便携式风力灭火机的数值优化设计

为了进一步提高现有便携式风力灭火机效率,该文对某6MF-30型风力灭火机进行了优化设计。首先通过试验及数值模拟分析了原机效率偏低的原因,然后应用最优化理论,以风力灭火机效率为目标建立数学模型,使用C++软件编程计算得到设计变量的优化组合;以此为基础建立风力灭火机的三维模型,对影响其性能的因素进行分析,并采用商用CFD软件FLUENT对改进前后的风力灭火机流场进行了计算;优化后的风力灭火机其出口全压、流量、效率分别较原机提高了8.95%、5.30%和11.53%。该文所采用的方法可为风力灭火机的设计提供参考。     

空气引射提高风力灭火机风速的分析与试验

为提高小型便携式风力灭火机的灭火射程和风量,提出了通过空气引射增大其出口空气流量,减缓风速衰减的方法。以其接收室收敛角θ,混合室直径Dm以及喷嘴位置S为变量,建立了240个不同尺寸参数组合的计算流体动力学(CFD)模型并进行了模拟和计算,基于其计算结果,用响应曲面法详细分析并揭示了各结构尺寸对亚音速空气引射性能的影响规律。研究了不同尺寸参数下混合室内部压力场的变化,从机理上探讨了各参数对距离风机中心2.5 m处风速和引射系数交互作用及影响的原因。结果表明:Dm与θ对距离风机中心2.5 m处风速影响很大,Dm与θ两者之间的交互作用很强;而S对距离风机中心2.5 m处风速影响较小,且与其他参数的交互性很弱。确定最佳参数组合即当θ为36.25°,Dm为144 mm,S为90 mm时,距离风机中心2.5 m处风速可达最优值,经试验测定该最优值为36.4 m/s。     

基于CFD-DEM耦合法的灭火机风筒优化与试验

为了进一步研究风力灭火机的灭火性能,并防止灭完火的区域死灰复燃,在风筒进口增加了超细干粉灭火剂进行喷射灭火。喷射式风力灭火机的性能主要体现在出口风速、射程和喷射的稳定性上,而后两者分别主要由灭火剂颗粒的喷出的速度和风筒内滞留灭火剂的量决定的。该文采用6MF-30型风力灭火机使用的风筒为原型验证仿真模型的可靠性,采用CFD-DEM耦合的方法对喷射式风力灭火机的工作过程进行仿真模拟。以风筒收缩角、灭火剂添加位置、风筒长度作为因素,按照二次正交旋转组合设计进行仿真试验,进行显著性检验和方差分析,建立了回归方程。结果表明:3个因素相对颗粒喷出速度和风筒内颗粒数都具有显著相关性,显著水平分别为P0.0001和P0.001,而这3个参考因素与出口风速无明显相关性;3个参考因素中风筒长度是对机械性能影响最大的因素。采用响应面法、加权法综合对最佳参数组寻优,发现喷射式风力灭火机收缩角取20°,灭火剂添加孔道距进风口140 mm,风筒长度700 mm时喷射式灭火机性能得以提高。采用该参数组的虚拟试验结果显示,颗粒喷出速度提高至41.24 m/s,同时风筒内颗粒数降低至209个。实体样机验证试验表明:采用该参数组设计的风筒可以有效提高喷射式风力灭火机的喷粉射程2.15 m,缩短灭火时间1.7 s且无复燃。该研究为风力灭火机风筒优化模拟提供了参考。     

基于RBF神经网络与NSGA-Ⅱ算法的渣浆泵多目标参数优化

由于渣浆泵普遍存在扬程低于设计扬程、效率低、磨损严重等问题,该文选取比转速为75的离心式渣浆泵为研究对象,运用商用CFD求解软件Flunet,选取RNG k-ε湍流模型与欧拉两相流模型对其内部流动进行计算。以离心式渣浆泵的效率、高效区作为优化目标,结合Plackeet-Burman筛选试验,将渣浆泵叶片的进口安放角、出口安放角与叶片包角作为优化变量。采用均匀试验设计安排样本空间,利用RBF神经网络拟合优化变量与优化目标间的映射关联,基于NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标寻优。针对优化所得的Pareto解集,选取其中效率最优个体和高效区最优个体与优化前初始模型进行对比:分析了上述3个个体的通过数值模拟得到的性能曲线之间的差异,得到效率最优与叶片进、出口安放角、叶片包角为21.76?、23.43?、145.56?,高效区最优时为19.38?、22.68?、116.71?。通过试验验证,优化后个体性能得到显著提升,效率最优个体的效率较初始个体的效率提高了3.81%,高效区最优个体较初始个体高效区范围提高了4.33%。给出并分析了上述3个个体在叶轮流道中间剖面上固相相对速度矢量及湍动能分布、叶片工作面、叶轮后盖板的固相浓度分布差异。优化结果表明,该优化方法使叶轮的水力特性得到改善,提高了离心式渣浆泵的性能。     

