基于OPTIMUS的柴油机配气正时及喷油提前角的优化

柴油机的配气正时与喷油提前角对其性能影响很大,最佳的匹配参数能够形成缸内良好的空燃比及较佳的燃烧效率,从而获得较高的动力性及较低的燃油消耗率。为得到不同工况下配气正时与喷油提前角的最佳组合,该文将增压直喷柴油机工作过程的SIMULINK仿真模型导入OPTIMUS多学科优化平台;以进气迟后角和排气提前角以及喷油提前角为优化设计变量,以柴油机的经济性和动力性为设计目标进行优化计算。额定工况下该发动机的优化结果是:进气迟后角为42°CA,排气提前角为60°CA,喷油提前角为16°CA。仿真和试验结果表明:模型设计合理准确,优化后柴油机动力性和经济性均有所改善,该研究可为柴油机的改进和优化提供参考。     

基于数值模拟的汽油机扫气过程优化

采用流体动力学模型对二冲程汽油机扫气过程进行三维瞬态数值模拟,讨论气缸内主要结构参数对扫气过程的影响,以达到优化扫气过程的目的。分析发现,扫气口开启角度、排气口开启角度和扫气口圆周角对充量系数影响较大,随着这3个量的增加,充量系数下降,扫气效果变差,导致功率下降;同时随着排气口开启角度的增加,逃逸比迅速减小,有利于排放。在三维瞬态分析的基础上提出优化方案：扫气口开启角度为123.1°CA,排气口开启角度为112.1°CA,扫气口圆周角为72.5°。试验结果表明改进方案功率增加了22.4%,HC排放降低了55.1%。应用数值模拟,可以有效地优化汽油机的扫气过程。     

三缸内燃式水泵的动力学建模和外特性仿真

为研究三缸内燃式水泵的外特性,对主运动系统和配流阀系统进行动力学分析,建立了动力学模型。采用AVL Boost软件和MATLAB语言,对三缸内燃式水泵在油门全开时的燃油消耗率、有效热效率和运转不均匀度等外特性进行了仿真研究,给出了仿真曲线。并与发动机驱动柱塞泵系统的外特性进行了对比分析,结果表明三缸内燃式水泵的燃油消耗率和运转不均匀度明显低于发动机驱动柱塞泵系统,而有效热效率明显高于发动机驱动柱塞泵系统。在容积效率较高的1600～1800 r/min范围内,燃油消耗率较低,比发动机驱动柱塞泵系统的燃油消耗率要低17%。对油门全开时的燃油消耗率进行了试验验证并与仿真结果进行比较,相对误差均在±5%以内,验证了模型与仿真结果的正确性。     

葡萄糖水溶液乳化柴油制备工艺参数优化

为了研究葡萄糖作为柴油替代燃料的稳定性和燃油经济性,该文基于稳定性试验数据建立响应面模型,并对葡萄糖水溶液乳化柴油(简称葡萄糖乳化柴油)进行配比优化和试验验证。根据亲油-亲水平衡(hydrophilic and lipophilic balance,HLB)理论和乳化原理,选择制备参数和确定取值范围,得出:HLB值范围5~6.5、复配乳化剂由Span80和Tween80组成、助溶剂为蓖麻油、葡萄糖水溶液体积分数10%~25%和溶液中葡萄糖质量分数10%~25%。根据稳定性试验数据建立响应面模型,并对葡萄糖乳化柴油的配方进行理论优化和试验验证,得到最优的葡萄糖乳化柴油配方(体积分数:复配乳化剂2.43%,蓖麻油1.08%,柴油81.49%,HLB值5.77,葡萄糖水溶液15%和溶液中葡萄糖质量分数16.83%),此时葡萄糖乳化柴油稳定时间为264.2 h,与最优配方参数取整后试验稳定时间误差为4.62%。最后分别用0#柴油、葡萄糖乳化柴油(最优配方)进行稳态试验(European stationary cycle,ESC),试验结果表明,燃用葡萄糖乳化柴油和0#柴油时,发动机油耗量的费用分别为1.786和1.598元/(k W·h)。研究成果可为生物燃料的产业化开发和应用提供参考。     

