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机理仿真与数据驱动融合的水力旋流器预测模型构建及分级强化研究

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机理仿真与数据驱动融合的水力旋流器预测模型构建及分级强化研究

第十二届中国金属学会青年学术年会暨首届〝碳中和〞冶金青年科学家沙龙

作者：胡宏伟许光泰张雨浩匡世波周宗彦邹瑞萍余艾冰鄂殿玉江西理工大学国际创新研究院江西省颗粒系统仿真与模拟重点实验澳大利亚蒙纳士大学智能过程设计与控制研发中心

水力旋流器是一种多相分离装置,它利用离心力场加速矿浆中固体颗粒沉降和强化分离过程,广泛应用于矿山、化工、环保、医疗、食品等传统工业领域。但在实际工业操作中,由于旋流器对浆料参数波动抵抗能力弱,导致在底流和溢流处都存在颗粒... 详细信息

水力旋流器是一种多相分离装置,它利用离心力场加速矿浆中固体颗粒沉降和强化分离过程,广泛应用于矿山、化工、环保、医疗、食品等传统工业领域。但在实际工业操作中,由于旋流器对浆料参数波动抵抗能力弱,导致在底流和溢流处都存在颗粒错位,而严重的颗粒错位还会造成底流管的堵塞,严重影响了生产效率和生产安全。深入研究旋流器的内部流体力学,进一步理解物料分离的基本原理被认为是解决这些问题的根本途径。因此,及时准确地获取流场信息对于分析分离性能和优化在线操作具有重要意义,有助于提高工业过程中旋流器的分离效率和优化控制策略。笔者及团队持续多年来较为系统开发了颗粒基多相流传输过程模拟仿真模型及智能化。对水力旋流器运行过程模拟仿真与可视化内部流场信息,对水力旋流器的优化设计提出了许多指导意见。但数值模拟计算时间长,流场信息存在滞后性,无法实时进行调控。因此,加快工业水力旋流器分离性能和流场特性的预测速度对于实时控制至关重要。机器学习方法在这方面具有显著优势。本研究提出了一种网络模型,该模型将长短期记忆(LSTM)层与全连接层整合在一起,利用CFD数据准确预测各种运行条件下的流场和分离性能。研究评估了LSTM层数和每层神经元数等因素对模型性能的影响,旨在确定最佳网络结构。结果表明,使用LSTM预测的水力旋流器流场和性能与CFD模拟结果非常接近。平均绝对百分比误差被控制在6%以内,计算时间较CFD模拟缩短83%,从而显著提高了预测效率。这些发现有助于在工业环境中实现更高效、更自动化的分离过程。为进一步提升流场预测模型的预测精度和预测速度,通过加入卷积神经网络(CNN)来提取局部细节信息,在提升精度的同时加快预测速度。搭建了不同结构的CNN和CNN-LSTM预测模型,通过对比不同参数模型的训练结果和误差情况,分别确定出最优的网络结构和分析不同模型的预测性能。结果表明,CNN-LSTM模型可以比CNN模型更为有效的捕捉时序信息和局部细节信息。两种模型在训练完成后均可在9 s内得到预测结果。CNN和CNN-LSTM的平均绝对百分比误差分别在5.5%和4.5%以内。基于以上研究结果,开发了数据驱动耦合机理仿真的双驱动模型,可以基于大量数据进行训练和优化,实现旋流器内部全时空信息的超实时预测和运行机理的解释分析,进而优化调控。

关键词：水力旋流器 CFD 神经网络性能预测优化调控

来源： cnki会议评论

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建筑人行为模拟方法综述

建筑科学 2024年第8期40卷 1-14页

作者：吴奕帅直周欣燕达清华大学建筑学院建筑节能研究中心北京100084 东南大学建筑学院江苏南京214135

建筑中人行为是影响建筑能耗的关键因素之一,人行为具有复杂性、多样性和随机性的特点。在传统的建筑性能模拟中,多采用固定作息或简化方法来模拟人行为,导致了模拟结果与实际情况之间的巨大差距。因此,已有诸多学者对建筑人行为开展研... 详细信息

建筑中人行为是影响建筑能耗的关键因素之一,人行为具有复杂性、多样性和随机性的特点。在传统的建筑性能模拟中,多采用固定作息或简化方法来模拟人行为,导致了模拟结果与实际情况之间的巨大差距。因此,已有诸多学者对建筑人行为开展研究。本文对建筑人行为研究现状展开综述,从数据采集、模型建立、模型检验、工程应用4个维度对研究进展进行梳理。在数据采集方面,分析了现有多种数据采集方式的优势、劣势及应用场景。在模型构建及检验中,从人员位移与人员用能动作两方面出发,将已有的模型构建方法分为固定作息、统计概率模型以及数据驱动模型,并分别对研究现状进行分析。最后,在工程应用中,本研究综述了人行为在建筑设计、运行、改造以及标准政策中的应用。本文系统性介绍了建筑人行为模拟的研究现状,为未来实际建筑能耗模拟工程更准确合理地量化人行为影响提供基础。