基于多目标遗传算法的西宁市水资源优化配置研究

对基于多目标遗传算法的水资源优化配置模型进行研究,可为城市水资源可持续利用和规划管理提供一定的参考依据。根据西宁市的水资源实际情况,建立水资源优化配置模型,并利用多目标遗传算法对该区域水资源进行了优化配置。结果表明,在各水平年不同保证率条件下,西宁市水资源经优化配置后的总供水量有所减少,各个水源的供水量亦有不同程度的减少,其中地表水和地下水减少的供水量较为明显。研究结果表明,多目标遗传算法在水资源优化配置中的应用效果较好,优化结果合理可靠。     

基于复杂种植结构多情景分析的灌区多目标多水源优化配置

为改善多水源灌区农业用水供需矛盾,通过合理调整种植结构,优化灌区水资源配置,该研究以河北省邯郸市漳滏河灌区为研究对象,将农业灌溉缺水量最小和农作物经济效益最大作为目标函数,兼顾灌区生态安全约束,构建了基于种植结构优化的多目标多水源优化配置模型,针对作物熟制、作物种类、种植制度以及灌溉方式设置了8种不同的种植结构优化情景,通过自主改进的基于精英策略并协遗传算法（NSGAⅡ-S）对模型求解,获得不同情景下的水资源优化配置方案。结果表明：应用模型进行水资源配置后,各情景配水总量均有所减少,其中水库配水量高于其他水源的配水量,水库水、引黄水和引江水均达到用水总量控制目标,民有分区的各计算单元间的配水量变化明显,总配水量高于滏阳河分区;适当压减主要依靠抽取地下水灌溉的冬小麦的播种面积,变灌溉农业为旱作雨养农业,可以极大地减少地下水用量,增加灌区经济效益;最佳的种植结构优化方案为CS₄（削减冬小麦的种植面积,种植苜蓿,灌溉方式采取管灌或喷灌）,该方案冬小麦播种面积压减17.10%,地下水开采量减少了16.42%,灌区的经济效益增加了26.41%,在保证配水总量最小的同时,具有更高的经济效益。该研究所构建的多目标多水源优化配置模型和作物配水结果可为类似地区的水资源配置提供参考。     

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。     

基于多目标优化方法的滑坡易发性评价

[目的] 在滑坡易发性评价中,滑坡预测模型的选取和优化对运算过程的高效性和预测结果的准确性至关重要。针对现有单目标遗传优化算法(genetic algorithm,GA)易陷入早熟、局部搜索能力差、全局优化速度慢等问题,拟提出一种新的优化算法框架,将多目标遗传算法中的经典算法—带精英选择策略的非支配排序算法(the nondominated sorting genetic algorithm with an elite strategy,NSGA-Ⅱ)与常用机器学习模型[随机森林(random forest,RF)、支持向量机(support vector machine,SVM)]相结合,进行滑坡易发性预测。与单目标优化不同的是,NSGA-Ⅱ算法可同时进行特征选择和超参数优化,并使预测模型同时实现最优准确度、召回率、精密度和AUC(area under curve,AUC)。[方法] 以三峡库区重庆段为研究区,从模型精度评价、滑坡灾害易发性分区图、分区统计3个方面对4种优化模型(RF-GA、SVM-GA、RF-NSGA-II、SVM-NSGA-II)进行对比分析。[结果] NSGA-II较GA优化效果更明显,在模型评价和滑坡易发性分区方面,RF-NSGA-II模型具有更高的预测性能,4项评价值分别为80.91%,81.89%,80.07%,88.60%,证明NSGA-II优化算法的有效性;极低至极高危险区面积占比依次为23.06%,22.46%,22.96%,19.99%,11.53%,验证了RF-NSGA-II模型的可靠性。由RF-NSGA-II模型预测得到的易发性图表明,高和极高易发性区集中在研究区北部,且由东向西呈带状分布。[结论] 研究采取的基于多目标选择的RF-NSGA-II模型,为滑坡易发性评价中机器学习模型调优提供新思路。     

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。     

基于多目标模糊优化的土保护层塑膜铺衬防渗渠道设计

传统的土保护层塑膜防渗渠道设计仅从水利学的角度考虑单一水力条件下的可靠性,而忽视了经济上的实用性。该文根据多目标模糊优化设计思想,建立了以输水量大、经济性好为目标,满足多种约束条件的模糊优化设计数学模型,对土保护层塑膜铺衬防渗渠道的断面结构进行优化,给出了不同淹没度条件下渠道设计参数的模糊优化结果,仿真分析了渠道边坡角、渠底宽、覆土厚度和渠坡高度等设计参数对总体目标的影响规律。该研究结果为提高土保护层塑膜铺衬防渗渠道的综合设计水平提供了参考依据。     

