超声测量结构内部瞬态温度场的重建方法研究

固体结构内部瞬态温度场的无损测量在航空航天、机械制造与材料加工等领域都具有十分重要的作用.本文基于超声波传播速度与温度的相关性,建立了超声测量各向同性材料内部瞬态温度分布的模型,从反演角度入手,将瞬态非均匀温度场的重建问题转化为热边界的反演和热传导正问题计算的问题,应用参数辨识中的共轭梯度法,发展了一种高分辨率的温度场重建方法,并通过数值仿真系统分析算法的精度、抗噪性和稳定性等特性,最后,进行了实验验证与分析.研究表明:基于超声渡越时间反演得到的热边界条件,符合物理实际,重建得到的结构内部瞬态温度分布精度较高、实时性好、适用性强,有利于促进超声无损测温技术的发展,具有重要的工程应用价值.     

温度场与温度梯度场的均匀化

基于模拟退火算法和仿生优化方法,分别以均匀化温度场和均匀化温度梯度场为目标,对二维导热问题进行了数值研究,优化了高导热材料的分布．研究结果表明：这2个优化目标之间存在一定的一致性,而仿生优化方法可以有效的节约计算时间;此外,对2个优化目标而言,高导热材料的填充量和导热系数比都存在阈值,高导热材料的填充量和导热系数比超过阈值后,其增加对均匀化温度场与均匀化温度梯度场的作用不再明显．     

非稳态导热基于温度梯度的本征正交分解降维方法

利用本征正交分解(POD)方法处理温度场是实现非线性热流过程降维的有效途径.目前大部分POD算法研究,是从温度场构成的瞬态图像中提取POD基函数,结合Galerkin投影法建立低阶模型;或者对数值计算方法采用的方程组进行POD分解或SVD分解,以建立低自由度的方程组,达到降维的目的.与传统的POD方法不同,本文以优化POD解的梯度为目标,从温度场的梯度中提取出最优正交基.结合Galerkin投影法,建立了二维、常物性、非稳态导热微分方程的POD-Galerkin降维模型,研究了各个边界条件下导热微分方程的降维算法的精度.结果表明POD解保持0.1%以下的相对偏差,而平均求解时间从原来的1.64 s降低到0.02 s.     

晶粒尺寸对氧化锌非线性电阻片中温度和热应力的影响

微观温度分布不均匀将降低氧化锌(ZnO)非线性电阻片的冲击能量吸收能力. 采用二维Voronoi网络(Voronoi diagram)模型, 从微观角度分析了氧化锌非线性电阻片中的电流、温度和热应力的分布. 结果表明: 在击穿区(中电场区), 流经电阻片的电流集中于少数晶粒连结而成的通道, 导致电阻片吸收冲击能量时内部能量吸收不均匀, 引起局部高温和很大的热应力, 造成电阻片发生穿孔或破裂损坏. 另外讨论了晶粒尺寸对氧化锌非线性电阻片内部温度和热应力的影响.     

基于反应欧拉方程投影算法的广域尺度气体爆炸数值模拟研究

近年来广域尺度可燃气体爆炸事故愈发严重,亟需发展有效的数值方法模拟爆炸波的传播发展及其对结构物的作用,预测和评估爆炸造成的危害.本文采用含极端刚性源项的反应欧拉方程描述广域尺度气体爆炸过程,基于算子分裂法,通过高分辨率格式捕捉激波,采用投影法处理化学反应刚性源项,解决了化学反应和流体动力学时空尺度不匹配的问题.通过若干一维爆轰波算例验证了本文数值方法能够在网格尺度欠解析的情况下准确捕捉爆轰波的传播过程,且几乎不受空间重构格式的影响,具有较好的鲁棒性.进一步将一维数值模型推广至二维含复杂结构物气体爆炸问题,几组二维算例表明本文数值模型能够在较粗的网格条件准确捕捉弯曲爆轰波的传播及其散射行为.最后计算了一个广域尺度含复杂结构物的爆炸波算例,表明本文的数值方法具备在空间网格欠解析的情况下模拟真实广域尺度气体爆炸问题的能力,有望为城市爆炸安全评估提供压力、温度等数据.     

