协同优化方法与并行子空间方法的评估与比较

多学科优化设计技术是航空航天领域内近年来发展起来的一种新的总体优化设计技术,致力于解决复杂系统的耦合设计问题,以获得系统的整体最优.协同优化方法和并行子空间方法是多学科优化设计技术中的2种主要方法,本文从计算效率、计算精度、学科自治、工程实用性等方面,结合3个实例,对2种方法进行深入的分析与评估.分析结果表明：并行子空间方法在计算效率、学科自治以及工程实用性方面比协同优化方法略胜一筹.     

非光滑系统不同簇发模式之间的演化及其机理

非光滑和不同尺度耦合均具有非常广泛的工程背景,也是当前国内外研究中的热点课题.由于传统的非线性分析方法无法解决其中的诸如轨迹穿越分界面时的非光滑分岔和不同尺度之间相互作用等问题,非光滑系统中的不同尺度耦合效应一直是非线性动力学领域内的重要挑战之一.本文旨在探索由频域上不同尺度耦合导致的非光滑系统的复杂动力学特性及其演化过程,提出一般性的处理方法以揭示其复杂振荡的产生机制.以常见的直流功率变换器电路系统为例,通过引入周期变化的电流源,选择适当参数,建立了周期激励下分段光滑频域两尺度Filippov模型.指出当周期激励频率远小于系统的固有频率时,可以将整个周期激励项视为慢变参数,从而得到相应的广义自治系统.分析了两种典型参数条件下不同区域内相应子系统随慢变参数变化的平衡曲线及其分岔,进而探讨这两种情形下频域两尺度耦合系统的动力学特性,给出其相应的簇发振荡,得到不同簇发振荡之间的演化过程.通过转换相图,揭示了两种簇发振荡的产生机制,指出平衡曲线及其分岔不仅会影响簇发振荡吸引子的结构,也会改变其中的沉寂态或激发态的形式及其相互转化时的分岔机制,从而导致不同的簇发模式.同时发现,位于由非光滑分界面划分的不同区域中的稳定吸引子直接影响到簇发振荡吸引子的结构,如当多条稳定平衡曲线参与簇发时,其几何结构通常表现点-点型振荡,而随着参数的变化,不同区域中存在的稳定极限环又会导致激发态定性改变,产生点-环型簇发.     

太阳能热光伏系统性能分析研究

建立了太阳能热光伏系统（STPV）能量吸收及热辐射发电过程的数理模型,数值模拟了不同聚光器聚光比时辐射器的温度分布,研究了聚光比及辐射器温度对电池伏安输出特性及系统效率的影响．随着聚光比的增大,辐射器表面温度显著增高,电池的输出功率及系统效率也成直线增长;分析了影响系统效率的关键参数如滤波器、电池温度和辐射器上下端部材料表面反射率对系统性能与输出电功率的影响．计算结果证明了STPV系统的可行性,形成了高效STPV系统的优化设计方法．     

基于频率控制的磁耦合共振式无线电力传输系统传输效率优化控制

针对于磁耦合共振式无线电力传输系统,为了抑制传输效率随传输距离的增加下降较快,通过研究系统传输效率的影响因子,本文提出了一种基于共振器频率控制的效率优化方法,并在此基础上用两种优化控制方案来实现系统传输效率的控制.仿真和实验结果表明：在同等负载下,这种优化方法在一定范围内能够有效地稳定系统传输效率,解决了系统传输效率受传输距离变化敏感的问题.     

两种金属热电子发电模型的分析

热电子发射指加热金属使其中更多的电子克服表面势垒而逸出的现象,易见逸出的电子和丢失电子的金属会存在电势.基于这一原理,本文提出了金属-势垒-金属的热电子发电模型,采用量子理论将金属中电子运动近似为索末非自由电子气模型.针对势垒宽度的不同,提出了两种近似模型.第一种模型假设金属间势垒宽度足够大,电子运动以越过势垒为主;第二种模型假设金属间势垒宽度足够小,电子运动以隧道效应遂穿势垒为主.对第一种模型进行了详细的理论分析和推导,包括模型建立,开路电压计算,绘制伏安特性曲线等.对第二种模型进行了简略的理论分析.最后,本文在理论上指出了热电子发电的可行性,可以为金属热电子发电实物研制中材料的选择,温度的设置提供指导.     