低比转数离心泵的多目标优化设计

为了提高IS50-32-160低比转数离心泵在设计工况下的扬程和效率,采用数值模拟、试验设计、近似模型和遗传算法相结合的优化方法,选取了泵叶轮的叶片出口宽度、叶片出口安放角和叶片包角3个参数作为设计变量,采用最优拉丁超立方试验设计方法进行20组方案设计,应用ANSYS CFX 14.5软件对各方案进行定常数值计算,得到设计工况下的效率和扬程,并将效率和扬程作为设计目标,根据Kriging近似模型建立了设计目标与设计变量之间的近似函数,采用遗传算法对近似函数进行求解,得到最优的叶轮参数组合。研究结果表明:原始方案的外特性数值模拟结果与试验结果吻合程度较好,设计工况下预测扬程偏差为3.3%;优化后的泵水力效率提高了4.18%,而且近似模型在预测性能的准确性高;通过对比原始方案和优化方案的内流场特性,优化方案内部流动得到改善,优化的叶轮的漩涡区域比原始方案的较小;优化使得效率在主频和次频下的脉动幅值分别下降了1.52和0.84,叶轮内的较大压力脉动强度区域减小,隔舌附近监测点在主频下的压力脉动系数幅值下降了0.02。非定常压力脉动强度降低,从而泵的运行稳定性提高。提出的优化设计方法对低比转数离心泵高效以及无过载特性的优化具有一定的参考意义。     

基于径向基神经网络与粒子群算法的双叶片泵多目标优化

针对双叶片泵存在水力性能比相同比转速的多叶片离心泵低的缺陷,该文以一台型号为80QW50-15-4的双叶片污水泵作为研究对象,将其设计流量点的扬程和效率定为优化目标,运用ANSYS CFX(computational fluid dynamics x)进行数值模拟获得性能数据,采用径向基(radial basis function,RBF)神经网络建立结构参数与扬程、效率性能间的预测模型,并将其用作粒子群算法的适应值评价模型,在样本空间内进行最优值求解,获得扬程和效率的Pareto解。选取扬程最优个体和效率最优个体进行数值模拟,研究其在输运不同介质时的性能与内流场差异,并与初始模型的数值模拟数据相比较。经试验验证,清水介质中设计流量点扬程最优个体的扬程较初始个体增加0.96 m,增幅达到5.5%;效率最优个体的效率较初始个体提升了10.11个百分点。该优化方法改善了叶轮水力特性,使双叶片泵性能得到提高。     

气力集排式排肥系统结构优化与试验

针对气力集排式排肥系统与分层深施肥铲配合作业时,进肥口处肥料落入不顺畅以及排肥口处气流速度过大导致肥料弹跳和地表扬尘等问题,该研究通过分析排肥系统各部件结构参数与工作参数之间的关系,对排肥系统进行结构优化,并设计了一种气-肥分离装置,将部分输送气流提前从排肥系统排出,从而降低排肥口处的气流速度,提高进肥口的进料稳定性。通过理论分析和参数计算,确定了排肥系统各组成部件的结构和基本工作参数,分析确定了影响排肥口和进肥口处气流速度的主要因素,并以排肥口和进肥口处的气流速度为试验指标,以气-肥分离装置的排气口面积、排肥系统入口气流速度和施肥速率为试验因素,进行二次正交旋转组合台架试验,建立了试验指标与各影响因素的数学回归模型。通过对试验结果的拟合和优化分析,得到气-肥分离装置排气口面积为798.0mm²。排肥系统入口气流速度为28.10 m/s,施肥速率为0.28 kg/s时,排肥系统排肥口气流速度为5.91 m/s,进肥口气流速度为3.94 m/s,以得到的优化参数进行试验验证,测得排肥系统排肥口气流速度为6.02 m/s,进肥口气流速度为4.11 m/s,排肥系统进肥...     