非均匀饱和土中平面波的传播特性

基于Biot多孔介质理论,假设材料物理力学特性沿厚度方向连续变化,利用回传射线矩阵法(RRMM),建了非均匀饱和土平面波动问题的弥散方程,其中考虑了土体的非均匀性、惯性、粘滞以及固体颗和流体的可压缩性.通过数值算例,分析了非均匀饱和土中的弹性波的传播特性,结果表明:两类纵波的波数和耗散沿材料特性变化的方向变化不大,而非均匀性对横波的波数和耗散有着明显的影响.     

基于时频特性的窄带高速自旋目标运动估计及成像算法

针对窄带观测高速自旋目标的逆合成孔径雷达成像,考虑径向运动未精确补偿情况下,利用回波时频特性对自旋目标的运动参数进行高精度估计,并提出了相干单距离Doppler干涉高分辨率二维成像方法.该算法利用相干积分的方法对目标的二维时频谱密度函数进行重构得到目标的二维分布,较原来的算法在分辨率方面有较大改进,在低信噪比条件下同样适用.仿真验证了算法的有效性和参数估计的高精度.     

热声固耦合问题多参数识别中解的唯一性和算法研究

本文研究了一类热声固多物理场耦合中的初边值识别问题,建立了基于超声回波时间测量的固体结构表面热流和尺寸的多参数同时识别模型.利用热传导方程的极值原理,证明了耦合问题多参数识别中解的唯一性,为超声同时测温测厚等工程应用提供了理论支撑.在数值求解正问题的基础上,将反问题重新表述为由偏微分方程约束的优化问题.将共轭梯度法反演热流和最速下降法反演厚度相结合,发展了多参数识别问题的交替迭代算法,并通过严格的收敛性分析,给出了交替迭代算法的收敛性条件,证明了算法的全局收敛性.最后通过设计数值算例,验证了本算法的可靠性和可行性,并对比了仅识别热流的单参数识别算法,验证了本算法在精度方面的提高.     

基于边界元和分散式模糊推理的圆筒内壁形状识别算法

利用边界元法(BEM)和分散式模糊推理(DFI)算法求解二维稳态传热学几何反问题。首先,给定边界形状的初始猜测值,利用BEM求解传热学正问题,得到边界温度计算值;然后,根据DFI反演算法,利用温度测量值与其计算值的差值推理得到一组模糊推理分量;最后,对模糊推理分量进行综合加权,得到边界形状的补偿量。本文通过数值实验验证了DFI方法的有效性,讨论了初始猜测值、测量点数目以及测量误差等因素对反演结果的影响,并与共轭梯度法(CGM)的反演结果进行了对比。数值实验结果表明,与CGM相比,DFI降低了反演结果对温度测量点数目的依赖程度,增强了对温度测量误差的抗干扰能力,具有更好的抗不适定性。     

冲泻区水动力特性的数值分析

基于三维非稳态的Navier．Stokes方程，采用有限体积法进行数值离散，在构造高分辨率STACS格式的VOF方法的基础上，建立基于气液两相流的三维自由面流动模型，并基于该模型对三维剪切流场和圆柱水体坍塌进行了三维模拟，检验其数值精度．应用该模型数值研究冲泻区内涌波（bore）在均匀斜坡上的动态传播过程．对上爬水流自由面水位高度与实验数值进行对比，结果显示数值解与实验解吻合较好，模型能很好描述水流的掺气运动．数值分析了涌波崩塌（BoreCollapse）、上冲流（Uprush）和回落流（Backwash）等过程中的自由水面、瞬时流速及床面最大剪切应力的时空分布．结果表明，冲泻区水动力结构时空变化非常复杂，模型能捕捉到高速薄层水流结构，优于前人的数值结果，研究有利于进一步了解冲泻区内的泥沙输运规律及岸滩演变机制．     

