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基于POD-DNN降阶模型的油浸式变压器绕组稳态温升快速计算方法

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中国电机工程学报 2025年第6期45卷 2423-2436,I0033页

作者：赵庆贤刘云鹏刘刚傅榕韵邹莹武卫革河北省输变电设备安全防御重点实验室(华北电力大学) 河北省保定市071003 河北省输变电装备电磁与结构性能重点实验室(保定天威保变电气股份有限公司) 河北省保定市071056

为解决油浸式变压器绕组稳态温升计算耗时久的问题,该文提出一种基于POD-DNN降阶模型的快速计算方法。首先,通过绕组稳态温升全阶模型构建快照矩阵,并基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)获得物理系统的模态及模态... 详细信息

为解决油浸式变压器绕组稳态温升计算耗时久的问题,该文提出一种基于POD-DNN降阶模型的快速计算方法。首先,通过绕组稳态温升全阶模型构建快照矩阵,并基于本征正交分解(proper orthogonal decomposition,POD)获得物理系统的模态及模态系数。然后,建立工况参数与模态系数间的深度神经网络(deep neural networks,DNN)代理模型,解决POD方法中非线性项求解效率低和控制方程依赖强的局限,同时设计网络正则化策略,避免小样本下模型过拟合。最后,将DNN代理模型预测的模态系数与对应的POD模态线性加权,重构绕组温度场。经验证,POD-DNN求解的绕组温升结果与Fluent仿真和试验测量高度一致,计算效率相较于全阶模型和Fluent仿真分别提升了247478倍和23056倍,该算法能够为变压器的在线监测、运行维护和绝缘设计提供技术支撑。

关键词：本征正交分解深度神经网络绕组稳态温升快速计算降阶模型

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基于非插值卷积自编码器的湍流降阶模型

西北工业大学学报 2025年第1期43卷 149-153页

作者：武频张波宋超周铸上海大学计算机工程与科学学院上海200444 上海大学人工智能研究院上海200444 中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所四川绵阳621000

降阶模型通过代理数值模拟,有效降低了大规模流体动力学问题的计算成本。其中,降维和重构方法是降阶模型的关键组成部分。传统的本征正交分解基于线性映射,常常在处理流场时损失大量非线性流动信息。全连接结构的自编码器在处理较大规... 详细信息

降阶模型通过代理数值模拟,有效降低了大规模流体动力学问题的计算成本。其中,降维和重构方法是降阶模型的关键组成部分。传统的本征正交分解基于线性映射,常常在处理流场时损失大量非线性流动信息。全连接结构的自编码器在处理较大规模流场网格时会导致模型参数爆炸,难以有效训练。为了获得均匀流场快照,卷积自编码器一般需要在流场上进行均匀插值,这通常伴随着插值误差和不必要的时间成本。为解决这些问题,提出了一种创新的非插值卷积自编码器,该模型可以提取流场的非线性特征,降低参数量,避免插值误差和额外的计算成本。在二维圆柱绕流算例上,降维重构的均方根误差均约为1×10^(-3),速度云图和绝对误差云图展示了非插值卷积自编码器在重构方面的卓越性能。

关键词：降阶模型非插值卷积自编码器降维重构

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模型不确定转子系统动力学降阶模型构建方法

机电工程 2025年第3期42卷 472-480页

作者：励精为治刘保国刘彦旭张义彬河南工业大学机电工程学院河南郑州450001 河南省超硬磨料磨削装备重点实验室河南郑州450001

转子系统进行动力学建模时引入的不确定因素会使其产生模型不确定性,而采用模型不确定建模法建立的动力学模型通常维数较高。本征正交分解(POD)能够从系统中提取出主要的特征信息,从而在降低模型维数的同时,保留其关键的动力学特性。因... 详细信息

转子系统进行动力学建模时引入的不确定因素会使其产生模型不确定性,而采用模型不确定建模法建立的动力学模型通常维数较高。本征正交分解(POD)能够从系统中提取出主要的特征信息,从而在降低模型维数的同时,保留其关键的动力学特性。因此,针对转子系统不确定动力学模型维数较高的问题,基于POD方法,提出了一种模型不确定转子系统动力学降阶模型的构建方法。首先,建立了转子系统确定性动力学模型,计算了确定模型的临界转速和振型;然后,根据确定模型的低阶振型和实验振型,对不确定模型的散度参数进行了识别;最后,采用非参数建模法和POD方法建立了模型不确定转子系统动力学的降阶模型,搭建了转子实验台,将不确定降阶模型得到的振动响应均值与实验测得的振动响应进行了对比研究。研究结果表明:当转速在3000 r/min~4000 r/min内,模型不确定降阶模型得到的振动响应均值与实测结果更为接近,差异不超过10%,证明该降阶模型对转子系统动力学特性的描述具有准确性和可靠性。研究结果为高维复杂转子系统的动力学建模方法和更高转速工况下振动特性的预测提供了理论参考。