基于鹅舍气流场CFD模拟的通风系统结构优化与验证

针对鹅舍内机械通风时大量气流扩散于鹅舍上方而位于地面鹅只通风效果受阻的气流问题,提出一种基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)的结构优化方案。通过在舍内主梁下端安装相同高度且与气流方向呈一定倾角的多个可拉伸卷膜构造方法,提高种鹅舍内有效的通风效率。依据试验现场边界条件,构建并求解了鹅舍的三维稳态模型,舍内40个测点的风速模拟值与实测值均方根误差为0.152 m/s,最大绝对误差为0.29 m/s,平均相对误差为2.04%,验证了建立的鹅舍CFD模型的准确性。根据不同优化方案数值模拟了27组不同改造后鹅舍内气流场分布情况,仿真得出最优组合方案:在42 m长的舍内安装卷膜个数为10个,卷膜与主梁竖直方向倾斜角度为60o以及卷膜最大下拉高度为1.2 m时舍内通风效率最高、气流分布最均匀。通过现场实测,对比改造前后40个测点的风速值,试验结果表明:改造后鹅舍较常规鹅舍平均风速增加0.527 m/s,舍内气流不均匀系数降低32.2%。该试验结果为种鹅舍的结构设计、同类型畜禽舍结构优化以及改善通风降温效果调控提供了一定的参考依据。     

花生荚果气力输送设备参数优化与试验

针对现有气力输送设备对花生荚果输送损耗大、裂荚、破碎率高等问题,改进关键部件结构,在分离筒内壁安装硅胶缓冲板,改进锁气器。通过对比,改进后锁气器能更好适应荚果输送。根据花生荚果在输送过程中受力破损机理,选取分离筒内壁硅胶缓冲板厚度、风机转速、花生荚果含水率三因素,以白沙花生为原料进行气力输送正交优化试验,考察上述三因素对荚果生产效率、裂荚率、破碎率的影响。结果表明,硅胶缓冲板厚度对目标因素影响最大,风机转速次之,花生荚果含水率影响最小。当硅胶缓冲板厚度为5 mm,风机转速2 700 r/min,花生荚果含水率10%时输送效果最佳,裂荚、破碎率降低明显。该研究可为花生气力输送设备的结构优化提供参考。     

基于CFD数值模拟的豆腐干软罐头杀菌工艺优化

针对豆腐干软罐头恒温热杀菌工艺中存在的因杀菌过度而品质不佳问题,开展了杀菌工艺优化。首先利用CFD软件数值模拟杀菌过程获取节点温度历史,筛选出杀菌值3 min且蒸煮值能够有效减小的梯度升温方法,再利用试验对该方法进行验证,通过比较实际杀菌过程的杀菌值、蒸煮值及具体品质指标,同时,结合工业生产的需要,最终确定一种升温模式作为优化杀菌工艺。研究最终得到一种即能满足安全指标且品质劣化程度显著降低的豆腐干软罐头梯度升温杀菌工艺:第一阶段升温到100℃恒温20 min;第二阶段继续升温到120℃保温杀菌15 min。该工艺杀菌值为3.739 23 min,表面蒸煮值和体积平均蒸煮值分别比原有的恒温杀菌工艺(30 min/116℃)降低10.1%和8.69%(P0.01);杀菌后豆腐干亮度值、红度值和黄度值分别比原有工艺提升3.75%、27.4%和43.4%,含水率提升1.58%,剪切力降低30.1%,表面硬度降低78.9%同时表面凝聚性提高551%;该杀菌工艺温度峰值能够满足工业化生产需求。研究结果为固体软罐头食品的变温杀菌工艺优化提供参考。     

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。     

气力式无人机水稻撒播装置的设计与参数优化

当前用于无人机挂载的撒播装置通常为离心圆盘式,该方式的落种区为圆弧形,撒播均匀性不稳定,且在作业幅宽方向上的调控比较困难。为了改善撒播作业的效果,探究适合无人机挂载的水稻撒播装置,该文设计了一种气力式无人机水稻撒播装置,利用气流将种子沿不同的方向吹送出去。该文就种子颗粒在所用无人机平台风场中运动情况进行分析和归纳,对撒播装置的关键部件进行了仿真和测试试验,研究了分流箱气流出口尺寸与出口风速的关系,以及导流通道的锥角对导流通道内的气流与气压分布的影响及对撒播幅宽和撒播均匀性的影响。试验结果表明:分流箱气流出口尺寸与出口风速之间存在极强的负相关关系,根据设计需求选择φ32 mm作为较佳的气流出口直径。导流通道的锥角与撒播幅宽之间存在极强的线性相关关系,相关系数R2=0.999。综合考虑通道内的气压和流速分布,以及锥角对幅宽和均匀性的影响,优选130?为导流通道的锥角。该文进一步研究了无人机作业高度对撒播幅宽和撒播均匀性的影响,结果表明:在1~2.8 m的范围内,作业高度与撒播幅宽的相关性显著系数为0.3590.05,作业高度与撒播均匀性的相关性显著系数为0.1970.05,在给定的高度范围内无人机作业高度对撒播幅宽和撒播均匀性的影响不显著,在实际作业中,综合考虑撒播幅宽和均匀性变异系数以及田间作业环境等因素,优选2 m作为该无人机平台的适宜作业高度。该研究为进一步样机的优化改进提供了参考。