乙醇柴油配比优化及其用于发动机的性能试验

为了完善乙醇柴油的稳定性、燃油经济性和排放性能的研究,该文基于稳定性试验数据建立响应面模型,并对乙醇柴油的配比进行优化和试验验证,最后使用优化后乙醇柴油(体积比:乙醇10%,正丁醇4%,柴油86%;简称乙醇柴油)在柴油机上进行负荷特性试验.结果表明:常温下该燃料在具塞试管里可以保持稳定状态,不发生相分离时间达到60 d以上.通过额定转速1500 r/min及1200 r/min转速下的负荷特性试验发现,使用乙醇柴油的发动机有效热效率在小负荷时与纯柴油相近,在高负荷及全负荷时均高于纯柴油;乙醇柴油的NOx排放,在小负荷时低于纯柴油,在中高负荷时却稍高于纯柴油,在全负荷时与纯柴油相近;乙醇柴油的碳烟排放,在小负荷时与纯柴油相近,在中高负荷时却明显低于纯柴油.对于试验所用柴油机,适当减小供油提前角有利于改善乙醇柴油的发动机燃油经济性和排放性能.     

发动机燃用生物柴油的可靠性

进行了柴油机燃用B5生物柴油的1 000 h可靠性台架试验,测量了可靠性试验前后发动机的燃油消耗、机油消耗、功率、扭矩、活塞漏气量、排气温度等参数,进行了发动机润滑油的色谱分析以及发动机的主要零部件的拆检和分析。试验结果表明：可靠性试验后发动机的燃油消耗和机油消耗均有所增加,活塞漏气量有所升高,功率、扭矩和排气温度略有下降;B5生物柴油与柴油的CO等气体排放相差不大;发动机喷油器、气门、活塞顶面等主要零件部存在积碳,活塞环与气缸套等零件磨损正常。     

提高燃油经济性的拖拉机变速控制策略

为实现对液压机械无级变速拖拉机的最佳燃油经济性控制,分析发动机及液压机械无级变速器(hydro-mechanical continuously variable transmission, HMCVT)对拖拉机燃油经济性的影响,研究拖拉机最佳燃油经济性无级变速控制策略,该文针对发动机和HMCVT二元调节无级变速拖拉机,分析了发动机燃油消耗率和变速器的效率变化特性,提出了以发动机有效燃油消耗率g_e与HMCVT传动效率η_b的比值g_e/η_b为指标的最佳燃油经济性无级变速控制策略及拖拉机负载反馈控制原理。采用参数循环算法,求算出拖拉机在负载特性场内任意工作点下的最佳发动机转速、转矩、HMCVT的最佳变速比,保证了二元协同调节下拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略的工程实现。计算结果显示:最佳变速比的分布呈现梯田状,平台部分的最佳变速比对应HMCVT纯机械传动时的工作状态,此时HMCVT处于传动效率最高点,并且在变速器传动效率高于0.92的工作区,最佳变速比的分布比例高达72.84%。相比较一元调节下分别以g_e、g_e/η_b为指标、二元调节下以g_e为指标的3种变速控制策略,明显降低了拖拉机燃油消耗率。牵引功率范围内,当拖拉机在某一目标车速下稳定工作时,在基于g_e/η_b最小化的二元调节变速控制策略调控下,拖拉机更可能在较低油耗状态下工作。表明以g_e/η_b为指标的二元调节拖拉机最佳燃油经济性变速控制策略能够提高拖拉机在任意工况下的燃油经济性。     

菜籽油碱催化酯交换法制备生物柴油工艺参数的优化

为获得最佳反应条件,在单因素试验的基础上,采用响应面法对菜籽油碱催化酯交换法制备生物柴油的工艺参数进行了优化试验,结果表明,预测酯交换反应过程中菜籽油转化率变化的回归方程拟合程度良好,最优工艺参数为：醇油摩尔比6.12︰1,催化剂用量0.9%,反应时间40 min,反应温度57.74℃,并且在最优工艺参数下进行了验证试验,得到菜籽油转化率为97.43%,与预测值的误差为0.4%,小于5%。对生物柴油的组成成分进行了气相色谱/质谱联用（GC/MS）分析,结果表明,脂肪酸甲酯质量分数达到99.54%。因此,利用响应面分析法得到的最优工艺参数真实可靠,制得的生物柴油品质较好。     