采用流体网络与气热耦合方法的涡轮叶片复合冷却结构改型设计

将流体网络方法应用于高性能涡轮叶片复合冷却结构的设计中,开发了气热耦合数值计算方法,并对其进行了可靠性验证．对采用复合冷却方式的某型高压动叶内部冷却结构进行基于流体网络分析的快速预测,评估其气动与传热特性．针对网络分析结果,提出3种改进措施,即调整不同冷却通道冷却气体流量、减小通道转弯结构流阻、以及调整局部高温区的内冷几何结构．通过全三维燃气．固体叶片一冷却气流耦合计算验证,指出改型设计降低了叶片表面最高温度,整体温度分布更加均匀,冷气入口参数匹配合理．结果表明,计算方法大大缩短了涡轮叶片复杂冷却结构的设计周期．     

模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法

主要目的是概述用于模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法.该方法可同时模拟近域介质材料的复杂性和远域介质的无限延伸性.以描述二维和三维弹性和粘弹性固体介质中的波动方程为基础,推导了动力无穷元的质量矩阵和刚度矩阵.所建立的二维动力无穷元模型可同时模拟P波和SV波在该单元中的传播;而所建立的三维动力无穷元模型则可同时模拟P波,S波和Rayleigh波在该单元中的传播.有关计算结果表明:有限元与动力无穷元耦合方法既可从物理概念上、又可从数值方法上较为精确地模拟波在弹性和粘弹性固体无限域中的传播,为解决在科学研究和工程实践中所涉及到的无限域问题提供了一种先进的科学研究工具.     

一种基于高斯过程的数据驱动光度立体视觉全局优化算法

光度立体视觉技术难点之一在于快速有效地解决非朗伯体材料的复杂反射问题,针对这一问题,本文提出了一种基于高斯过程的数据驱动光度立体视觉全局优化算法.该方法利用高斯过程,通过贝叶斯推理学习给定材料的实测双向反射分布函数值,建立用于描述非朗伯体材料非线性反射性质的连续数学模型.该模型以光源方向和表面反射光强作为输入,以双向反射分布函数值作为输出,可在光度立体视觉系统中建立更为精确的反射模型,从而得到更高的法向量预测精度.仿真实验和实际实验表明,该方法显著提升了光度立体视觉的法向量恢复精度,且拥有较高的计算效率.     

亚90nm沟道MOSFET亚阈值状态下二维电势和阈值电压的半解析模型

本文提出一个亚90nm沟道MOSFET在亚阈值状态下的二维电势和阈值电压的半解析模型．文章首先根据短沟道MOSFET在亚闽值状态下的物理模型提出定解问题,然后用特征函数将由氧化层和空间电荷区衔接条件所得到的超越方程组作正交展开,得到关于未知量的线性代数方程组．求出了氧化层和空间电荷区的二维电势、耗尽层厚度和阈值电压的表达式．该模型不需要适配参数,运算量小,避免了方程离散化,计算精度与数值解精度相同．文章给出了沟道长度为90nm以下MOSFET的电势分布、表面势、耗尽层厚度和阈值电压计算结果．计算值与二维数值模拟值高度吻合．     

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.     

蚁群算法中参数设置对超声回波估计性能的影响

摘要针对超声回波参数估计问题存在着耗机时长,估计结果严重依赖于初始值的缺点,本文将蚁群算法应用到超声回波参数估计中,结合超声回波的非线性高斯模型,提出了基于蚁群算法的超声回波参数估计算法,并就蚁群算法在超声回波估计中参数的优化组合设置进行了分析研究通过数值仿真,在信噪比为10dB条件下计算了蚁群算法中各参数的不同取值对估计结果的不同影响,包括计算时间、估计精度和算法稳定性,得出了算法中各参数的组合优化设置,给出了最优参数下的超声回波参数估计结果,并通过与其他算法的比较验证了蚁群算法在超声回波参数估计问题中的有效性．该研究有助于提高超声回波估计的精度和算法的稳定性,缩短蚁群算法的计算时问,以达到优化算法性能的目的．     

