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关键词： 有机工质堆   堆芯概念设计   物理特性   热工特性   耦合计算  

摘要： 近年来,全球温室效应加剧,为应对气候变化,中国提出了“碳达峰,碳中和”战略目标,其中,核能作为重要的清洁能源,在未来有望得到进一步发展。目前世界范围内核能利用的主要方式为压水堆,以轻水为冷却剂和慢化剂。有机工质堆是指利用有机工质（如多联苯等）作为冷却剂（兼慢化剂）的核反应堆概念。有机工质作为冷却剂相比轻水有一系列优点,包括沸点高,蒸汽压低,可实现反应堆高温低压运行;材料兼容性好,能够避免一回路系统结构材料腐蚀;活性低,能够降低反应堆生物屏蔽要求等。目前,我国对于有机工质堆的研究较少,本文提出了一种有机工质堆堆芯的概念设计,并据此开展有机工质堆堆芯物理热工特性的研究,为后续有机工质堆的优化设计提供参考。本文选用邻-三联苯、氢化三联苯混合物HB-40作为有机工质堆的冷却剂。HB-40在堆内快中子和伽马射线的作用下会发生分解,产生气体和高分子聚合物,针对该问题,本文对传统燃料元件进行优化,加设石墨包壳以提高中子慢化水平,减轻对HB-40的辐射损伤。HB-40的热导率较低,比热容较小,针对该问题,本文采用导热性能更好的碳化铀作为燃料。通过计算在冷态零功率状态下使堆芯的kinf达到最大值的最佳慢化剂燃料体积比确定堆芯栅元参数。整体的堆芯包含37个燃料组件,按富集度分三区布置,由内向外富集度分别为1.95 w/o,2.75 w/o,4.25 w/o。每个燃料组件采用17×17布局,并设置控制棒束及可燃毒物棒束以控制反应性,同时展平功率分布。针对寿期初,热态满功率,无控制棒插入,无氙毒状态下的堆芯,本文首先采用蒙特卡洛程序MCNP建立堆芯物理模型并进行物理特性分析,计算了堆芯中子能谱,中子通量密度分布,功率密度分布以及反应性系数,同时分析了若堆芯布置Zr H1.6作慢化剂及反射材料时对堆芯的影响。然后,基于单通道模型,采用多物理场仿真软件COMSOL建立堆芯的热工模型并进行热工特性分析,通过对平均管通道及热管通道展开热工计算,获得了燃料芯块的平均温度和最高温度,包壳的平均温度和最高温度,冷却剂的平均温度和密度等参数,并计算了堆芯最小偏离泡核沸腾比。最后,通过网格映射和数据传输,在上述模型基础上开展物理热工耦合计算,结果表明采用物理热工耦合计算有利于减小有机工质堆堆芯设计的保守裕量,提高经济性。

