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关键词： 可逆冷轧机   二级系统   轧制规程   数学模型   数据库  

摘要： 对于冷轧生产过程中的自动化进程,轧机过程控制系统(二级系统)在利用计算机控制的前提下,将一些反映轧制过程变化、参与轧制生产过程的数学控制模型融合到系统当中,科学合理地参与到轧制生产过程的干预与控制任务之中,可提升冷轧生产过程的自动化水平,提高冷轧带钢的生产效率与产品质量。本文根据六辊可逆冷轧机的工作特点以及冷轧现场实际生产需求,利用.NET Core(WPF)软件开发框架对六辊可逆冷轧机二级系统进行了开发与实现,并按照客户机/服务器模式(Client/Server)将二级系统设计为服务器端与客户机端两部分。在系统服务器端程序中,利用TCP协议、解析S7协议等通讯方式对二级系统数据通讯模块进行设计,并对二级系统中的数据采集与处理、轧制规程设定与计算、模型计算与优化等功能进行设计与实现。同时,在系统客户机端程序中对二级系统相关的人机交互界面进行设计,主要包括生产过程实时监控界面、生产计划数据管理界面、轧辊数据管理界面、产出实绩数据管理界面、轧制规程设定与计算界面、数据报表管理界面以及其它辅助功能界面。根据冷轧工艺流程以及六辊可逆冷轧机的生产过程,本文针对二级系统中的核心功能——轧制规程设定计算进行了详细地分析与设计,主要包括该功能的组成结构、分配算法、相关数据以及调用逻辑等部分。同时,对二级系统所涉及的轧制力、摩擦系数、变形抗力、张力等相关数学模型进行了深入地研究与计算,建立了模型参数数据库,并利用传统数学模型、机器学习算法等方式对轧制力预测进行了研究,有效地提高了轧制力预测的精度,实现了轧制规程的负荷分配计算。通过现场实际应用表明,本文设计的六辊可逆冷轧机二级系统运行稳定可靠,实时性高且运算速度快,已基本满足冷轧现场实际生产需求。

关键词： 优化调度   闸门及泵站切换   动态规划法   数学模型   引黄调水  

摘要： 德州市水资源短缺,为了解决中心城区的缺水问题,建设了由潘庄灌区的引黄总干渠向马颊河引水,经马颊河左岸处的辛店闸引水至沟盘河水库的引黄调水工程,该工程对保证德州市中心城区供水安全具有举足轻重的作用。然而,调水工程在春灌时期农业和城市需水矛盾突出,另外潘庄闸引调黄河水时间有限,每年引水5～7次,每次引水时间约为30 d。因此,调水工程面临着如何在引水期间,高效将黄河水引入沟盘河水库调蓄的挑战。目前引黄调水线路中程官屯扬水站、芦家河扬水站处存在闸门自流与泵站提水之间相互切换的调水方式,闸门与泵站的切换形式多由工作人员依据调水监测经验进行操作。此种调水方式因不具有规律性与系统性,使得调水成本高且调水形式复杂,还需要相关人员在调水期长时间检测水位流量资料,容易造成调水效率低下的问题。整条调水线路因受到引黄闸开启时间的影响,须在引黄闸开启时段内才能完成调水过程,故如何在引黄闸限制时段内进行调水也需要考虑。本文结合德州市中心城区引黄线路现有的水文观测资料与工程组成结构,依据马颊河左岸处辛店闸、沙扬河河段、程官屯扬水站、九龙沟河段、芦家河扬水站至沟盘河水库为研究路线,以沟盘河水库每次调水的需水量为基础,分别建立以经济最优、调水效率最高为目标的目标函数,建立优化数学模型,并结合闸门与泵站前后的水位、流量、水量数据,利用动态规划法求解。经python语言计算优化结果,得到经济最优调水方案、调水最快优化方案。再依据两个优化方案的计算原理,将经济效益与调水效率同时考虑在内,解得流量与水位相结合的闸门、泵站调控切换运行方式,解得调水快且经济优的优化方案集,经实例验证,可满足研究区域供水需求下的优化调水,为调水线路的高效运行提供参考。经对比未优化的经验型调水记录结果与三种优化计算方案,本文得到主要结论如下:优化方案计算结果结合了输水线路流量、水位、水量的计算,提出了闸泵一体的调节切换模式,在经验型调水方式的基础上改变了线路的输水状况。调水快且经济优的优化方案集与经济最优优化方案相比,调水时长缩短了约6%;与调水效率最高优化方案相比,在总运行费用上减少了约8%;与未经优化的调水结果相比,总调水时长缩短了约15%,总运行费用减少了约22%,属于两种优化模型相结合提出的优化方案集。沙扬河河段、九龙沟河段及沟盘河水库调水前的初始水位对整个调水过程的影响程度不同,沟盘河水库的初始水位变化是导致整条线路调水量变化的最大因素,影响整个调水过程中的闸门与泵站的开启的时长与总运行费用,相比之下,沙扬河河段与九龙沟河段初始水位变化对调水线路影响较小。经过两次结合经济优且调水效率高的计算方案进行研究区实际调水后对比发现,实际调水过程与优化方案计算结果相比,最大差异未超过20%,验证了经济优且调水效率高优化方案的可行性。