关键词：建筑人行为模拟方法工程应用

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竖式炉窑气固换热与反应的协同强化

中国科学：技术科学 2024年第8期54卷 1563-1576页

作者：陆元翔李飘刘恋至姜泽毅张欣茹鄂殿玉北京科技大学能源与环境工程学院北京100083 北京科技大学冶金工业节能减排北京市重点实验室北京100083 北京科技大学北京市节能环保工程技术研究中心北京100083 江西理工大学国际创新研究院南昌330013 江西理工大学江西省颗粒系统仿真与模拟重点试验室南昌330013

竖式炉窑内动量、能量、质量传递和化学反应之间是相互影响的,建立炉内能质传递和化学反应间的协同耦合关系对竖炉节能降耗增产有重要意义.本文探讨了颗粒有序堆积单元结构通道内流动换热反应的场协同原理.为深入研究竖炉内炉料堆积下... 详细信息

竖式炉窑内动量、能量、质量传递和化学反应之间是相互影响的,建立炉内能质传递和化学反应间的协同耦合关系对竖炉节能降耗增产有重要意义.本文探讨了颗粒有序堆积单元结构通道内流动换热反应的场协同原理.为深入研究竖炉内炉料堆积下的多物理场间协同强化关系,针对简单立方(SCC)、体心立方(BCC)和面心立方(FCC)有序堆积方式下的颗粒堆积单元结构通道,本文采用CFD软件对其流动换热反应过程进行数值模拟,对比了其中两种颗粒雷诺数条件(Re_(p)=200和Re_(p)=2000),并探讨其传热传质场协同原理.模拟结果表明:在整体上看,FCC堆积方式的整体换热和反应速率最大,在流动方向上对温度降低的影响最为显著,且流动速度对温度分布的影响相对较小,SCC结构则刚好相反.针对气固反应,BCC堆积方式的整体传热、传质场协同数最大,当Re_(p)=2000时,平均值分别在130和260.在空气流动方向上,场协同数(传热/传质)、颗粒表面对流换热系数和反应速率呈周期性振荡,且在传热和传质场协同数较大的区域,其颗粒表面对流换热系数和反应速率也较大.

关键词：竖炉颗粒堆积协同强化气固换热数值模拟

综合能源生产单元的全生命周期碳足迹评价与技术经济性评估

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中国电机工程学报 2024年第8期44卷 3115-3124,I0015页

作者：余潜跃张玉琼赵强孙立大型发电装备安全运行与智能测控国家工程研究中心(东南大学能源与环境学院) 江苏省南京市210096 中国电力科学研究院有限公司北京市海淀区100192

综合能源生产单元(integrated energy production unit,IEPU)通过耦合可再生能源制氢与火电碳捕集技术,制备易于储运的绿色燃料,在协调解决可再生能源消纳、碳利用及氢能储运等问题方面具有良好的应用前景。为定量评价IEPU的技术经济性... 详细信息

综合能源生产单元(integrated energy production unit,IEPU)通过耦合可再生能源制氢与火电碳捕集技术,制备易于储运的绿色燃料,在协调解决可再生能源消纳、碳利用及氢能储运等问题方面具有良好的应用前景。为定量评价IEPU的技术经济性与降碳潜力,该文通过构建IEPU工艺流程的仿真模型,模拟风电制氢、甲醇合成及压缩提纯等关键过程,建立多能流与物料流数据的全生命周期清单,进行碳足迹评价,并指出进一步碳减排的可行路径;通过对能量效率、电流密度等技术参数及风电价格、碳税等经济参数进行灵敏度分析,开展不同技术经济性背景下的经济性评估,探究IEPU的盈利条件。碳足迹评价表明,年产39万t绿色甲醇IEPU的全生命周期净碳减排量达5.88万t。技术经济性评估表明,在良好的技术经济性背景下,当风电售价降低至0.21元/(kW×h),基于IEPU生产的绿色甲醇成本可与传统甲醇生产工艺相当。

关键词：综合能源生产单元碳捕集与利用绿色燃料全生命周期评估技术经济性评估

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基于自适应RBF神经网络具有模型不确定性的四旋翼无人机指定时间预设性能控制方法

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农业机械学报 2024年第4期55卷 64-73页

作者：张园郑鸿基刘海涛韦丽娇沈德战赵振华中国热带农业科学院农业机械研究所湛江524091 广东省农业类颗粒体精量排控工程技术研究中心湛江524000 广东海洋大学机械工程学院湛江524091 湛江市类颗粒体动力学及精准精量排控重点实验室湛江524091 农业农村部热带作物农业装备重点实验室湛江524091