关键词：本征正交分解转动机件转子系统模型不确定降阶模型动力学特性散度参数识别

卷积自编码器在非定常可压缩流动降阶模型中的适用性

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北京航空航天大学学报 2023年第12期49卷 3445-3455页

作者：肖若冶于剑马正宵北京航空航天大学航空科学与工程学院北京100191

为有效降低使用计算流体力学(CFD)方法的设计成本和周期,降阶模型(ROM)得到广泛关注。对于复杂的可压缩流动,使用本征正交分解(POD)等线性方法进行流场降维,需要大量模态才能保证流场重建的精度,采用非线性降维方法能够有效减少所需模... 详细信息

为有效降低使用计算流体力学(CFD)方法的设计成本和周期,降阶模型(ROM)得到广泛关注。对于复杂的可压缩流动,使用本征正交分解(POD)等线性方法进行流场降维,需要大量模态才能保证流场重建的精度,采用非线性降维方法能够有效减少所需模态数。卷积自编码器(CAE)是一种由编码器和解码器组成的神经网络,能够实现数据降维和重构,可看作是POD方法的非线性拓展。采用CAE进行流场数据的非线性降维,同时使用长短期记忆(LSTM)神经网络进行流场状态的时间演化。对于不可压缩问题,使用自编码器和LSTM结合进行流场重构的方法已有较多研究,选择一维Sod激波管、Shu-Osher问题、二维黎曼问题和开尔文-亥姆霍兹不稳定性算例,测试该ROM对非定常可压缩流动的有效性,同时基于POD方法,在不同模态数下构造Sod激波管和黎曼问题的ROM作为对比。结果表明:对于非定常可压缩流动,CAE-LSTM方法能够在使用较少自由变量数的前提下获得较高的重构和预测精度。

关键词：降阶模型卷积自编码器长短期记忆神经网络非定常可压缩流动流场重构

基于尾流降阶模型的涡激振动俘能效率优化研究

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第8期64卷 1391-1400页

作者：韩鹏黄桥高秦登辉潘光清华大学航天航空学院北京100084 西北工业大学航海学院西安710012 北京大学工学院北京100871

涡激振动(VIV)是一种典型的流固耦合(FSI)现象,除了在结构安全设计方面有重要意义外,近年来在流体动能俘获方向也展现出巨大潜力。该文采用一种基于尾流振子的低成本降阶模型(ROM),以及一种基于直接模拟的计算流体力学—流固耦合(CFD-F... 详细信息

涡激振动(VIV)是一种典型的流固耦合(FSI)现象,除了在结构安全设计方面有重要意义外,近年来在流体动能俘获方向也展现出巨大潜力。该文采用一种基于尾流振子的低成本降阶模型(ROM),以及一种基于直接模拟的计算流体力学—流固耦合(CFD-FSI)求解器,对圆柱VIV俘能效率的全局优化问题展开研究。通过ROM模型,得到了四组不同质量比和Reynolds数下的高分辨率俘能效率优化数据,其中优化参数为阻尼比和折合速度。将ROM模型的预测结果,与CFD-FSI的高保真模拟结果和已有研究中的实测数据进行对比,验证了ROM的有效性。该文发现了最优俘能效率点受到折合速度和质量—阻尼耦合参数的控制;另外,从ROM模型的内在关键参数推论出VIV俘能设备更适于在相应结构固定绕流升力系数更高的流动条件下工作,由此解释了高Reynolds数条件下VIV俘能效率更高的现象;此外,优化结果表明低质量比条件下的VIV俘能设备工作表现更优,由此证明海流能VIV俘能收益高于风能VIV收益。

关键词：流固耦合涡激振动流体动能俘获降阶模型

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板带轧制板形判别的降阶模型

工程力学 2009年第12期26卷 204-210页

作者：孙亚波刘宏民彭艳燕山大学轧制设备及成套技术教育部工程研究中心河北秦皇岛066004 燕山大学亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室河北秦皇岛066004

在提出的板形判别条元法的基础上,引入节线二阶导数连续和自由边的力边界条件,导出挠度函数的改进模型,使挠度函数及其一阶和二阶导数都可以仅用节线挠度表示,而不必再用节线挠度及其一阶导数表示,从而使未知数减少一半。根据静力学最... 详细信息

在提出的板形判别条元法的基础上,引入节线二阶导数连续和自由边的力边界条件,导出挠度函数的改进模型,使挠度函数及其一阶和二阶导数都可以仅用节线挠度表示,而不必再用节线挠度及其一阶导数表示,从而使未知数减少一半。根据静力学最小势能原理,导出板形判别的计算模型,使特征矩阵从原来的2(n+1)阶降低到目前的(n+1)阶,提高了计算速度。又从动力学原理出发,推导得到相同的计算模型,进一步证明了计算模型的正确性,最后用实际算例验证了模型。