关键词： 液-气喷射器   数值模拟   吸气量   数学模型   流型  

摘要： 回路反应器是近年来被众多学者广泛研究的新型气液反应器,已应用于化工、生物、环保等众多领域。液-气喷射器是回路反应器的最重要组成部件,直接决定回路反应器的运行性能。本文以液-气喷射器为研究对象,首先搭建了一套液-气喷射器吸气量检测系统实验平台,利用不同喷嘴出口流速下吸气量实验数据验证了模拟模型的合理性。然后采用Fluent数值模拟的方法,探究了物性参数、操作参数对液-气喷射器吸气性能的影响,基于伯努利方程,建立了物性参数、操作参数与吸气量之间的数学模型。结果显示,吸气量和气液比与液体密度、压差成正比,与液体黏度、气体密度、气体黏度成反比;吸气量与喷嘴出口流速成正比,而气液比与喷嘴出口流速无关;操作压力对吸气量、气液比均不影响。其次以吸气量最大为目标,采用响应曲面法对结构参数进行了优化,结果显示,当液-气喷射器的混合段长径比为0、混合段直径比为2.50、喉长比为4、扩散段直径比为2.0、扩散段长径比为14时,吸气量和气液比取得最大值。最后通过对液-气喷射器压力云图、速度云图和体积分数云图分析,明晰了液相卷吸气相的形成机理。结果显示,气体流速和流通面积共同决定了液-气喷射器的吸气量,气体流通面积由混合段与喷嘴的面积差决定,气体流速由液体流速、压差和混合段结构参数共同决定。采用高速动态的手段,探究了不同气液比条件下液-气喷射器混合段和扩散段内部流型的转变特性,并在此基础上绘制了混合段和扩散段的流型图。结果显示,当气液比较小时,混合段和扩散段均出现泡状流、雾状流;当气液比较大时,混合段出现环状流、分层流,扩散段出现环状流、块状流、分层流和搅混流。本文得到的吸气量数学模型、优化的结构参数、混合段和扩散段的流型图等结论对液-气喷射器的设计理论及工程应用起到了一定指导作用。

关键词： 仿生象鼻   气动连续体机器人   软体机器人   数学模型   有限元仿真及实验  

摘要： 象鼻是一种由肌肉组成的连续体机构,具有旋转、伸缩、扭转等多种复杂而灵活的运动能力,对于仿生学和软体机器人的研究具有重要的意义和价值。本文基于象鼻的运动特性,设计构建了一种基于褶皱驱动器的仿生象鼻模块化机器人。本文研究内容包括:(1)结构设计:分析了象鼻的运动机理和自由度分布,将象鼻简化为若干个模块,每个模块具有四个自由度:两个方向的旋转、轴向方向的伸缩和周向方向的扭转。本文设计了仿生象鼻机器人的结构和驱动方式,选用褶皱驱动器作为基本执行单元,利用其结构实现单向伸缩运动,从而实现单个模块四自由度运动。满足连续体机器人的需求。(2)模型建立:建立了仿生象鼻机器人的运动学和静力学模型,采用Yeoh超弹性模型描述褶皱驱动器的变形特性,推导了单个褶皱驱动器、单个模块和整个机器人的运动学和静力学方程,并通过有限元仿真验证了模型的正确性和可行性。(3)控制系统:设计了仿生象鼻机器人的控制系统,采用大林纯滞后算法和改进的单神经元自适应PID控制算法组成控制策略。大林纯滞后算法能够抵消超弹性材料和控制时延造成的滞后效应,通过响应实验得到不同情况下的时延值,避免了对滞后模型进行训练,提高了控制效率。单神经元自适应PID控制算法能够自动调节PID参数,增加了控制精度和鲁棒性。在控制系统中加入不完全微分项,增强了抗干扰能力,适合软体机器人的控制需求。并对机器人的硬件部分进行了介绍,并介绍了控制策略。(4)实验验证:介绍了仿生象鼻机器人在搭建的实验平台上进行的多种实验。除了验证四个自由度运动外,还测试了不同环境下的运动特性,如水下密封性、温度和大气压对运动影响等,为仿生象鼻机器人建立更准确的模型和控制提供了数据支持。实验结果表明,仿生象鼻机器人能够实现与象鼻相似的运动能力和灵活性,能够适应不同的环境条件,展示了良好的应用前景。本文还对实验结果进行了误差分析,讨论了误差来源和影响因素,为进一步提高仿生象鼻机器人的性能提供了指导。最后,对本文的工作进行了总结,并展望了未来的研究方向。