生物质热解燃油在柴油机上的应用效果

生物质通过快速热解得到的生物质热解燃油主要成分为含氧有机混合物和水,不宜直接作为燃料使用,但与柴油乳化后可实现其在发动机上的应用。在确定生物质热解燃油/柴油乳化油乳化剂的最佳亲水亲油平衡（HLB）值后,利用超声波乳化装置制备了生物质热解燃油质量分数为10%的乳化油（用BPO10表示）,然后在一台未作改动的直喷式柴油机上对燃用BPO10时的燃烧和排放进行了研究。结果表明,生物质热解燃油/柴油乳化油乳化剂的最佳HLB值约为5.8。与0号柴油相比,发动机燃用BPO10时燃烧始点推迟,预混燃烧放热峰值明显升高,扩散燃烧放热峰值略低,最高燃烧压力较低,燃烧持续期缩短;燃用BPO10时有效燃油消耗率较高,而有效热效率与0号柴油的相当;燃用BPO10时可同时大幅降低NOx和碳烟排放,但HC和CO排放升高。     

基于参数循环算法的HMCVT燃油经济性多参数优化

为了使有液压机械无级变速器的中小型拖拉机获得更高的燃油经济性,使得拖拉机在任意工况下都能工作在整机经济性最佳的工作点上,该研究结合一种行星比连续可变的液压机械无级变速传动系统(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMCVT),提出以发动机燃油消耗率g_e与HMCVT传动效率η_b之比为拖拉机整机经济性目标函数,在考虑发动机转速、转矩和HMCVT变速传动系统中变量泵排量比调节的基础上,加入HMCVT变速传动系统中牵引式行星排的行星比这一辅助变量,对发动机工作点和HMCVT工作点进行多参数调节。然后采用参数循环算法对多参数调节中的控制参数进行优化,得到任意负载和目标车速下的最佳发动机转速、转矩和最佳HMCVT变量泵排量比和牵引式行星排的行星比。随后分析了不同作业车速下牵引式行星排的行星比对拖拉机整机经济性的影响,得到低、中、高3种车速工况下的最佳行星比及排量比,最后从HMCVT的传动效率和变速比两个方面验证多参数调控效果。结果表明,具有排量比和行星比双参数可调的液压机械无级变速传动系统能满足中小型拖拉机的犁耕作业,与国标相比牵引式行星排行星比的加入使拖拉机的燃油消耗率降低29.86%;行星比越大,拖拉机整机比油耗越低。本文提出的多参数控制策略能够保证拖拉机在宽速比和高效率区域下工作,且易于实时调控,研究结果可为推动无级变速拖拉机变速器开发应用和进一步改善拖拉机动力性与燃油经济性提供理论参考。     

基于水资源合理利用的多目标农作物种植结构调整与评价

农业系统实质是社会-生态-经济复合系统，水资源约束条件下的作物种植结构应统筹经济、社会、生态三大目标进行优化调整。针对作物种植结构调整多目标决策过程中，在数据处理、模型构建、决策者偏好等方面存在的模糊性，该文将交互式模糊多目标优化算法应用于求解作物种植结构优化调整模型，实现与决策者之间的反复协商，直至得到决策者满意的调整方案；并应用耗散结构理论和模糊数学理论，建立基于相对有序度熵的种植结构调整合理性评价模型。经实例研究验证了本文模型与方法的可行性，为可持续发展种植业研究以及灌溉水资源的合理利用提供理论依据。     