四旋翼无人机具有强耦合和欠驱动的特点,在飞行过程中很容易受到外界干扰,进而影响整个无人机系统的稳定性和精度。为此,提出了一种基于RBF神经网络的指定时间预设性能约束控制策略。首先,针对四旋翼无人机的不确定数学模型难以精确建立... 详细信息

四旋翼无人机具有强耦合和欠驱动的特点,在飞行过程中很容易受到外界干扰,进而影响整个无人机系统的稳定性和精度。为此,提出了一种基于RBF神经网络的指定时间预设性能约束控制策略。首先,针对四旋翼无人机的不确定数学模型难以精确建立,并且在执行任务过程中存在外部未知扰动问题,提出了一种基于指定时间预设性能控制方法,将四旋翼无人机的轨迹跟踪问题转换为对位置子系统和姿态子系统的期望指令跟踪问题;其次,在设计控制器过程中,为了解决“微分爆炸”问题产生的滤波器误差,引入一种新型滤波误差补偿方法,通过RBF神经网络逼近外部未知扰动,并将预测结果补偿给控制器以提高轨迹跟踪的鲁棒性。最后,应用仿真模拟方法验证无人机控制系统稳定性和性能优势,通过飞行试验验证,微风聚拢环境下实际飞行轨迹与仿真模拟结果趋于一致,自主轨迹跟踪起降位置偏差小于1 cm,证明了所提出算法的有效性。

关键词：四旋翼无人机 RBF神经网络轨迹跟踪控制预设性能约束模型不确定性

长江流域洞庭湖区出入湖磷通量模拟及水质预测：机器学习与传统水文模型耦合方法

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地球科学 2024年

作者：刘杰陈前许妍查悉妮张美一辛小康唐文忠张洪中国科学院生态环境研究中心环境水质学国家重点实验室东南大学土木工程学院上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司长江水资源保护科学研究所中国科学院大学

磷通量的波动对出入湖河流生态系统的稳定有直接影响。在水质波动显著的洞庭湖区，使用SWAT模型模拟该区域的出入湖磷通量，并分析各水系区间的磷滞留情况。基于水文物理过程搭建耦合模型，再利用SWAT模型的模拟结果进行训练，并利用该... 详细信息

磷通量的波动对出入湖河流生态系统的稳定有直接影响。在水质波动显著的洞庭湖区，使用SWAT模型模拟该区域的出入湖磷通量，并分析各水系区间的磷滞留情况。基于水文物理过程搭建耦合模型，再利用SWAT模型的模拟结果进行训练，并利用该模型对湖区近期水质进行情景预测。结果表明：洞庭湖区出入湖磷通量均呈明显的季节变化，其中无机磷是主要的磷形态。2012～2021年洞庭湖区平均TP入湖通量为2.94×104t/a，平均出湖TP通量为3.34×104t/a，平均出湖TP浓度为0.13mg/L。其中，三口区间做作为入湖磷通量贡献最大的区间，其TP输出浓度也最高，是污染治理的关键区域。洞庭湖区TP滞留率较低，使其长江下游重要的TP来源。耦合模型对于洞庭湖区的出入磷通量的输出过程模拟效果良好，NSE值均>0.8，在RPE值处于10%水平下的RMSE值均较低，实现了LSTM网络替代大型分布式物理模型的仿真建模。基于上述模型根据《洞庭湖水环境综合治理规划》对洞庭湖近期TP输出浓度进行了预测，在各区间入湖TP浓度控制在0.1mg/L的情景下，能够实现湖区水环境规划目标。

关键词：出入湖磷通量耦合模型机器学习磷滞留水质预测洞庭湖区

基于模糊认知图的高铁企业国际声誉形成机制仿真分析

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系统管理学报 2024年第2期33卷 536-546页

作者：牛衍亮李思远汪钏孙博罗岚邓小鹏石家庄铁道大学管理学院石家庄050043 国家铁路局装备技术中心北京100070 南昌大学工程建设学院南昌330031 东南大学土木工程学院南京211189

为探究高铁企业国际声誉形成机制的动态演化过程,采用一种结合了结构方程模型和模糊认知图的方法进行仿真分析。预测分析结果表明:宏观因素、企业能力和被感知的能力均与国际声誉呈正相关,与国际声誉之间的相关性大小排序为宏观因素>企... 详细信息