关键词： 职前数学教师   负负得正   数学模型   理解水平  

摘要： 调查职前数学教师对“负负得正”模型的理解水平，结果发现：细胞、相反数、向后转模型是职前数学教师能较好理解的模型；职前数学教师对常见现实情境、符号含义单一的模型理解较好，对基于算法的模型的理解水平要好过基于算理的模型，数学素养存在提升空间.职前数学教师、在职数学教师和学生在相反数模型上存在一致性.基于调查结果提出“负负得正”教学建议：注重现实情境模型与“说理”相结合，使用多样化的模型，不拘泥于教材.

关键词： 无取向硅钢   夹杂物   渣钢界面   运动规律   水模型   数学模型  

摘要： 高牌号无取向硅钢是重要的军事、民用软磁材料,其成分具有高Si、高Al的特点。主要用于新能源汽车的电机生产,新能源汽车的发展是我国的发展战略之一,对节能减排、实现“双碳”目标有着重要意义。某厂为提高无取向硅钢的生产节奏,缩短了RH处理时间、提高了连铸拉速,但随之带来了钢液洁净度下降的问题,并在无取向硅钢热轧板中发现有长度达50μm左右的团簇状镁铝尖晶石夹杂物,严重影响了后续加工过程的产品质量。为此,本文通过对BOF→RH→中间包→铸坯进行取样分析和热力学计算,研究其冶炼流程中夹杂物的演变规律。采用扫描电子显微镜和能谱仪(SEM-EDS)对夹杂物的形貌、成分和尺寸进行分析;通过热力学计算了镁铝尖晶石夹杂物的生成条件,使用热力学计算软件PANDAT计算了该钢种凝固过程析出相变化规律。同时,为了探究夹杂物在渣钢界面运动行为规律,建立了静态和动态两种条件下的水模型实验,用硅油模拟渣,PP和AlO粒子模拟夹杂物,通过改变油的黏度、粒子的直径来探究影响夹杂物在渣钢界面运动规律的因素。在水模型的基础上,建立夹杂物在渣钢界面上浮运动行为的数学模型,将水模型参数代入数学模型进行计算,并将水模型和数学模型结果进行对比验证。明确提高夹杂物在渣钢界面的去除效果的方法,以提高钢液的洁净度,为生产实际提供理论指导。本文得出以下主要结论:(1)本文研究的无取向硅钢在RH加Al处理3min后生成单颗粒或团簇状AlO夹杂物,存在单相Si O和含Si O的复合夹杂物;RH合金化后,出现含Mn S的复合夹杂物;RH脱硫后,出现Ca O、Ca S和AlO或AlO-Mg O形成的复合夹杂物;RH破空后,几乎不存在单相AlO夹杂物,主要残余的夹杂物为AlO-Mg O、AlO-Mg O-Ca S、AlO-Mg O-Mn S等复合夹杂物,且Ca S、Mn S通常包裹在AlO-Mg O边缘,Mg O的含量保持在25%左右。中间包和铸坯中,除上述夹杂物外,随着温度的降低,先后析出Al N和Mn S夹杂物。夹杂物的平均尺寸最终稳定在5μm左右。(2)水模型结果表明:水油界面静止时,硅油黏度为0.048Pa·s时,两种容器中粒子的直径对最终无量纲位移的影响均较小,对终端速度影响均较大,粒子的直径越大,粒子的终端速度越大。当黏度增加到0.096Pa·s,两种容器中粒子直径对最终无量纲位移的影响均变大,且粒子直径越大,粒子的最终无量纲位移越大,相同实验条件下两种容器中粒子的终端速度均没有较大变化;长方体容器中粒子的最终无量纲位移均小于圆柱形容器中,且硅油黏度越大,差距越大。粒子的终端速度略小于圆柱形容器中,粒子密度越小,差距越大。粒子上浮距离对粒子的运动并没有影响。(3)水油界面流动时,水油界面附近存在速度渐变区域,粒子在上浮过程中经过该区域会被加速,该区域的宽度随硅油黏度的增大而增大;在本文使用的两种硅油黏度条件下,速度渐变区域的水流的最大、最小流速保持不变;硅油黏度为0.096Pa·s时,流动的水油界面可以提高粒子的最终无量纲位移。硅油黏度为0.048Pa·s时,流动的水油界面可以提高粒子的终端速度;硅油黏度的增加,粒子的垂直方向的终端速度和无量纲位移依然降低,但降低幅度减小。(4)就粒子种类而言,与水油界面的润湿性越好,粒子上浮的最终垂直方向无量纲位移越大;就粒子直径而言,粒子直径越大,粒子上浮的终端速度和最终垂直方向的无量纲位移也越大;就硅油黏度而言,硅油黏度越大,粒子上浮的终端速度和最终垂直方向的无量纲位移越小;就两种水油界面的状态而言,流动的水油界面提高了粒子的上浮终端速度,且硅油黏度为0.096Pa·s时,也增大了最终垂直方向的无量纲位移。

