膜式热湿调控原理与技术进展

基于膜的热湿传递过程作为一种新型的温度、湿度处理技术,在建筑环境节能高效控制领域取得了积极进展.膜技术具有高效紧凑的特点,并且它可以选择性地只允许水蒸气通过膜表面,从而避免了液体除湿过程中溶液小液滴对新风的污染.近年来,该技术从热湿传递原理到实际应用都取得了新进展.本文介绍了目前应用的选择性透湿膜材料,分析了平板膜全热交换器、板翅式膜全热交换器、交叉三角形波纹板全热交换器和中空纤维膜组件等膜设备的传热传质过程.它们的传热传质分析,同时考虑了膜两侧热湿耦合的自然边界条件、流体在组件内流动的不均匀性、管束随机分布等实际运行因素对传热传质的影响.这些研究工作对膜组件的设计和膜系统的优化提供了理论基础.此外,还介绍了各种新型膜式除湿系统,当它们与热泵或太阳能等系统联合应用时,可以扩大系统的热湿负荷适应范围,增加系统的能量利用效率.今后,随着新型膜材料、内冷型膜组件、多级除湿系统以及瞬态动态参数模拟技术的出现,膜式热湿传递技术将会在实际工程中发挥更大作用.     

三维后体/尾喷管一体化构型优化设计及性能分析

针对高超声速飞行器后体/尾喷管一体化构型,以飞行马赫数6.5,飞行高度25km为设计条件,综合使用二维型线优化和三维关键参数优化,对构型的升/推力性能进行了优化设计.首先基于二维型线,采用三次B样条曲线对上膨胀面型线进行参数化,计算流体动力学(CFD)进行性能评估,序列二次规划(SQP)方法作为优化方法,建立了优化设计流程,在优化迭代中利用局部网格重构技术提高计算效率.在二维优化的基础上设计了三维后体/尾喷管一体化构型,获得了下膨胀面/后体长度比l/L、下膨胀面倾角ω、出口高度/后体长度比H/L及等关键参数对一体化构型升力、推力等性能参数的影响规律.研究发现在此条件下,当l/L=1/6,H/L=0.35,ω=10°时,后体/尾喷管一体化构型的综合性能最优.此外,加装侧板可以有效防止侧向的高压泄露,有助于提升飞行器的升力和推力性能.     

GIS多维统一计算的几何代数方法

几何代数的多维统一与坐标无关特性为构建GIS多维统一计算模型奠定基础.利用基本几何对象的几何代数内、外积表达,基于多重向量构建几何-拓扑结构统一的多维地理场景对象自适应表达模型.基于几何代数基本算子构建面向几何、拓扑以及GIS分析的多维运算算子,形成表达结构与运算结构统一,且可支撑多维复杂场景分析的统一计算框架.三维社区实例验证表明,基于几何代数的多维统一计算模型可有效支撑多维复杂地理场景表达与分析,并可借鉴和继承现有GIS算法和地理模型,从而推进GIS多维统一表达、分析与建模的发展.     

基于预估校正思想的离心压缩机性能换算

离心压缩机作为一种重要的动力旋转设备,广泛应用于天然气输送和石油化工等行业.由于现场实际工况与设计工况往往存在偏差,导致原有的设计曲线难以准确预测压缩机的实际性能.依据相似原理,结合现场实际情况对压缩机性能曲线进行换算是压缩机工程应用的一项重要工作.本文首先通过分析目前常用的3类相似换算方法的特点,发现压比是影响换算准确性的一个关键参数,减小该参数的误差可有效提高换算精度.在此基础上,提出一种基于预估校正思想的离心压缩机性能换算方法,该方法采用第二类相似换算方法对关键性参数压比进行预估,采用第一类相似换算方法对压比参数进行校正,从而大大提高相似换算结果的准确性.与川气东送长距离天然气输送管线某压气站现场数据对比,发现基于预估校正思想的换算方法所得的离心压缩机出口压力与实测数据误差仅为2%左右,出口温度的误差约2℃,性能换算精度较高.     

计算热辐射学的进展

描述辐射能传输过程的基本方程为辐射传递方程. 在三维半透明介质中, 辐射强度是七维变量的函数, 多数情况下只能通过数值计算的途径进行近似求解. 数值模拟方法已成为半透明介质内热辐射传递理论研究和工程应用的重要手段. 本文对国内学者在计算热辐射学方面取得的主要研究进展进行了综述, 提出了今后计算热辐射学研究的重点.     