为探究高铁企业国际声誉形成机制的动态演化过程,采用一种结合了结构方程模型和模糊认知图的方法进行仿真分析。预测分析结果表明:宏观因素、企业能力和被感知的能力均与国际声誉呈正相关,与国际声誉之间的相关性大小排序为宏观因素>企业能力>被感知的能力。诊断分析结果表明:宏观因素是引起国际声誉变化的最根本原因。混合分析结果证明了以宏观因素为核心采取综合干预措施,对国际声誉的提升效果最好。基于分析结果,提出了高铁企业提升国际声誉的对策。这种混合方法模拟了因素间的动态交互作用,并在不同假设情景下进行仿真分析,揭示了高铁企业国际声誉形成机制的动态演化过程。研究结果有助于拓展国际声誉形成机制的知识体系,也可为高铁企业采取针对性策略提升国际声誉提供实践参考。

关键词：仿真分析高铁企业国际声誉形成机制模糊认知图

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快速流化床颗粒团絮的识别和表征研究

工程热物理学报 2018年第4期39卷 800-805页

作者：孙子文陈岱琳钟文琪余艾冰东南大学能源与环境学院能源热转换及其过程测控教育部重点实验室南京210096 东南大学-蒙纳士大学联合研究院颗粒系统模拟与仿真中心苏州215323 澳大利亚蒙纳士大学化学工程系

本文针对内径D=0.1m、高H=3 m的三维可视快速流化床上升管,建立了图像采集及处理系统,对平均粒径d_s=0.25 mm的石英砂(颗粒密度ρ_p=2650 kg/m^3,堆积密度ρ_(pa)=1590 kg/m^3)在颗粒循环量G_s=40～70 kg/(m^2s),流化风速U_g=4.35 m/s... 详细信息

本文针对内径D=0.1m、高H=3 m的三维可视快速流化床上升管,建立了图像采集及处理系统,对平均粒径d_s=0.25 mm的石英砂(颗粒密度ρ_p=2650 kg/m^3,堆积密度ρ_(pa)=1590 kg/m^3)在颗粒循环量G_s=40～70 kg/(m^2s),流化风速U_g=4.35 m/s下形成的颗粒团絮进行了研究,提出了一套针对三维快速流化床近壁面颗粒团絮的识别和表征方法并优化了计算参数。结果表明,该方法能够准确识别不同类型("U"形、倒"U"形、条形)的颗粒团絮;颗粒团絮的尺寸随上升管高度增加和固体循环通过减小而增大,颗粒团絮数量随上升管高度增加和固体循环通量减小而减少;随固体循环通量变化,"U"形和倒"U"形的颗粒团絮下落速度的平均值均为1 m/s左右。

关键词：气固两相流快速流化床颗粒团絮

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基于巴西果效应的颗粒床振动再生研究

过程工程学报 2022年第8期22卷 1085-1093页

作者：王建宏莫晓燕张会其詹敏述北京石油化工学院环境工程系北京102617 东南大学-蒙纳士大学联合研究院颗粒体系仿真模拟中心江苏苏州215123

为了探索一种低成本的、环境友好的颗粒床含尘滤料再生方式,采用垂直振动后拍照的方法,研究了滤料/粉尘的平均粒径比、体积比以及振动频率、加速度、振幅等对基于巴西果效应的滤料/粉尘的垂直振动分离的影响。结果表明,矿渣/滑石粉、矿... 详细信息

为了探索一种低成本的、环境友好的颗粒床含尘滤料再生方式,采用垂直振动后拍照的方法,研究了滤料/粉尘的平均粒径比、体积比以及振动频率、加速度、振幅等对基于巴西果效应的滤料/粉尘的垂直振动分离的影响。结果表明,矿渣/滑石粉、矿渣/粉煤灰的平均粒径比不低于75,石英砂/滑石粉、石英砂/粉煤灰的平均粒径比分别不低于65, 15.3时,能形成巴西果。在20~100 Hz的振动频率下,矿渣/粉尘的振动加速度和振幅超过临界值时,矿渣/粉尘将从混合态转变为巴西果态。矿渣/粉尘体系形成巴西果的最优振动频率是45 Hz,该频率不受矿渣粒径、粉尘种类和矿渣/粉尘体积比的影响。矿渣粒径越大、矿渣/滑石粉的体积比越大,矿渣/滑石粉分离越容易,矿渣/滑石粉比矿渣/粉煤灰体系更易形成巴西果。在45 Hz的最优频率下,矿渣/滑石粉和矿渣/粉煤灰分别在1.01和1.36 mm的较低振幅下,可实现垂直振动分离。采用基于巴西果效应的垂直振动方式分离颗粒床中含尘滤料是可行的,该分离方式有利于滤料的重复利用和提高颗粒床捕集细小粉尘粒子的能力,是一种具有应用前景的颗粒床滤料再生方式。

关键词：颗粒床粉尘巴西果平均粒径比振动频率