焚烧炉条件下典型城市生活垃圾干燥过程的实验研究

通过在马弗炉内对典型城市生活垃圾进行干燥实验,分别获得了其在炉内的干燥特性曲线。实验结果显示,在马弗炉内低温区干燥温度对垃圾干燥过程的影响较大,而高温区则对其影响较小;在同一干燥温度下,随着物料厚度的增加,干燥时间近似呈指数形式增加;随着马弗炉内干燥温度的增加和物料厚度的减少,对应最大速率时的含湿量随之减小。基于一级反应的动力学分析可以得到干燥动力学参数（表观活化能Ea和指前因子A）。     

基于变形时间效应的高速铁路地基压缩层厚度计算方法

路堤荷载作用下地基变形是高速铁路路基沉降的主要来源,地基有时间效应的变形是引起高速铁路长期服役性能劣化的核心因素,掌握具有变形时间效应的地基土层区域是合理计算地基工后沉降、优化地基加固方案的技术关键.基于分形的无标度特性,确立塑性变形速率随时间的分形关系,揭示了地基土变形随荷载水平呈现快速稳定、长期稳定、长期破坏和快速破坏的四种演化状态类别,提出了表征变形速率变化快慢的土体变形状态"分维数判别法";开展了单元结构填土模型和三轴流变试验,获得了中低压缩性粉质黏土的变形状态荷载阈值及其与抗剪强度或极限承载力的比值;基于摩尔-库伦准则,采用强度折减方法,获得了地基土变形状态强度参数,结合地基土中应力,得到了由库伦强度理论表达的变形状态控制方程,明确了地基沿深度具有时间效应变形区域的深度即为基于变形时间效应的地基压缩层厚度.提出的"时间效应法"确定压缩层厚度为进一步完善高速铁路的地基沉降计算提供了理论依据和实验支撑.     

Split Bregman迭代算法生物发光断层成像

生物发光断层成像重建中,发光光源在生物体内稀疏分布,基于压缩感知思想,将?1范数正则化的稀疏重建应用于生物发光断层成像,并采用Split Bregman迭代算法求解?1范数目标函数,以获得快速、稳定的重建.三维数字鼠模型数值实验结果表明,该算法应用于生物发光断层成像重建,在没有使用任何光源可行区域先验和多光谱测量信息的条件下,仍能获得准确的定位和定量重建结果,算法对噪声具有较好的鲁棒性.     

微反应器分形流道中物质利用效率优化研究

自然界广泛存在的分形流道能够实现物质的高效率输运和利用,对分形流道的研究在医学、化学以及社会学等诸多领域具有非常重要的意义.本文采用理论分析和数值模拟相结合的方法,从物质最优化利用角度出发,讨论分形流道中各级流道的作用和末端流道发育极限.研究结果表明,随着流道内Péclet数(Pe)不断增大,流道内物质利用率先增大后减小,可分为3种状态:对流限制状态、过渡状态和扩散限制状态.过渡状态对应的物质利用率最高,而扩散限制状态下物质输运速率最大.不同限制状态下,影响物质利用率的因素不同,物质利用率与Pe数分别呈现不同标度关系.通过优化算法获得分形流道和其流场信息,与局部分析结果对比发现,流道从初级向末端发育过程中,流道逐级收窄, Pe数降低,流体状态从扩散限制状态逐步转变为过渡状态.综合上述分析,分形流道中物质输运和利用分别在初级流道和末级流道中完成,各层级分工协作高效率地完成输运和利用的任务,并且过渡状态是流道发育的最优极限.本文的研究结果有助于对分形流道的深入理解,可为页岩油气缝网设计、高效催化反应器设计以及高灵敏传感器设计等应用领域提供理论指导.     

基于内乘波概念的三维变截面高超声速进气道

提出并命名了高超声速三维变截面内乘波式进气道,其进、出口截面形状同时可控,且能够全流量捕获来流;分析了高超声速进气道的流线追踪设计方法与外流乘波体设计方法间存在的联系;根据内收缩基本流场的特点,从理论上证明吻切锥理论不适用于内乘波式进气道设计,而吻切轴对称理论则可以运用于变截面内乘波式进气道设计.在此基础上,提出了变截面内乘波式进气道的两类具体设计方法.采用这两类方法,获得了三角形进口到椭圆出口和方形进口到椭圆出口的变截面内乘波式进气道方案.计算结果证实,变截面内乘波式进气道设计理论可以在实现截面形状三维复杂过渡的同时,保证进气道内部激波形状和主要流动特征仍与设计基本流场一致,进气道初始激波贴口,实现内乘波,全流量捕获来流.该设计理论为复杂外形的三维高超声速进气道设计提供了思路,但此类进气道在设计和非设计状态下的具体流动特征及工作特性都还有待进一步研究.     