基坑降水对周围环境影响的研究

基坑降水分为维护结构插入不透水层的降基坑内水、插入不透水层的降坑内承压水和坑外降水3种情况.现有的基坑降水对周围环境影响预测方法可分为解析法、随机统计模型、人工智能模型和数值计算法及其他方法.基坑降水的数值模拟分析中多使用基于各种简化和假设的准三维模型,无法反映工程实际中地下水运动和土体变形的三维耦合关系;考虑三维水土耦合作用的真三维完全耦合数值模拟方法预测基坑降水对周边环境的影响将是未来发展的方向.     

一种新的基于拓扑结构特征的微裂隙-孔隙空间描述方法

微裂隙在多孔介质储层大量发育并与基质孔隙连通,是流体渗流特别是非常规储层油气渗流的重要通道.高精度无损成像技术以及数字岩心技术的快速发展,为孔裂隙空间描述、孔裂隙模型构建等研究提供了数据支撑.本文基于传统孔隙空间拓扑学,分析裂隙拓扑结构特征,充分考虑三维裂隙空间区别于普通孔隙的面状特征以及与基质孔隙之间的相互连通关系,提出"特征点化"的思路,将裂隙空间点进行分类,形成了适用于多种孔裂隙空间的描述以及结构特征分析方法.首先基于传统孔隙拓扑结构分析方法,提出"线面共存"的新骨架模型,提取裂隙中轴骨架面、中轴骨架线,精细刻画裂隙轮廓以及孔裂隙连通关系;其次,基于各类空间点的拓扑结构共性分别提取相应点集,分割孔隙、裂隙空间,构建微裂隙-孔隙骨架模型;第三,基于新的孔裂隙骨架模型提取孔裂隙空间的几何-拓扑结构特征参数,获取裂隙孔隙度、开度、倾角等重要裂隙几何参数,以及孔裂隙配位数、裂隙发育范围等拓扑参数;最后基于上述骨架提取描述方法,对理想与真实孔裂隙空间的数字岩心进行了骨架提取和分析.从微裂隙拓扑形态开展研究进而对裂隙-孔隙空间描述,可简化此类孔隙介质的建模过程,为后续气、液流动模拟提供准确数据基础,促进缝洞介质油气开发的进展.     

The Ultimate Bearing Capacity of Continuous Composite Slabs with Partial Shear Connection Model

文章基于部分剪力连接模型,利用结构力学的基本原则,同时考虑了各种因素的影响,对不同工况作用下的连续组合板的极限承载力计算方法进行了推导.提出的计算方法能够较为准确地计算出连续组合板的极限承载力,最后给出了实用的设计表达式.     

建筑火灾模拟的区域-粒子模型

提出了一种新型的模拟火灾烟气运动和混合行为的模型. 该模型引入了一个标量函数来表征热烟气和冷空气的混合, 以此来提高温度和烟气浓度在垂直方向上的预测精度. 模型采用光滑粒子流体动力学方法(SPH), 通过重构粒子的速度, 求解粒子位置, 计算其在区域模型中各层的数量, 来获得标量函数的分布. 采用一个标准的实验建筑算例, 通过其与实验数据, CFD模拟数据和传统区域模型CFAST的比较, 验证了模型的合理性. 与传统的区域模型相比, 新模型的温度预测结果与实验数据和CFD模拟数据符合较好.     

基于实验数据集对常用蛋白抗原空间表位预测工具的测评

抗体分子对蛋白抗原的结合主要通过表位区域进行, 而表位区域的氨基酸残基通常形成不连续的、构象的或者空间的表位区域, 而不是抗原表面上的线性连续片段. 已有许多算法可以用来预测构象表位, 并且基于各自的测试集, 各种工具对空间表位的预测都声称取得了杰出的效果. 本文收集了由实验方法确定的空间表位数据并建立了一套独立的测试集. 基于这套测试集, 采用灵敏度、真阳性预测率、成功挑选率和接受者操作特性曲线下面积(AUC)等参数对常用蛋白抗原空间表位预测工具进行了评估, 工具包括SEPPA, CEP, DiscoTope, ElliPro, PEPOP和BEpro等. 测试集评估结果表明, 6种蛋白抗原空间表位预测工具预测性能仍有待提高. 其中, SEPPA预测性能相对较好, 然而计算得到的灵敏度、真阳性预测率、成功挑选率和平均AUC值也并不理想. 评估结果还表明, 预测工具采用的空间表位训练和测试数据集以及预测算法对预测结果的准确性有较大影响. 以上分析结果为改进B细胞蛋白抗原空间表位预测方法和为免疫原性多肽和新型疫苗分子的设计提供新的启示.     