关键词： 烟气循环烧结   数学模型   燃烧动力学   数值模拟  

摘要： 我国钢铁行业的能源消耗巨大,尤其烧结过程存在着能耗高、污染排放量大等问题,在碳达峰、碳中和的背景下,这些问题已经制约了钢铁产业的绿色低碳发展,针对烧结中各流程的节能降耗成为研究钢铁行业的一项重要任务。因此,本文着眼于不同烧结工艺过程中固体燃料燃烧特性进行反应动力学分析,对比分析常规烧结和烟气循环烧结的差异,研究得到:（1）通过研究焦炭和煤粉在空气气氛（79%N2+21%O2）和不同氧气含量（20%、19%、18%）的烟气循环气氛下的燃烧特性可知,随着O2含量的降低,着火点滞后,剧烈燃烧区域向高温区偏移,失重峰降低。当燃烧过程中有Fe2O3参与时,剧烈燃烧区域变窄,燃烬温度平均降低接近15K,Fe2O3对燃烧过程起到了助燃效果,有效缩短了燃料燃烧时间。（2）通过对常规气氛和不同烟气循环气氛下的燃料燃烧反应速率和转化率分析,随机孔模型能够准确反映烧结燃料燃烧特性,模型的相关系数值在0.994～1,符合燃料燃烧行为。（3）通过对常规烧结过程的计算模拟发现,常规烧结中不断通入常温空气,料面发生强制对流换热,燃烧层自上而下迁移,靠近下部的料层由于存在自蓄热作用和焦炭燃烧的放热导致温度不断升高,料层极值温度超过1600K,处于高温区域的料层厚度增大。（4）烟气循环烧结时,烟气气体温度从373K升温至573K,各测量位置的料层最高温度显著提高,高温区域加宽,促进了燃料的完全燃烧,减少了热损,在本文研究条件下循环气体温度在473K时最合适,此时的料层中下层能达到1700K左右,完全满足过程中化学反应的完成。（5）烟气中O2含量从21%降至18%时,料层升温显著延迟,越接近料层底部,延迟表现越明显。由于O2含量在18%时,提高的循环烟气温度对燃烧过程带来的促进作用弱于O2降低对燃料燃烧带来的抑制作用,因此考虑烟气循环工艺O2含量应不低于18%。

关键词： 数学模型   案例分析   解题策略  

摘要： 紧扣恒等变形前后的代数式局部相等关系，可以建构方程模型解决问题.本文中以一道完全平方式问题为背景，介绍了用代数式恒等变形建模解题的过程，并给出了要重视基本概念的教学、突出对应关系的梳理、强化数学模型的认知的教学感悟.