以ICCD为传感器的温度场实时检测——Ⅰ.温度场分区处理的原则及方法

采用ICCD作为传感器,用比色法检测温度场,可以快速获得全面信息,达到实时检测及控制的目的.然而由于ICCD的响应动态范围有限,测温范围受到限制.提出采用几个不同的曝光时间连续分区测量温度场的方法,以扩大检测温度范围.首先介绍ICCD双色热图象温度场实时检测原理,然后着重从理论上讨论分区测温原则和方法,并用实验方法进行核对,证明理论与实验结果相符.     

考虑压装和实测动应力的含缺陷空心车轴剩余寿命评估

实测获得时速385 km高速列车空心车轴的动应力后,基于线弹性断裂力学和塑性致裂纹闭合效应,采用20节点等参退化奇异单元逼近裂纹前缘,建立考虑车轮、齿轮与车轴的压装配合约束,分别在轴肩、轮-轴压装区、轮-齿过渡区或卸荷槽、齿-轴压装区和轴身等5个部位插入垂直于车轴中心线的半椭圆形裂纹,对含缺陷车轴进行损伤容限分析和剩余寿命评估.研究发现,对于深度为2 mm的单个半椭圆形表面裂纹,含缺陷轮-轴卸荷槽、轴肩、轮-轴压装区和齿-轴压装区的可运行总寿命分别约为7.9×10~4,58.7×10~4,372.5×10~4和823.9×10~4 km,由于轴身中部的裂纹尖端为典型的压缩应力状态,判定其不扩展.分析结果为我国更高速度级空心车轴安全设计与可靠服役提供了重要的理论依据和科学支撑.     

注入电流式热声成像的声源重建

为了实现对生物组织的内部深层信息的探测,本文提出了一种新型的无损医学成像方法,即注入电流式热声成像.注入电流式热声成像是一种以超声信号为传递媒介来反映生物组织电导率信息的医学成像方法.首先,本研究对注入电流式热声成像方法的原理进行了研究,将目标体内通入微秒级脉宽的高斯脉冲电流,目标体吸收焦耳热瞬时膨胀,向外发出超声信号,利用时间反演法对探测的超声信号进行处理,来重建目标体的声源分布,进而反映生物组织内部电导率信息;其次,以低电导率的椭圆模型和复杂模型为目标体,建立了仿真研究,借助有限元方法对注入电流式热声成像正、逆问题进行仿真,并重建模型的热声图像;最后,本文搭建了注入电流式热声成像实验装置,对凝胶仿体产生的声信号进行检测和采集,并重建目标体的声源分布.仿真和实验结果表明,重建的声源分布能展现目标体电导率的分布信息.本研究为注入电流式热声成像应用于生物组织的研究提供了较好的理论和实验基础.     

页岩及黏土纳米孔隙中液态水分布量化研究

页岩储层富含纳米级孔隙,因此在纳米尺度上研究孔隙内流体分布特征具有重要意义.本研究基于室内实验,量化评价了页岩及黏土孔隙含水饱和度分布特征,实验发现:在水吸附过程中,黏土孔隙内"毛细凝聚"现象显著,当环境相对湿度较高时,部分小孔隙将被毛管水完全阻塞;而对于页岩样品,无机质孔隙表现出亲水作用,但是有机质表现出憎水作用,页岩整体吸水能力相对较弱.同时,考虑页岩有机质与无机质孔隙形貌特征差异性,建立数学模型研究孔隙形状对吸水特征的影响.结果表明:利用狭缝孔模型计算的吸水曲线与实测结果更接近,因此在研究页岩吸水特征时,应将孔隙形状假设为狭缝孔,而并非通常假设的圆管孔.本研究将对深入认识及评价页岩储层不同类型孔隙内流体的赋存方式及产出机理奠定理论基础.     