基于CFD的6MF-30型风力灭火机多目标优化

为了解决6MF-30型风力灭火机效率偏低等问题,该文首先对该风力灭火机的实际工况进行测试并模拟计算;然后应用最优化理论,建立该风力灭火机效率和声功率级的多目标优化数学模型,编程计算得到设计变量的最优组合及计算结果,以优化后的结构参数为基础建立三维模型,模拟计算结果显示,优化风机的A计权声压级虽然较原机增加1.28%,但效率、出口全压、出口流量和出口速度分别较原机提高17.56%、23.96%、11.56%和11.33%,风机的综合性能得到改善。该结论可为风力灭火机的设计提供参考。     

拖拉机NGW型行星式最终传动多目标可靠性优化

应用建立在可靠性理论和最优化技术基础之上的可靠性优化设计方法,将应力和强度等均视为随机变量,综合考虑拖拉机NGW型行星式最终传动的承载能力、结构紧凑、重量轻和传动效率等问题,以机构的体积最小和效率最高为目标函数,以行星传动的可靠性条件、齿轮疲劳强度的可靠性条件、行星传动的配齿和结构条件等为约束,建立有别于现有模型的多目标可靠性优化设计数学模型,并应用Matlab优化工具箱中的序列二次规划法求解。可靠性优化设计方案比原设计方案和常规优化设计方案的体积分别减小41.65%和8%而效率未降低,表明该优化方法符合工程实际且可靠有效。     

考虑药罐液体晃动的高地隙喷雾机底盘悬架优化设计

针对高地隙喷雾机作业工况复杂,罐内药液晃动及质量时变导致的整车行驶平顺性难以保证的问题,基于液体晃动动力学特性和机械模型等效准则,建立了喷雾机液—固耦合下的底盘非线性垂向动力学模型,应用多目标遗传算法对喷雾机底盘悬架系统参数进行了优化,得到了不同路面及充液条件下的悬架刚度、阻尼最优参数矩阵。优化结果表明,最优悬架参数下的整车车身垂向加速度、侧倾角速度、俯仰角速度及车轮动载荷较优化前分别降低27.5%、16.4%、25.8%及17.6%。搭建喷雾机整机试验平台,开展两种典型路面工况条件下的喷雾机整车试验。试验结果表明,与初始参数条件下的整车平顺性评价指标相比,悬架最优参数条件下的车身垂向加速度分别降低了15.58%与18.72%,车身侧倾及俯仰角速度均降低10%以上。研究结果可为包括喷雾机在内的罐体类车辆悬架设计、参数优化及控制提供参考。     

石羊河流域多目标水资源配置模型及其应用

石羊河位于甘肃河西走廊内陆河流域,降雨稀少,生态环境脆弱,水是控制生态系统演变和限制社会经济发展的关键因子,水资源的合理配置是流域水资源持续利用的基础。遵循生态平衡原则、效率原则以及公平性原则,以流域生态需水满足度最大为生态目标、流域总的净效益最大为经济目标、流域内各计算单元人均净效益变率的均方差最小为社会公平目标,建立了水资源配置多目标评价函数。从供水、节水、结构调整、虚拟水等措施假设不同的水资源模拟配置情景,通过计算单元优化配置模型和水资源转化模拟模型的耦合模型得到各方案的配置结果,由多目标评价函数评价各方案的优劣,提出了流域水资源合理配置的方案。     

低风速适用型水平轴风力机气动性能优化与试验

为开发低风资源适用型风力机,以100 W水平轴风力机为研究对象,分析不同设计叶尖速比和设计攻角对风轮变风况气动性能的影响;考虑低风速地区风资源数据统计特点,以提高年发电量和降低启动风速为目标,以设计叶尖速比、设计攻角、叶片弦长和扭角为变量,采用NSGA-II算法进行全局多目标气动寻优;开展风力机性能测试试验。结果表明,优化后年发电量提高了9.14%,风轮启动转矩提高了9.62%;在不同负载条件下,优化叶片功率输出均有明显提高,启动风速由3.84 m/s降低到3.03 m/s;该方法避免设计陷入局部优化,提供一种低启动风速与高功率输出矛盾解决方案,为低风速水平轴风力机设计与应用提供重要参考。     

