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。     

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。     

基于可耕性评价与多目标权衡的耕地布局优化

为探索各种空间因素作用下耕地未来空间布局的发展方向及其管控策略,该研究以位于长三角地区的常州市为例,采用机器学习算法构建了土地资源可耕性评价模型,并分别用PLUS模型和InVEST模型计算城市发展潜力和生境保护潜力,最后使用蚁群优化算法实现权衡多目标的耕地空间配置模拟并划定优化分区。结果表明：1)通过土地资源可耕性评价发现,常州市不可耕作区中有168.25 km₂现状为耕地,高度可耕作区中有254.11 km₂为非耕地,耕地资源分布存在明显的不均衡性。2)对比不同情景下的耕地空间配置结果,确定城市发展-生境保护-集中耕作情景取得了最理想的效果,平均可耕作潜力为0.938 7,有助于优化耕地资源合理布局。3)统筹耕地空间配置结果与土地利用现状将常州市划分为核心保护区、质量提升区、潜力储备区、建设缓冲区、生态保育区共5区并提出差异化的优化管控策略。该研究的技术路径和结果对于重新认识区域耕地资源本底、有效调节土地资源错配具有参考意义。     

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。     

柴油转子发动机的全可变配气系统优化

柴油转子发动机作为动力源头在农业领域中被广泛运用,为使其配气端口的设计与优化向系统化发展,进一步提升转子发动机的性能,提出了配气端口参数化设计及优化方法。根据柴油转子发动机的特性,建立配气端口曲线方程,采用6个配气参数构建转子发动机全可变配气的参数化模型和一维工作过程仿真模型。采用单因素扫值和响应面法,建立了功率及燃油消耗率的回归模型。以功率和燃油消耗率为性能指标,采用NSGA-II方法对全可变配气端口系统进行了多目标优化。研究结果表明,采用单因素扫值和响应面法相结合的方法,响应面回归模型的相关性系数大于0.95,具有良好的准确性与预测性;优化后,进气端口向前移动19.21°曲轴转角(Crank Angle, CA),进气口持续期增大了78.40%,端口宽度扩大了58.89%;排气端口向后移动19.92°CA,持续期不变,端口宽度扩大了46.60%;功率增加了1.07 kW、提升了25.36%,燃油消耗率降低了104.46 g/(kW·h),降低了20.01%。该研究可为转子机配气系统的设计与优化提供参考依据。     

基于产量品质及水肥利用率的袋培辣椒水肥耦合方案

为探究水肥耦合对袋培辣椒产量、果实品质、水分利用效率（Water Use Efficiency,WUE）和肥料利用率（Fertilizer Use Efficiency,FUE）的影响,构建袋培辣椒水肥精准化管理模式,该研究以‘博陇（37-94）Bolon RZ F1’辣椒为对象,设3种灌溉水平（基质相对含水量70%～75%（W1）、55%～60%（W2）和40%～45%（W3））、3个营养液浓度水平（设置150%（F1）、100%（F2）、80%（F3）标准山崎辣椒营养液浓度）和2个营养液供应量（正常供应、减量供应（每次辣椒采收前6 d营养液减量40%供应））三因素耦合,共18个处理,分析各因子及其耦合效应,建立综合评价辣椒产量、WUE、FUE及果实综合品质的多目标优化模型,并利用遗传算法多目标优化法对该模型进行寻优。结果表明：灌溉量和营养液浓度单因子及其耦合效应均对辣椒产量、WUE和FUE有显著性影响,产量、WUE和FUE均随灌溉量和营养液浓度的增加先增加后降低;利用Topsis法对各处理的果实品质进行综合评价,营养液减量供应可在维持产量和WUE较高的基础上,显著提高辣椒果实综合品质和FUE;营养液减量供应下W2F2处理的辣椒产量、WUE和FUE最高,营养液减量供应下W2F1处理果实综合品质最好。遗传算法多目标优化法寻优表明营养液减量供应结合W2F2处理效果最佳。该试验条件下,高产优质的袋培辣椒水肥耦合方案为：通过灌溉将基质相对含水量控制在55%～60%,施用100%浓度的标准山崎辣椒营养液,且每次辣椒采收前6 d营养液减量40%供应。该模式下的辣椒产量达到87 930.52 kg/hm2,果实品质综合评价贴合度达到0.742,WUE和FUE分别达到41.14 kg/m3和38.83%,此结果可为辣椒高产优质且水肥科学管理提供指导依据。     