一种基于集总参数的心血管系统仿真模型及心音产生机理

基于流体力学与电气网络的相关基础理论,建立一种基于集总参数的心血管系统仿真模型.该心血管系统仿真模型分为三个子模型:体循环子模型、肺循环子模型及心脏子模型.重点分析了体循环子模型和心脏子模型,给出收缩压、舒张压、射血分数等血流参数和仿真波形图,并对心音产生机理进行了分析.然后在此基础上进行扩展,增加了肺循环、血管、耦合壁等,使其形成一个闭合的循环回路,构成了心血管系统仿真模型.利用状态变量分析法建立该模型的数学表达式,并进行模拟仿真,得出心室心房血容量、心房心室压力、动脉血流量等仿真结果,该结果符合健康心脏的生理状况,并且利用该模型仿真了高血压病态和心衰病态状况,仿真结果与临床表现基本一致,表明本文提出的心血管系统仿真模型具有实际的可行性.     

基于S-CO2循环和ORC耦合的燃煤发电系统烟气余热深度利用方案研究

多级压缩回热能够显著提升超临界二氧化碳(S-CO₂)循环效率,然而当其应用于燃煤发电领域时,由于回热程度的提高,锅炉尾部烟气余热吸收困难.针对这一问题,本文构建了一次再热三级压缩S-CO₂循环(TC+RH)和有机朗肯循环(R123)深度耦合的联合循环,通过优化系统与环境间的能量流动过程,逐步提高系统性能.首先通过ORC同时逐级吸收S-CO₂循环冷却器与锅炉烟气热能,降低锅炉排烟温度、提高锅炉效率.在S-CO₂循环主气参数为620°C/30 MPa时,排烟温度从132°C降低到123°C,系统发电效率从47.13%提升到47.24%.引入有机朗肯循环(ORC)构建的联合循环可以有效地吸收锅炉尾部烟道烟气余热,获得更高的锅炉效率从而使系统发电效率提高.进而在耦合ORC的基础上,充分利用S-CO₂循环冷却器变温放热特点,通过空气与R123共同吸收冷却器内高温段热量,实现系统发电效率的进一步提高(47.24%～48.90%).本文为同时实现高效吸收锅炉尾部烟道烟气余热以及回收循环冷却器...     

摩擦电子学及主动式机械感知

摩擦电子学作为摩擦电与半导体耦合的新研究领域,可以通过机械运动产生的摩擦电荷调控半导体中的电传输与转化特性,建立外界环境与半导体器件的直接交互机制,实现各种主动式功能器件,为人机交互、微纳机电系统、传感和自驱动系统等应用提供全新的思路和途径.本文系统地综述了摩擦电子学的研究进展,首先介绍了摩擦电调控场效应作用机理以及摩擦电子学晶体管基础器件;其次介绍了研制的各种摩擦电子学功能器件,展示了其对于外部环境的主动式机械感知;最后对摩擦电子学领域的研究进展及待解决的问题的进行了总结,并展望了该领域未来的发展方向.     

不同激励频率比下复合模态振荡的结构特性分析

研究多频激励下不同激励频率比时快慢耦合系统的各种复合模态振荡的动力特性及其产生机制.以广义BVP(Bonhoffer-van der Pol)耦合电路为例,通过引入两个电压源控制的电路模块,建立了具有双周期激励的五阶动力模型.选定适当的参数,使得两个激励频率均远小于系统的固有频率,以此考察不同激励频率比下系统的快慢动力学行为.将两个外激励项转化为一个慢变量表达形式,从而将系统分为快慢耦合两子系统.分析了快子系统的平衡点及其分岔条件,探讨了不同激励频率比对复合模态振荡结构的影响,得出系统可能产生原点中心对称,轴对称和非对称的复合模态振荡.给出了系统在6组激励频率下的不同复合模态振荡行为,并进一步揭示了其相应的产生机理.     

高场作用下有机单层器件的复合发光

考虑载流子经过体材料内部所受限制对Fowler-Nordheim隧穿电流密度的影响, 建立了高电场下有机单层器件的复合发光模型, 并求出了复合电流密度和复合效率以及电导率的数学表达式, 很好地解释了电场强度对迁移率和复合区域的调制作用. 载流子的平衡注入以及复合区域的尽可能靠近器件中部以减少漏电流, 都是提高器件发光效率的重要条件. 只有当电压增大到某一数值时, 由于注入的载流子多于器件实际输运载流子的能力, 才会出现空间电荷限制电流.     