利用共轭梯度法反演钢包内钢液温度分布

为提高钢铁生产中浇铸的命中率,需对钢包内钢液温度进行测量,传统方法是用热电偶直接测量,但热电偶易损坏、成本高,且测点数目有限,不能完全反应钢液温度分布情况。针对上述问题,提出使用共轭梯度法（CGM）反演钢液温度分布。建立钢包的二维稳态传热模型,采用有限元法对钢包传热模型进行离散,获得钢包传热系统温度场;通过构建误差信息最小化函数,建立反演模型,利用CGM对刚包内钢液温度分布情况进行反演。并对某80t钢包模型仿真试验。试验证明,利用上述传热学反问题能够有效的对钢包内钢液的温度分布情况进行辨识,证实了通过传热学反问题方法辨识钢包内钢液温度分布的有效性,为钢包内钢液温度的准确识别提供新的技术手段。     

晶硅电池温变过程中的输出参数及温度场特性

利用有限差分法,分析了环境温度从250 K变化到500 K,且电池前后表面存在两种温差时,晶硅电池输出参数的温度特性及电池内部温度场的分布情况.研究表明:当电池前后表面温度相同,且温度逐渐增加时,短路电流基本不变,开路电压以0.02 V/K的速率线性减小,电池效率以0.07%/K的速率线性降低,温度场分布不均匀现象主要集中在接近电池前后表面的区域,最大温度梯度达?0.0002 K/?m;当电池前后表面存在1.5 K温差,且温度逐渐增加时,电池各输出参数均出现不同程度的改善,特别是开路电压相对无温差时可增加0.25%~1.2%,电池效率相对无温差时可增加0.4%~1.5%,温度场分布出现明显偏离由前后表面温差决定的温度梯度(0.0075K/?m)的现象.     

基于MAPC-RISR的MIMO雷达距离——角度二维超分辨率成像算法

MIMO雷达作为一种新型的雷达体制,其成像兼具实时性和高分辨率的特点,为了充分发挥MIMO雷达在成像方面的优势,提出一种高分辨率的MIMO雷达成像算法.首先将MIMO雷达成像过程分为距离向脉冲压缩和方位向聚焦成像两个过程,采用多波形自适应脉冲压缩技术(MAPC)实现距离向脉冲压缩和发射波形分离,然后在MIMO雷达虚拟阵列端利用超分辨率空间谱估计方法(RISR)进行方位向聚焦成像,得到了观测区域的距离—角度二维高分辨率的成像结果.理论分析表明,与已有的MIMO雷达自适应成像算法相比,所提方法降低了算法复杂度,提高了运算效率.仿真实验验证了所提MIMO雷达成像算法的有效性与优越性.     

考虑对流换热因素的阶形脉冲激光加工热过程解析解及实验验证

材料的激光加工热过程是涉及激光束、工件及周围环境相互作用的复杂热交换问题, 特别是对流换热边界条件的变化将对温度场分布及加工质量产生很大影响. 而以往的温度场求解中, 对流换热条件基本都被简化或忽略, 直接影响了温度场及后续流场、应力场的计算准确性和精度. 研究了考虑对流换热边界条件的材料表面脉冲激光加工热过程, 通过Laplace变换的方法求解出物体温度场分布的解析解, 对无量纲参数进行了适当地设置和定义, 研究了无量纲距离x′、无量纲时间τ、表面无量纲能量吸收M及Biot数Bi与温度分布(无量纲温度T ′)之间的相互关系. 通过分析表明, 随着Bi值的增大, 外界的对流换热作用越来越强烈, 使得温度最大值所处位置偏离开材料表面, 逐渐向内部偏移. 采用红外测温的方法对解析解模型进行了实验验证, 取得了较为理想的结果.