机器学习与计算力学的结合及应用初探

自20世纪50年代以来,随着计算机科学的不断进步,机器学习和数据科学得到了长足发展.这些技术一般依靠大量数据作支撑,通过训练过程提取出蕴藏在数据内部的抽象映射关系,目前已被成功应用于化学、生物等自然科学研究领域.近年来,这些技术也逐渐受到计算力学领域研究者的关注.本文结合作者的相关研究成果介绍了机器学习、数据科学与计算力学相结合的3种形式:第一种是与有限元方程求解方面的结合,直接应用卷积神经网络算法求解线性有限元方程;第二种方式结合有限元计算和机器学习预测复杂材料结构与力学性能的关系.本文作者应用该方法基于细观页岩扫描照片和随机建模算法,成功训练出可以有效预测细观页岩样本等效模量的卷积神经网络;第三种方式是建立基于数据驱动的计算力学方法,比如直接利用真实的材料实验数据代替材料本构模型.这些工作显示了机器学习、数据驱动在处理材料的力学实验数据、设计新型材料以及创建更高效的计算力学模型方面的广阔前景.随着计算力学的发展,未来将可能出现更多将数据科学、机器学习与计算力学相结合的应用场景,进一步开发出更加强健、高效和保真的计算力学方法.     

高性能计算在材料科学中的应用

在当今的科学研究中,计算已和实验、理论并列为三大科学方法。随着计算技术的迅猛发展、科学理论模型日渐成熟．高性能计算在科学、工程和社会等领域都有了广泛应用,用它来模拟或代替实验已成为可能。在地球地质、气象气候、测绘科学、天体空间物理、凝聚态物理、高能物理、计算化学、分子生物学、基因测序、材料科学等领域,高性能计算已是必备的研究手段。     

孔隙尺度下岩性分类及参数粗化

随着孔隙尺度流动模拟研究深入,基于数字图像可对岩石性质进行模拟计算,但计算结果并不能反映宏观岩样性质,因此急需合理参数粗化方法.本文建立了孔隙尺度下处理岩性分类以及参数粗化的一整套方法.对于岩相学岩性分类,计算闵可夫斯基形态学函数值,采用K均值聚类得到水平层理,并通过空间插值和K均值聚类确定出岩石不规则层理.对于水动力学岩性分类,计算逾渗几何参数,使用有监督无监督高斯混合模型进行分类,分类结果与连通孔隙结构性质匹配良好.基于层状层理、不规则层理、水动力学岩性分类结果提出相应参数粗化公式,计算局部岩样渗透率、电导率反推整体岩样渗透率、电导率.研究结果发现基于水动力学岩性分类结果建立的参数粗化公式获得的整体岩样渗透率、电导率最为准确.     

运用四参数三相混合模型和瞬态超声成像技术提取关节软骨的弹性模量

作为一种覆盖在关节骨表面的重要承重组织, 关节软骨的结构或成分的细微变化都会造成软骨的退化, 最终导致如骨关节炎等疾病的发生, 因此研究软骨的力学性质有重要意义. 应用50 MHz高频瞬态超声系统观测关节软骨随深度变化的渗透性膨胀行为, 依据超声回波计算得到软骨不同深度的应变量, 然后运用改进的四参数三相混合模型计算软骨的轴向弹性模量, 实验结果与模型预测趋势基本一致. 该研究表明利用瞬态超声技术, 可以有效观测软骨内部随深度变化的膨胀行为, 结合四参数三相混合模型, 可以更准确的描述关节软骨的力学性质.     

质子交换膜燃料电池中微纳输运过程的数值研究进展

质子交换膜燃料电池是氢能利用的典型装置.在燃料电池的多尺度空间内发生着复杂的相变多相流、传热传质、电子质子传导、电化学反应等物理化学过程.上述过程对电池的性能、寿命及成本影响显著.近年来,随着先进实验手段、数值方法和计算资源的不断发展,研究者基于微纳米尺度研究燃料电池中发生的复杂多场耦合输运过程,不断发现新的微纳输运过程特征及耦合机制.本文回顾了近年来针对燃料电池关键组件(包括催化层、气体扩散层和气体通道)中发生的多场耦合输运过程的微纳尺度数值仿真工作.针对催化层,主要介绍了孔尺度数值仿真在预测有效传输系数、揭示传质阻力机理、查明微纳结构对反应输运过程影响方面的进展.针对扩散层,重点介绍了孔尺度仿真在研究扩散层气液两相流动及查明结构和润湿特性对液态水运动和分布影响的工作,还讨论了气体扩散层薄层多孔介质输运特性及典型代表单元是否成立.针对气体通道,着重介绍了通道中液态水运动及其对传质反应的影响.此外,还讨论了各组件跨尺度界面行为特性.最后,对采用微纳尺度数值方法研究燃料电池内多场耦合输运过程进行了总结和展望.     