Rayleigh快衰落下子块正交的单载波分段频域均衡系统

本文研究了快衰落下单载波分块传输(SCBT)系统中频域线性均衡(FDLE)的方法.首先,提出了块内分段静态的信道近似模型,在此基础上推导出两正交子块的频域均衡方法,随后推导出两径情况下,两子块系统频域均衡适用的信道条件.仿真表明,在信道满足条件时,子块正交的分段频域均衡方法可以在保持单载波频域线性均衡(SC-FDLE)高效、低复杂度的同时,提高系统对抗多普勒效应的能力.     

利用有机磁效应研究热活化延迟荧光量子阱器件中的微观机制

采用具有反向系间窜越(reverse intersystem crossing,RISC)特性的热活化延迟荧光(thermally activated delayed fluorescence,TADF)材料制备了量子阱有机发光二极管,测量了器件的磁电导(magneto-conductance,MC)和磁电致发光(magneto-electroluminescence,MEL),由此还可得到器件效率的磁效应(Mη),并利用这些磁效应特征曲线来研究器件中的微观过程.实验发现:室温下,尽管无量子阱参考器件的MC表现出RISC特性和载流子对三重态激子的解离机制,但量子阱器件的MC则只表现出三重态激子对载流子的散射机制;而且,无量子阱参考器件的MEL和Mη都表现出了系间窜越(ISC)和三重态激子对的湮灭(TTA)的过程,但量子阱器件的MEL则表现出ISC和三重态激子对载流子的散射机制,且其Mη只表现出了ISC属性.随着温度从室温降至20 K,量子阱器件和参考器件的ISC都增强,但量子阱器件在20 K还出现了TTA过程,而参考器件的TTA则在100 K后消失.我们提出根据量子阱器件和无量子阱器件的结构特性以及温度对F?rster能量转移和三重态激子的浓度与寿命的影响可以较好地解释这些实验现象.显然,研究量子阱器件的磁效应,不仅为发光器件提供设计思路,同时还可加深对有机磁效应的认识.     

多铁性材料研究进展及发展方向

多铁性材料同时具有铁电、(反)铁磁、铁弹等两种或两种以上铁性有序,并且由于多种序参量之间的相互耦合作用而产生新的效应.这类功能材料在新型磁电器件、自旋电子器件、高性能信息存储与处理等领域展现出巨大的应用前景.同时,多铁性耦合的物理内涵涉及到电荷、自旋、轨道、晶格等凝聚态物理多个范畴,已成为国际上一个新的前沿研究领域.本文回顾了多铁性材料的研究历史,分别就单相多铁性和复合多铁性材料的主要研究趋势做了系统性总结,尤其就目前有待解决的关键科学问题、未来发展方向等进行了讨论和展望.     

集成于薄板的压电型随机振动能量收集器件优化设计

将压电薄膜粘贴于方形薄板表面即构成实用的振动能量收集器件,本文研究此类器件在受到宽带随机点激励作用时以平均输出功率最大为目标的优化设计问题,具体包括压电片布置位置和尺寸要求、最优负载电阻等.首先,导出机电耦合系统关于位移和输出电压的随机偏微分-积分方程组,通过模态分析技术消去空间项得到关于主坐标和电压的无限维随机常微分方程组.进而,由线性随机振动理论建立平均输出功率的解析表达,优化问题据此展开.研究表明:宽带激励作用时,压电片最优中心位置处于激励点及与之相应的3个对称点;在最优布置条件下,平均输出功率随压电片尺寸增加近于单调增加,而增速渐缓,据此可定义最优尺寸;在最优布置条件下,平均输出功率随外接电阻的变化有极值出现,可由此断定最优负载电阻.上述研究揭示了对称最优布置位置的存在性及输出功率对布置位置的敏感性,对平板型随机振动能量收集器件的优化设计有一定的指导意义.     

微重力下环境压力和辐射再吸收对火焰沿薄燃料表面传播的影响

当环境气体不具备辐射特性时(例如环境气体为O2-N2), 在较小的环境压力下, 火焰向燃料表面的热传导是火焰传播的主要驱动力. 但随着环境压力的增大, 火焰传播速度越来越大, 火焰对燃料表面的热辐射逐渐成为火焰传播的主要驱动力之一. 当环境气体具有较强的辐射特性时(例如环境气体为O2-CO2), 在较小的环境压力下, 火焰前沿环境气体的辐射再吸收将强化火焰对燃料表面的传热、热辐射和热传导在火焰传播机理中均起重要作用. 随着环境压力的增大, 氧气向火焰的扩散加强, 燃烧反应加剧, 火焰传播加速. 当环境压力大于一定值时, 进一步增大环境压力, 环境气体的辐射再吸收使火焰对燃料表面的热辐射减弱. 因此, 火焰传播速度反而随着环境压力的增大而减小, 火焰向燃料表面的热传导逐渐成为火焰传播的主要驱动力.     