轴流转桨式水轮机转轮进口前流场的数值分析

采用数值计算的方法,基于Navier-Stokes方程κ-ε紊流模型,研究了轴流转桨式水轮机内部的流动特性。通过分析水流自活动导叶出口到转轮进口的轴向速度,以及速度矩在不同工况下的分布规律,说明活动导叶开度不同时流道转弯对转轮叶片进口速度分布产生一定的影响：其中小流量工况时,流道转弯对轴向速度起到改变其分布规律的作用,对速度矩起增加的作用,在大流量工况时流道转弯对轴向速度起平衡作用,对速度矩起到减小的作用。这些研究对转轮进口处的位置确定,提供了参考,达到优化叶片提高水轮机效率的作用。     

温室气动天窗机构的动力学仿真研究

根据华东地区的气象资料,分析确定风载与天窗位置角的关系,同时计算天窗均布结构重力和集中力两种荷载,在此基础上,针对经过优化设计的气动天窗机构,导出气缸负载表达式.结合气压传动特性,导出驱动力矩、驱动功率、排气节流压降和天窗运动的动力学基本方程.采用非线性规划方法,以动力学基本方程为目标函数,考虑适当的约束,建立气动天窗的动力学仿真模型.模型求解给出了气缸负载、天窗驱动功率、天窗角加速度和角速度等随天窗位置角变化的过程.     

太阳能蓄热水箱运行工况优化

为寻求适应乌鲁木齐地区太阳能资源实际情况的最优蓄热水箱结构并确定不同时段的最佳运行工况,该研究对25种不同工况下太阳能蓄热水箱内的流动与传热过程进行数值分析.结果表明:球顶结构的水箱热分层效果最好,平顶结构的水箱热分层效果最差.在11:30、13:00、15:00、16:20和18:00,冷水入口流速0.42、0.42...     

草莓干冰喷射速冻过程的数值模拟与优化

为了有效提高速冻后草莓的品质,该研究提出干冰喷射速冻草莓的方法,设计了干冰喷射速冻草莓的速冻间和干冰喷射装置,利用Comsol软件对速冻间内干冰喷射草莓速冻过程的温度场、速度场和压力场进行模拟,研究了不同干冰喷入速度（0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.40、0.50 m/s）,喷入口半径（18、20、23、25、30 mm）,以及干冰喷入速度为0.20、0.30 m/s时模型内干冰体积分数变化对草莓速冻效果的影响。结果表明：随着干冰入口半径的增加和干冰喷入速度的提高,草莓会更快的冻结。在入口半径为25 mm,流速为0.30 m/s情况下,可以高效实现草莓速冻。对干冰速冻草莓降温性能进行分析,并与现有液氮喷淋速冻草莓降温性能进行比较,结果表明：干冰速冻草莓通过最大冰晶带和草莓完全冻结的时间分别减少63.9%和41.7%,草莓能最大限度地保持原有的新鲜状态和营养成分。对优化的结果进行试验验证,草莓表面温度和中心温度达到标准时误差分别为3.70%和6.03%,草莓干冰速冻前后的品质指标均优于草莓速冻标准。研究结果为进一步开发节能环保的干冰速冻草莓装置提供参考。     

气动振动式精密排种器工作参数的分析与仿真

在试验研究基础上,对气动振动式精密排种器振盘及种子的运动理论进行分析,证实了排种器处于稳定工作状态下工作参数的正确性,提出了采用仿真分析方法,将气动振盘系统简化成单自由度有阻尼强迫振动,利用试验数据进行振动仿真。仿真结果表明,得到的系统振动刚度及阻尼等参数可基本反应振动系统的正常工作状态,为气动振动式精密排种器设计提供了相应的工作参数和参考。