关键词：板带轧制板形判别降阶模型静力学动力学特征矩阵

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基于降阶模型和梯度优化的流场加速收敛方法

航空学报 2023年第6期44卷 122-132页

作者：曹文博刘溢浪张伟伟西北工业大学航空学院西安710072

CFD是解决流体相关复杂工程问题的重要手段,随着流体力学研究和工程应用问题的日益复杂,更高效、精确的CFD算法研究至关重要。提出了一种基于降阶模型(ROM)和梯度优化用于加速稳态流场的收敛方法。该方法首先收集CFD迭代求解过程中的流... 详细信息

CFD是解决流体相关复杂工程问题的重要手段,随着流体力学研究和工程应用问题的日益复杂,更高效、精确的CFD算法研究至关重要。提出了一种基于降阶模型(ROM)和梯度优化用于加速稳态流场的收敛方法。该方法首先收集CFD迭代求解过程中的流场快照构造基于正交分解(POD)的降阶模型,然后使用梯度优化方法求解降阶模型得到残差更低的流场,最后以该流场为初值继续进行CFD迭代求解从而加速CFD的收敛过程。将该方法用于基于有限体积法的CFD求解器中,针对无黏、湍流算例验证了所提加速收敛方法的有效性。结果表明,加速收敛方法相比于初始CFD方法迭代步数能显著减少2~3倍,是一种高效且鲁棒的加速收敛方法,且在复杂工程问题中具有广泛的应用前景。

关键词：计算流体力学加速收敛方法降阶模型梯度优化有限体积法

基于Twin Builder的110kV油浸式变压器3维磁场降阶模型及损耗分析

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高电压技术 2024年第3期50卷 941-951页

作者：张重远刘迪程高成龙刘云鹏刘刚华北电力大学电力工程系保定071003

为解决3维变压器磁场有限元仿真计算效率低的问题,提出基于本征正交分解法的磁场降阶模型与基于二次多项式的损耗响应面模型。以1台110 kV变压器为算例,首先建立了考虑绕组涡流损耗的变压器磁场仿真模型,通过仿真分析了其在额定工况下... 详细信息

为解决3维变压器磁场有限元仿真计算效率低的问题,提出基于本征正交分解法的磁场降阶模型与基于二次多项式的损耗响应面模型。以1台110 kV变压器为算例,首先建立了考虑绕组涡流损耗的变压器磁场仿真模型,通过仿真分析了其在额定工况下的磁场及损耗分布;其次,通过仿真试验设计获取了多组工况下的磁场与损耗数据,在Twin Builder中训练得到变压器磁场的各降阶模块;最后,搭建面向数字孪生应用的变压器3维磁场降阶模型,实现了变压器磁场损耗的快速计算与云图分布的可视化。与计算单数据相比,仿真结果考虑了涡流效应的绕组损耗在靠近端部时有明显升高,最大值分别出现在高、低压绕组两端,约为绕组中部损耗的1.3~1.65倍。基于该磁场结果建立的降阶模型在计算效率方面较全阶模型有显著提升,将实际仿真时间缩短至0.76s,可满足数字孪生应用场景下的磁场快速计算需求。

关键词：油浸式变压器数字孪生 Twin Builder 本征正交分解响应面法降阶模型

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基于CFD降阶模型的阵风减缓主动控制研究

航空学报 2015年第4期36卷 1103-1111页

作者：聂雪媛杨国伟中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室北京100190

飞行器飞行时会受到大气紊流的影响,降低飞行品质。阵风减缓控制是改善飞行器飞行性能的关键技术。现有的阵风响应分析多以离散阵风为研究对象,对更加真实描述大气紊流的连续型阵风时域分析关注较少。采用成形滤波器方法将频域形式给出... 详细信息

飞行器飞行时会受到大气紊流的影响,降低飞行品质。阵风减缓控制是改善飞行器飞行性能的关键技术。现有的阵风响应分析多以离散阵风为研究对象,对更加真实描述大气紊流的连续型阵风时域分析关注较少。采用成形滤波器方法将频域形式给出的大气紊流信号转换为时域信号。在跨声速区域内,利用系统辨识技术,基于计算流体力学(CFD)方法建立阵风激励下的气动载荷状态空间降阶模型(ROM)。为方便控制器设计,借助平衡模态法进行模型的进一步降阶。使用模型预测控制(MPC)算法通过控制操纵面偏转实现阵风减缓主动控制。以AGARD445.6标模作为仿真算例,验证基于ROM设计的阵风减缓控制律的有效性。仿真结果表明,在跨声速飞行状态下,模型预测控制器能够在满足操纵面偏转范围的约束下,对连续阵风激励下的翼根弯矩输出进行有效抑制。

关键词：阵风减缓控制降阶模型气动弹性跨声速大气紊流模型预测控制