热释电光电子学效应

光探测器作为一种将光能转换为电能的电子器件,在军事医疗、遥感通信等方面被广泛地应用.当半导体材料中同时产生光电和热释电时,器件的输出电流及光照时的光响应度,探测率等性能有明显的提升.因此,基于热释电-光伏-半导体三者协同耦合产生的热释电光电子学效应被作为提升光电器件性能的一种有效手段,被应用在多个领域.当器件被光照射时,光感应产生的热释电势对器件接触界面的内建电场进行调制,从而改变载流子的传输过程,而不同类型的材料与半导体接触时形成的内建电场和热释电电势各不相同,因此产生的热释电光电子学效应也存在差异.本文首先介绍了热释电光电子学效应的原理,然后研究了不同类型的材料与半导体接触时产生的热释电光电子学效应对器件电学性能的影响,具体包括半导体与半导体、半导体与金属、半导体与有机物以及半导体与氧化物接触;此外,对提升热释电光电子学效应的方法进行了介绍,包括压电-热释电-光电、铁电-热释电-光电等多物理场协同作用,以及对材料进行掺杂等方法;最后对热释电光电子学效应面临的挑战及在未来的发展作了进一步的展望.     

用声表面波器件实现小波变换的研究

声表面波叉指换能器的指条重叠包络按照小波函数的包络设计时, 得到了声表面波叉指换能器脉冲响应函数等于小波函数, 从而制造出了声表面式小波变换器件. 提出了利用两只声表面波式小波变换器件构造小波变换重构器件的新方法. 对器件误差的来源作了分析, 并且提出了减小误差的方法.     

基于改进随机子空间法和稳定图技术的电力系统低频机电振荡特征识别

基于由WAMS量测得到的类噪声信号来识别系统的低频机电振荡模式及其对应模态在电力系统分析和控制中具有很好的应用前景.本文以随机子空间方法为基础,引入参考通道技术,在不影响识别准确度的情况下极大地提升了计算效率,形成了一种改进的随机子空间方法,能够方便快速地得到系统的模式及其对应模态.本文还引入稳定图的思路,通过设计了巧妙的稳定图自动识别算法,快速有效地辨别了系统的真伪模式.在IEEE-118节点测试系统上进行的算例分析表明本文提出的方法具有较高的识别准确性和计算效率,能够满足在线应用的需要.     

人工微结构材料与热的调控

人类目前利用能源的效率还很低,大量的能源以废热的形式被浪费掉了,因此对废热的处理和利用是关系到国民经济和环境保护的重大问题.通过人工微纳结构材料实现热能的转换及控制是近年来兴起的一个交叉领域,它涵盖了物理学、化学、材料科学、工程等诸多学科.本文综述了该领域的最新发展情况:包括微纳米结构对热电材料的热电优值的提升,声子晶体中热导率的急剧减小,热二极管等声子热能器件对热能的调控、以及热学隐身衣等热超构材料的理论设想和实验实现.最后,总结了中国在这个领域的研究现状,并展望了未来的发展方向和趋势.     

飞轮储能系统机电耦合非线性动力学分析

对永磁悬浮-机械动压轴承混合支承式飞轮储能系统的机电耦合动力学问题进行了研究. 基于机电分析动力学原理, 给出了系统各部件的动能、势能、电机气隙磁场能和系统的耗散函数, 并由广义Lagrange-Maxwell方程建立了系统的机电耦合动力学微分方程组. 推导出了适用二阶多自由度常微分方程组的四阶隐式Runge-Kutta公式, 并运用Gauss-Newton法求解了机电耦合动力学非线性代数方程组. 完成了储能0.3 kW飞轮系统动力学特性分析, 研究结果表明, 上阻尼系数变化对储能飞轮系统的机电耦合共振频率没有明显的影响, 但是使系统的共振峰幅值大幅降低. 随着下阻尼系数增加, 系统的机电耦合共振频率增大, 同时系统共振峰幅值下降. 随着电机转子稀土永磁体剩余磁感应强度增大, 系统的机电耦合共振频率减小, 同时系统共振峰幅值增大.