关键词： 逆电渗析   废热   产氢   数学模型   醋酸钾  

摘要： 废热再利用是当前解决能源短缺的重要途径之一,建立和优化废热转换系统是学术界研究的热点问题。本课题组将逆电渗析(Reverse electrodialysis,RED)技术和气隙扩散蒸馏(Air-gap diffusion distillation,AGDD)耦合,提出了闭式逆电渗析法热-氢转换循环系统。该系统以AGDD单元和RED电堆为核心,通过多级串联构建出溶液分离子系统和制氢子系统,提高了系统性能,并增加辅助部件使系统具有储能和调峰能力。其工作过程为:首先在AGDD中利用低品位废热将盐溶液蒸馏分离为浓、稀两股,再通过RED中可控的溶液掺混过程在电堆内部形成电势差,从而驱动电堆两端电极附近发生氧化还原反应,产生氢气和氧气。废液通过溶液罐收集起来,通入AGDD重新分离再生。 在完成系统构建的基础上,本文选取KAc水溶液作为新型工作介质,构建出第一个完整的AGDD–RED闭式热–氢转换系统数学模型。该模型确立了直接制氢、简单间接制氢、带中间储能的间接制氢三种制氢方案,以及电堆内溶液的顺流和逆流两种运行方式,旨在寻求更多样化、高效的能量转换方案。 阴、阳离子交换膜是RED电堆中关键部件之一,由于其在新型工质中的性能参数尚未明晰,为提高数学模型的准确性和实用性,本文通过实验测定了不同浓度工作溶液中膜的选择性透过系数和膜面电阻这两个关键参数。结果表明,选择性透过系数随浓度的增大而逐渐减小,而膜面电阻随浓度的增大而先急剧减小后基本维持稳定。 本文最终目的是探究闭式逆电渗析法热-氢转换系统的循环基础特性。工作溶液是循环系统的“血液”。针对影响系统输出特性和能效水平的工作溶液特性,使用单因素变量法,利用所建数学模型研究了工作溶液的浓度、温度、流速和流动方式等特性的影响,并在此基础上对工作溶液运行参数的选取优化提出了合理的建议。 由于系统能量转换过程还受到系统结构参数和运行条件的约束,本文进一步计算分析了系统中RED电堆流道长度和厚度,AGDD单元气隙高度和厚度,以及直接制氢和间接制氢方式对系统性能的影响,为样机优化设计与运行参数匹配奠定基础。本文得到的最高热–氢转换效率为0.96%,为废热的转换和储存提供了一种可行的方式。

关键词： 直燃烟气   硅胶干燥   干燥特性   数学模型   仿真  

摘要： 二氧化硅气凝胶(硅胶)作为一种高活性多孔材料,具有化学性质稳定、吸附性能高、热稳定性好、较高的机械强度等多方面的优点,但其制备和干燥过程属于一个高耗能作业。硅胶作为一种高耗能产品,其大规模生产过程中需要有一种稳定且简单的干燥过程来满足生产需要。为了实现企业的节能型发展的良性循环,响应国家节能减碳的要求,需要对现有燃煤产生蒸汽的硅胶干燥系统进行改造。本文通过对硅胶热风干燥特性下的实验研究,提出一种直燃烟气硅胶干燥方案,利用COMSOL对网带内干燥过程进行模拟,分析提出改造方案的合理性。(1)基于硅胶干燥过程的动力学理论基础和热质传递理论,研究硅胶在热风干燥过程中的干燥特性规律,在含水率到达66%时进入第一降速干燥阶段,在含水率到达18%时进入第二降速干燥阶段;在初始干燥阶段,温度越高,初始干燥速率越慢,但其增长越快,衰减越慢;在第二降速阶段,较低的温度干燥速率较快;铺设厚度越大,需要的干燥时间越长,但干燥时间增加幅度随着厚度增加而越来越小。Jena Das模型可以准确描述硅胶在热风干燥过程中的干燥特性,拟合得出实验条件下的数学模型。实验研究热风干燥过程中硅胶的温度变化规律,发现铺设厚度较高时,硅胶内部温度梯度大,硅胶中心测点温度进入热风场后上升至60℃～80℃后基本稳定,外围测点温度与时间有着线性关系。(2)基于硅胶的热风干燥特性和温度变化规律,提出一种直燃烟气硅胶干燥系统,并设计计算出完整的运行工况参数及设备基本参数,为实际应用提供技术参数支撑。(3)利用COMSOL模拟仿真技术对干燥系统中的不同因素对干燥的影响进行仿真研究,并对设计中特定条件的干燥过程进行仿真,仿真结果显示外循环的有着更好的气流效果,且增加风速更快;风速越快,物料表面的水分蒸发越快;物料在热风场中的温度变化与实验测定结果相似;在设计的烟气状态参数下的单元干燥室干燥仿真,良好的仿真结果显示可实现预计干燥效果。(4)经过对实际系统的实验测定,直燃烟气硅胶干燥系统干燥效果良好,有着显著的节能效果和巨大的社会效益。该系统为以燃煤蒸汽为热源的干燥系统改造提供了一种方案选择。