水蒸气抑制熄灭杯式燃烧器扩散火焰的机理

在自行研制的杯式燃烧器的基础上，采用实验与数值模拟相结合的方法对水蒸气抑制熄灭甲烷／空气扩散火焰的过程进行了研究，分析火焰抑制熄灭现象产生的过程与作用机理，得到了临界灭火浓度与协流氧化剂流量的变化规律．结果表明，水蒸气抑制熄灭杯式燃烧器扩散火焰是典型的局部火焰熄灭机理．随着水蒸气浓度的增加，杯式燃烧器扩散火焰的根部首先向内收缩并悬举至新的稳定高度，当根部反应核的燃烧速率随着火焰温度下降受到极大抑制后，火焰根部的预混区将因更多水蒸气的扩散稀释作用而无法继续维持火焰向外的振荡传播过程，火焰会脱离燃烧杯面而熄灭．破坏火焰根部核心燃烧区的反应条件是熄灭扩散火焰的关键．水蒸气临界灭火浓度在一定的氧化剂流量范围内不依赖于空气流量，在临界灭火浓度曲线上存在一“平缓区”．实验测得的临界灭火质量百分比浓度分别为水蒸气（16．7±0．6）％、二氧化碳（15．9±0．6）％、氮气（31．9±0．6）％，与数值模拟结果合理吻合．     

爆破震动等效载荷模型

通过对实验数据、点源矩理论和等效孔穴理论的分析对比认为: 在爆破区的邻近范围以外的震动信号主要来源于由于爆破作用引起的爆破后的爆破区邻近范围内地质结构的自振. 震动信号是由结构进行滤波后传出的, 而不是像很多人认为的那样: 这种滤波作用主要是由介质的非弹性性质(如介质阻尼等)决定的. 由此给出了一种适用于松动爆破的爆破震源的等效模型, 说明并验证了在一定条件下载荷的时间函数的冲量的决定作用. 同时实现了利用有限元方法对爆破震动过程进行数值模拟, 与实验结果的对比说明模型简单有效.     

沿岸流不稳定运动对边缘波影响的实验研究

利用小波变换分析了1:100和1:40平直斜坡不规则波条件下沿岸流不稳定运动对边缘波的影响;沿岸流不稳定运动在垂直岸线方向和沿岸线方向时空变化特性;坡度对沿岸流不稳定运动的影响;沿岸流不稳定运动在实验室内的可重现性.结果表明:边缘波可以和沿岸流不稳定运动同时在垂直岸线方向和沿岸方向存在.在垂直岸线方向边缘波(波动周期20 s)的能量分布比沿岸方向更加明显,并且不会和沿岸流不稳定运动(波动周期100 s)有能量交换.而在沿岸方向,边缘波(波动周期20 s)的能量不再像垂直岸线方向更加周期性的出现,而且还和沿岸流不稳定运动(波动周期100 s)的能量有交换,特别是在均值沿岸流最大值附近.在时均沿岸流最大值附近,沿岸流不稳定运动获得能量的时间最早,而从这个位置向向岸和向海方向则开始逐渐延后;从地形影响角度看,坡度增大使得沿岸流不稳定运动在垂直岸线和沿岸方向的能量增强,并且在沿岸方向增大的程度要大于垂直岸线方向的.通过实验结果分析,相同实验条件下沿岸流不稳定运动有一定的可重现性.     

基于云纹干涉技术的环芯和切槽残余应力测量方法的实验研究

本文将环芯法和切槽法分别与云纹干涉技术相结合,对过盈配合试样中的残余应力进行了测量.对于环芯云纹干涉法,通过使用不同焦距的场镜与CCD相结合,获得了变视场区域不同放大倍数的干涉条纹,实现了云纹干涉条纹的载波校正与零场调节;对于切槽云纹干涉法,提出了基于位移差的应力修正方法,克服了由位移释放区域过大造成的零级干涉条纹确定上的困难.本文研究中,针对过盈配合试件,将所提出方法的测量结果分别与钻孔云纹干涉法和钻孔应变电测法的测量结果进行了比较,结果表明:两方法的结果具有较好的一致性;相对于切槽法而言,云纹干涉环芯法的测量精度更高、更易于操作,而且可以获得面内残余应力的所有分量,具有更为广泛的适用性.     