冬小麦-夏玉米轮作体系灌溉制度多目标优化模型

该文针对望都灌溉试验站全年作物种植模式,分别建立冬小麦及夏玉米水分生产函数模型,运用粒子群优化算法(PSO)求解模型中的敏感指数,并以该模型为基础建立冬小麦-夏玉米全周期灌溉制度多目标优化模型,利用改进分组非支配排序遗传算法(GNSGA-Ⅱ)对模型进行求解,得出全年不同可用灌溉水量情况下的灌水日期与灌水量。结果显示,随着可用总灌水量的增加,冬小麦和夏玉米的灌水量与产量均随之增加,但由于受到两种作物不同敏感指数的影响使得二者增加的趋势有所不同。当全年总灌水量为472mm时两种作物均接近充分灌溉,若继续增加灌溉水量,则灌水的边际效益逐渐减小。依据优化结果可在全年合理分配利用有限的水资源以获得较高的作物总产值。     

基于改进多目标进化算法的温室环境优化控制

该文围绕温室环境控制问题,以温湿度2个主要环境因子为研究对象,建立了温室环境动态模型。设计1种基于改进的非支配排序多目标进化算法(modified non-dominated sorting evolutionary algorithm,MNSEA-II)的双比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制器的多输入、输出温室控制系统,以误差平方矩的积分型(integrated time square error,ITSE)为性能指标,使用多目标进化算法对其确立的目标函数进行寻优,求出Pareto最优解,进而对PID控制器的参数进行整定,使系统获得良好的控制性能。本文以Matlab/Simulink为仿真环境,对此温室控制系统进行了仿真研究。结果表明了温室模型的合理性和多目标进化算法优化的PID控制方法的有效性。     

基于多目标微粒群优化算法的土地利用分区模型

土地利用分区实质上是一个多目标的土地利用空间优化问题,将传统分区方法用于解决多目标优化问题明显不足。该文提出了一种基于多目标微粒群优化的土地利用分区模型,构建了土地利用分区的属性约束指标,提取4个能够体现土地利用分区目的及意义的目标函数,即分区间差异性最大区内相似性最强、空间分区集中连片、土地利用效益最大化、土地适宜性评价指数最高,同时考虑了土地利用分区图上最小图斑面积、用途区面积、用途转换规则3类约束条件,并详细阐述了算法的核心思想、编码策略、状态更新机制及其算子等内容,最后以湖北省宜城市为例,对模型的可行性和有效性进行验证,结果表明通过对目标的权重调控可以得到不同目标偏好的土地利用分区方案,该文所构建模型在土地利用规划实践中具有可操作性。     

水肥耦合对基质栽培番茄产量及品质的影响

为有效提高农业废弃物的利用率，将堆肥、秸秆等农业废弃物和黏土等拌制成一种抗旱促根的基质，研究水肥耦合效应对"爱吉3041"供试基质栽培番茄的株高、茎粗、产量、品质、水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）及肥料偏生产力（Partial Factor Productivity of Fertilizer，PFP）的影响，以当地实际生产水肥施用量作为对照组CK，设置9组基质水肥耦合处理，3组滴灌水量W1（100%ET0，ET0为参考作物蒸发蒸腾量）、W2（80%ET0）、W3（60%ET0）和3组施肥（N-P2O5-K2O）水平F1（240-115-137 kg/hm2）、F2（180-88-121.2 kg/hm2）、F3（112-50-82 kg/hm2）共10组耦合处理，建立番茄产量、WUE、PFP及果实综合品质的多目标优化模型，采用遗传算法多目标优化法寻找模型的Pareto最优解。结果表明：与CK相比，基质对番茄的株高、茎粗、根系发育、产量、品质、WUE和PFP等影响显著，可有效改善果蔬品质；W3F1处理下番茄风味品质及产量最佳，利益比率值最小；基于遗传算法多目标优化法表明基质栽培番茄的最佳灌溉施肥处理为W3F2，以期为农业废弃物高效利用及高品质果蔬的水肥科学管理提供理论依据。