化土地扩展速度的预测及方格沙障带工程布设方案的优化。 本论文得到的创新性结果主要有:1)发现湍流增强了风场对地表沙粒的侵蚀和输运能力,促进了沙丘的初始形态发育和迁移,其持续累积作用加速了沙丘场模式的粗化。2)在新月形沙丘场中发现了“沙丘数密度”随时间演化的“overshoot(超调)”现象,并指出风速和沙源厚度越大、沙粒粒径越小,沙丘数密度的峰值更大、出现更早,更活跃的沙丘相互作用导致沙丘数密度的下降速率更高;随着沙源厚度的持续增大,新月形沙丘相互连接形成体积较大、移动较慢的沙丘链,相互作用的发生频率降低,减缓了沙丘数密度的下降率。3)发现迎风坡上的顺压梯度和流动加速导致湍流相干结构的时空尺度和大尺度结构的能量占比由沙丘趾部向迎风坡顶逐渐增大,大尺度结构的支配地位愈发显著;且能量分布模式沿迎风坡的变化使得累积湍动能含能区的对数标度区间逐渐缩小。4)基于已有研究改进了沙丘迎风坡上风沙流单宽输沙率的计算方法,实现了考虑湍流脉动和风沙输运“地形效应”的沙丘场演化模拟。5)发现不考虑湍流脉动的模拟低估了荒漠化土地的扩展速度;给出了方格沙障带间隔布设的参数化方案,可在保证75%传统全局布设防护效果的前提下,节省成本40%–50%;首次开展了实施“固身削顶”防治的沙丘演化模拟,发现防治效果随迎风坡上方格沙障布设位置的降低而下降,并且不考虑湍流脉动的模拟低估了防治的效果。本论文的研究有助于深入理解风成沙丘场的形成和演化规律及其内在动力机制,并能够为沙漠化防治措施的优化设计和效果评价提供科学依据。

关键词： 可伸缩柔性连续体   集成化设计   常曲率   冗余驱动   无模型控制  

摘要： 连续体机器人因能够发生连续的变形而具有较好的灵活性和柔顺性,在微创手术、灾害救援、环境探测等非结构化环境中有广阔的应用前景。连续体机器人的执行端和驱动端结构相互独立,然而定长的执行端限制了机器人的可达工作空间和顺应性,庞大的驱动端结构阻碍了机器人的小型化和便携化应用。集成化的可伸缩连续体机器人可解决上述问题,但该类机器人的研究存在两大难题:可达工作空间和整体结构两者的体积大小相互制约;运动学模型不精确,力学模型研究相对空白,具有自由度冗余的机器人位置控制难度大。针对以上问题,本文对可伸缩柔性连续体机器人进行结构设计、常曲率运动学建模及末端位置控制方法研究。 首先,根据微创手术机器人设计指标设计了可伸缩柔性连续体机器人的执行端和驱动端结构。执行端采用依赖自身柔性发生变形的、PA1010材料的类弹簧体作为连续体机器人的柔性臂,兼顾了机器人的刚度和小型驱动下的大变形能力;以四根超弹性合金丝双向驱动连续体机器人的三自由度运动;驱动端集中分布了四个驱动丝推拉模块,各模块布置紧凑。 其次,基于常曲率假设建立了可伸缩连续体机器人的运动学模型和静力学模型。结合几何关系,利用分层映射方法建立了位置运动学和微分运动学,分析了本文的连续体机器人的可达工作空间、灵巧度和可操作度,显示了其可达空间的优越性;在无外力作用的假设下,建立了连续体机器人的静力学模型,求解了冗余驱动下的最优驱动力分布,仿真表明驱动力在该分布下得到重新分配。 再次,将无模型控制方法结合最优控制应用到可伸缩柔性连续体机器人的位置控制上,避免了运动学模型不精确、动力学模型难以推导的建模问题。该方法利用实时检测的驱动量和连续体机器人末端的位置进行全局雅可比矩阵的实时估计,并结合最优控制解决了机器人的冗余驱动问题。针对目标位置超出雅可比矩阵有效作用范围的定位问题,加入了步长参数的控制。仿真结果表明,该方法在冗余驱动的连续体机器人的定位控制和轨迹跟踪控制中效果良好。 最后,搭建了可伸缩柔性连续体机器人的实验平台,测试了连续体机器人的伸缩、旋转和弯曲性能,结果显示各项运动性能满足指标要求;通过实验量化了常曲率运动学模型的误差;进行定位和跟踪实验,验证了基于雅可比矩阵实时估计的位置控制方法,实验表明,该方法的控制精度达到指标要求。