基于多成形指标的大直径铝合金薄壁管数控弯曲成形极限

获得同时满足起皱、过度减薄和扁化质量要求的大直径铝合金薄壁管的弯曲成形极限即最小弯曲半径,已成为提高大直径铝合金薄壁管弯曲成形潜力的关键问题．本研究基于不同加载条件下的铝合金大直径薄壁管弯曲过程动力显式三维弹塑性有限元模型以及管材起皱能量预测模型,提出了管材最小弯曲半径的搜索算法,该算法有效考虑了模具、摩擦等工艺参数对小弯曲半径弯管成形的影响．在此基础上,获得了不同直径铝合金薄壁管的最小弯曲半径,并揭示了几何参数对管最小弯曲半径的影响,以及工艺参数组合对实现最小弯曲半径弯管成形的作用．结果表明：（1）在满足小弯曲半径弯管成形质量要求的模具和摩擦参数组合的合理范围内,减小芯棒球头厚度和直径,并施加轴向压缩载荷能够实现管材的极限弯曲成形;（2）若忽略几何尺寸对管材本构关系的影响,对于直径小于80mm的管材,管材的最小弯曲半径将取决于临界减薄;对于直径大于80mm的管材,管材的最小弯曲半径将取决于起皱．与解析预测结果相比,采用本文方法获得的管材最小弯曲半径最大相对减小了57.39％;（3）工艺参数组合促进实现最小弯曲半径弯管成形的效用,得到了实验的验证．     

基于分子间作用力的敏感效应与痕量检测生化传感器

在微纳米尺度的机电敏感结构表面进行功能分子层修饰,通过与目标靶分子特异性结合,在表面形成Gibbs自由能的变化,由此产生的纳机械表面应力可被结构上集成的机电敏感元件转换成实时电信号输出.首先对固体表面分子层自组装产生纳机械表面应力的机制进行研究,将表面上形成的单分子层(self-assembled monolayer,SAM)按作用原理在纵向(即分子层厚度方向)上分为头基、分子链和尾基三层结构分别进行了基于纳机械敏感实验的原理揭示,在此基础上发明了一种作图法来定量评估和分析自组装分子层对表面能变化的作用.为使分子作用产生纳机械敏感效应在痕量生化分子快速检测识别中得到应用,首次将纵向分子特异性作用和相邻分子间横向作用区分开来,通过不同类型分子间作用的分析和实验验证得到如下结论:横向分子作用是产生表面应力值大小和正负(张应力或压应力)的决定性因素,而分子纵向作用主要是通过对分子层自组装有序性的调节来影响表面应力产生.在对各种横向分子作用机制分析的基础上,提出并用实验验证了分子间氢键作用可产生最高灵敏度的纳机械敏感效应.此后介绍了特异性分子作用产生表面应力的敏感效应在生化痕量快速检测传感器的应用.采用微纳悬臂梁作为敏感效应的转换器,将表面应力转换为悬臂梁弯曲,利用集成在悬臂梁内的压阻器件进行电信号输出.通过在悬臂梁表面金薄膜上修饰巯基双层分子敏感基团,实现了对ppb量级有机磷毒害蒸气的快速检测.为实现敏感分子层长期稳定工作,针对TNT爆炸物分子检测提出并实现了在悬臂梁硅表面直接两次嫁接自组装硅烷基敏感基团,进而解决了传感器对ppt量级TNT检测的长期稳定性问题.通过对传感器电绝缘的有效处理,又实现了对1.5×10-11 mol/m L浓度链霉亲和素的生物溶液在线检测.     

程序数值误差的扰动检测与优化

很多用于关键领域的数值计算程序使用浮点数格式作为数据的内部表示,但由于浮点数在表示上存在误差,这类程序的正确性很难得到完全的保障.本文提出了一种自动的检测途径来帮助应用程序的开发人员获得他们所写代码的稳定性信息.它通过两种具体的扰动技术——数值扰动与算式扰动,来扰动底层的数值量和计算步骤,统计扰动下的运算差异,并最终评估数值计算代码的稳定性.数值扰动随机动态地改变程序数值的有效数字尾数,通过模拟误差的引入来观测程序的计算结果是否稳定;而算式扰动针对程序中算术表达式的计算过程,通过程序变换方法,将其转换成在实数域等价,但语法上不同的形式,然后以这些算式在浮点数下执行结果的差异来判断数值计算过程的稳定性.更进一步,本文使用了并行扰动算法和蒙特卡罗（Monte Carlo）方法来提高扰动技术的处理规模.当用户的硬件资源较丰富时,扰动技术将利用并行算法来提高运行效率;而当硬件资源不足时,蒙特卡罗方法也能在较短时间内得到一个可以接受的结果.我们对本文所提出的技术做了实现,并对文献中采用的一系列数值程序和GNU科学计算库（GSL）做了评估,评估结果显示,本文为数值计算稳定性的自动测试提供了一种实用技术.     