关于三维激波损失模型的讨论

Wennerstrom和Puterbaugh于1984年推出了三维激波损失模型.跨音压气机转子叶片排中的实测结果和理论分析表明,在设计工况下,从S_1流面看,通道激波几乎垂直于来流方向.沿展向方向,由于转子叶片的后掠,激波面是倾斜的.但在叶尖区域,激波和机匣附面层的复杂的相互作用,使得Wennerstrom和Puterbaugh的按无粘流动考虑所形成的三维激波曲面沿展向方向倾斜进入机匣表面的假设不成立.     

机器学习在材料设计方面的研究进展

新材料的发现是推动现代科学发展与技术革新的源动力之一,是当前促进经济发展与解决环境问题的迫切需求.传统的材料研发基于试错法,效率低且成本高.大量实验与计算模拟产生的数据为新材料的研发提供了新契机.基于这些数据,机器学习最近在材料性能预测、新材料的发现与设计等领域取得了很大进展.譬如基于材料项目(materials project)数据库对钙钛矿材料的统计分类、结合高通量计算对双钙钛矿卤化物材料稳定性的预测,以及金属间化合物电催化剂的设计与筛选等.除了基于隐式模型的预测,机器学习也可以用来发现具有物理可解释性的显式描述符,从而加速新材料的发现.     

池沸腾强化传热中的三维瞬态热传导反问题

回顾了近年来在池沸腾实验过程中衍生出的三维瞬态热传导反问题和相关计算方法的研究,提出了基于制定优化问题的Tikhonov正则化法和迭代正则化法来求解相关的反问题.在对前者的研究中,一种基于模型函数策略的改进Tikhonov正则化法被开发和用于快速估算最优正则化参数,从而加速整个反问题求解过程.对于后者,针对工程上可获得的高分辨率测量数据与有限微热电偶测量数据两种情况,开发了基于共轭梯度法的迭代正则化策略对相关反问题进行求解.近期,针对使用薄加热箔表面这一特殊池沸腾实验提出了一种新的两步直接法.该方法不需要求解大量由偏微分方程约束的优化问题,而是通过近似重构偏微分方程模型的Dirichlet边界条件,将不适定的反问题转化为一个适定的,易于求解的正问题.这种方法在计算效率方面具有优势.此外,在数值计算方面,由于实际实验的非均匀测量配置以及待估算的表面沸腾热流密度在空间和时间尺度上具有发生快速变化的特性,提出了一种新的随时间变化的有限元网格自适应细化策略来进一步加快反问题求解过程.该策略的准确性与效率通过几个典型工程案例得到了验证.基于此,在一个实际单泡核沸腾实验中重建了环状沸腾热流密度模式,与微层理论结论一致.在另一个全阶段的沸腾实验中,使用自研提出的计算方法所估算的表面局部沸腾热流密度峰值是大多数传统研究所获得的宏观平均热流密度的数十倍,乃至近百倍,所获结果揭示了池沸腾强化传热微观上的局部动态.这些针对池沸腾中三维瞬态热传导反问题的研究工作为进一步阐明池沸腾强化传热机理,探索微纳结构等一系列高效传热器件表面沸腾传热的极限,建立精确预测沸腾全过程的数值计算模型和进行基于模型的最优实验设计提供了一些理论指导建议.     

肌梭传入神经主动突触后反应的动力系统-Markov模型

运动神经元是骨骼肌运行的控制单元, 而肌梭等感受器的传入神经对运动神经元的动态变频反馈是其闭环调控的物理基础. 以肌梭的传入神经突触为对象, 建立了从突触前刺激到突触后反应的动力系统-Markov模型, 并通过将理论结果与相关实验数据进行对比, 进一步验证了模型的正确性. 为描述树突膜的主动传递特性, 本文摒弃了传统的被动电缆理论(passive cable theory), 采用动力系统方法, 并明确了相关参数的物理意义; 而对于突触后电流的动态行为, 则引入了简化的Markov模型, 从而给出了突触后受体开放动力学的解析解. 本文的模型可对胞膜通道密度的实际不均匀性进行模拟, 适用于针对神经元的复杂有限元分析, 进而为运动神经元变频反馈与调控机制的探索奠定了基础.     

基坑降水对周围环境影响的研究

基坑降水分为维护结构插入不透水层的降基坑内水、插入不透水层的降坑内承压水和坑外降水3种情况。现有的基坑降水对周围环境影响预测方法可分为解析法、随机统计模型、人工智能模型和数值计算法及其他方法。基坑降水的数值模拟分析中多使用基于各种简化和假设的准三维模型，无法反映工程实际中地下水运动和土体变形的三维耦合关系；考虑三维水土耦合作用的真三维完全耦合数值模拟方法预测基坑降水对周边环境的影响将是未来发展的方向。