面向场景变化的动态自适应同时定位与地图构建

在动态变化的复杂环境中,如何使同时定位与地图构建(SLAM)系统根据场景变化持续可靠地进行定位和地图构建,成为其能否走向实际应用的关键所在,也是目前SLAM研究领域中重点研究和待解决的问题之一.针对这一问题,本文提出了一个可扩展的、面向场景变化的同时定位与地图构建框架—SceneSLAM,支持场景检测和SLAM算法的有效复用和自动化调度;根据当前场景检测结果,动态自适应地调用依赖不同传感器数据的SLAM算法,从而提高SLAM系统适应环境变化和持续稳定工作的能力;在SceneSLAM框架基础之上,提出了能够有效检测室内、室外、黑暗场景的场景检测模型,以及应对光线变化的室内、室外场景的动态自适应SLAM模型;在模型切换时自动地进行坐标转换和尺度转换,从而获得具备全局一致性和尺度一致性的定位与地图构建结果.最后,基于ROS平台实现了一个动态适应场景变化的SLAM原型系统,实验中利用Turtlebot机器人,在室内、室外、黑暗场景中进行实验,验证了本文所提出方法的有效性.     

一种面向深度数据包检测的紧凑型正则表达式匹配算法

深度数据包检测(Deep Packet Inspection,DPI)采用正则表达式匹配算法,将每个数据包内容与一组预定义的特征进行匹配.正则表达式匹配算法是一种多模式特征匹配算法,采用确定型有限自动机(Deterministic Finite Automaton,DFA)表示一组正则表达式特征,实现一次内容扫描可匹配多个特征.基于硬件的正则表达式匹配算法面临存储空间需求大等挑战,即片上嵌入式存储器难以存储日益增长的DFA存储空间需求,从而限制了DPI的性能和可伸缩性.近年来,Smith等人提出了一种基于扩展有限自动机(eXtended Finite Automaton,XFA)的正则表达式匹配算法,即在状态上增加辅助变量和简单操作指令,消除了DFA状态空间爆炸问题,从状态方面减少存储空间需求.为了进一步减少XFA存储空间需求,本文提出了一种基于紧凑型有限自动机(Compact Finite Automaton,CFA)的正则表达式匹配算法,称为紧凑型正则表达式匹配算法.CFA是一种存储高效的有限自动机,即从迁移边方面减少XFA存储空间需求.在CFA构建过程,本文提出了基于优先级的迁移边压缩方法,融合相同目的状态最多的迁移边,从而减少存储空间需求;在CEA匹配过程,本文提出了基于位图的迁移边查找方法,并行查找不同优先级的迁移边子集,从而确保匹配效率.Snort特征规则集的实验结果表明:与XFA相比,CFA在迁移边条数上减少了88.2%,在存储空间大小上减少了83%,在匹配时间上减少了12%.     

向阳侧磁层顶非对称驱动重联的数值研究

采用二维可压缩模型 ,数值研究向阳侧磁层顶非对称驱动重联过程 .假设初始时刻系统处于磁静平衡态 ,对交界面两则温度相同Tm0 /Ts0 =1 .0 ,而磁场强度比分别为Bm0 /Bs0 =1 .0 ,1 .5 ,2 .0 ,2 .5 ;以及两侧温度比Tm0 /Ts0 =2 .0 ,磁场强度比Bm0 /Bs0 =1 .5 ,5种情况做数值实验 (Bm0 ,Tm0 和Bs0 ,Ts0 分别表示电流片外磁层侧与磁鞘侧初始磁场与初始温度 ) .数值结果表明 :当磁鞘侧磁场取为南向时 ,在边界入流的持续作用下 ,5个算例均展示出多重气泡状磁结构的重复形成 .并且 ,一些“磁气泡”在向上运动时聚合成较大尺度的等离子体团 ,而另一些则单独地依次撤离计算域 ,从而产生具有不同尺度 ,不同时间间隔的等离子体团事件 ,清晰地表现出磁场重联的脉动式特征 .数值结果还表明 :这些多重气泡状磁结构相对周围介质而言是高温、高密度区 .它们的形成和演化可以产生法向磁场分量的双极特征或波动型变化 ,这在一定程度上反映了FTEs的观测特征 .