关键词： Ti3Al   超声微锻   数学模型   晶粒   相变  

摘要： Ti3Al金属间化合物作为一种轻质耐高温的合金材料,因其具有高的比强度、比弹性模量,以及良好的抗氧化、抗蠕变性能,优良的高温强度、刚度等优越性能而备受的关注,是最有希望替代钛合金和镍基高温合金的轻质新型材料之一。但是由于其本征脆性,适用于该材料的精密加工效率低,成本高,众多学者将目光转移到激光增材制造Ti3Al粉末的研究上,然而激光增材制造存在着巨大的温度梯度,在熔覆层位置存在着粗大的树枝状晶粒且具有较大的各向异性,极易产生残余拉应力,甚至在工件表面和内部产生裂纹、气孔等缺陷。超声振动具有独特的加工优势,如有效减小变形抗力和获得优异加工表面质量,因此本文利用超声波微锻的加工方法来提高表面质量和减少表层缺陷,以此获得熔覆层微观组织和物理性能的演变规律。根据Hertz接触理论,参考超声微锻加工过程,建立其超声微锻加工的应力-应变和锻打力数学模型,分析超声微锻前后熔覆层微观组织的差异,和显微硬度的变化,获得超声锻打参数对宏观尺寸、微观形貌、金相组织和显微硬度的影响规律。主要结论如下:（1）根据Hertz接触理论,参考超声微锻加工过程,建立基于超声微锻加工的应力-应变和锻打力数学模型,发现一部分载荷为初始气压施加的压力分布在熔覆层顶部,与熔覆层的曲率半径R和变形区厚度h成非线性相关;另一部分属于超声作用下的等效载荷,与超声振幅成线性相关,与频率成二次相关。综合分析可以得出在超声作用下,锻打头对熔覆层的冲击力更大,随着锻打力的增加,变形区增大,应力应变也更明显。（2）根据超声空化效应动力学方程和超声微锻作用等效力方程建立数学模型,发现空化气泡的半径R0与超声的频率、振幅密切相关;超声的等效载荷越大,熔体中的空化气泡变多,也越密集。随着振幅、频率因素的增大,产生的空化效应越明显,金属熔体内的晶粒细化也越明显。（3）相对于超声锻打前,熔覆层接触角θ随着超声锻打工艺和超声振幅而呈现增大趋势,说明在超声微锻作用下,熔覆层顶部的变形量相比未加超声的情况下增大,这是由于超声锻打使熔覆层顶部发生了塑性变形,相比普通锻打其塑性变形量更大;且在振幅因素下熔覆层顶部的显微硬度提升18.4%,中部可以提升22.8%,底部提升51.5%,在微锻时间因素下熔覆层顶部的显微硬度增加了15.8%,中部的显微硬度增加了4.7%,底部的显微硬度增加了29.1%,在超声微锻力因素下覆层顶部区域显微硬度反而降低15.6%,这是由于锻打力过大,熔覆层顶部遭到破坏导致其显微硬度降低;熔覆层中间区域显微硬度增大7.4%;熔覆层底部区域的显微硬度增大33%,且呈现先稳定后上升的趋势,这是由于随着超声作用深度的增大熔覆层底部区域也得到了相应的强化。（4）随着超声振幅的增大,粗大枝状α2相含量变少,针状α2相含量增多且密集,原因在于超声作用下高频的机械冲击使得材料内部发生微变形,且随着超声振幅的增大,微变形更加剧烈,导致材料内部晶粒滑移、晶界破碎,枝状α2相相变成针状α2相。

关键词： 刚柔混合结构机械臂   数学模型   轨迹规划   运动控制   外部扰动   扩张状态观测器  

摘要： 相较于传统刚性机械臂,轻质长臂具有运行速度快、能量消耗低、操控灵活等优点,已经在工业生产中被广泛应用。然而在面对大惯量负载时,轻质连杆的柔性作用被放大,导致其在运动过程中不可避免地产生高频柔性振动,严重影响了机械臂的控制性能。因此,建立精确的数学模型、设计可靠的控制算法,使轻质长臂具有更好的控制性能,具有重要的理论与应用价值。本文以某横向项目中使用的三自由度刚柔混合结构机械臂作为研究对象,对该机械臂的数学模型、轨迹规划与运动控制展开了研究。 首先,分析了刚柔混合结构机械臂的特殊结构,建立了数学模型。针对混合结构连杆建立了分段连杆模型,将刚柔混合结构机械臂运动学模型转化为一般柔性臂运动学模型;基于假设模态法和拉格朗日方程,推导得到了刚柔混合结构机械臂的动力学模型;对建立的动力学模型进行了仿真,验证了模型的准确性。 其次,为减少刚柔混合结构机械臂的柔性振动,设计了基于改进三次样条插值的轨迹规划算法。考虑到三次样条插值无法同时保证运动轨迹在一阶导数与二阶导数曲线上的平稳性,提出了基于摆线轨迹的改进三次样条插值算法;针对粒子群优化算法过早收敛的问题,提出了基于多段变异的局部粒子群优化算法;基于以上这两种改进算法,设计了刚柔混合结构机械臂的轨迹规划算法。仿真实验证明,改进算法得到的运动轨迹更平滑、产生的柔性振动更小。 然后,为了实现刚柔混合结构机械臂的运动控制,设计了基于奇异摄动模型的复合控制器。根据反步法思想设计了轨迹跟踪控制器,实现了参考轨迹的精确跟踪。为了抑制连杆末端的柔性振动,基于奇异摄动理论推导了奇异摄动模型,并根据解耦的慢、快子系统设计了机械臂的复合控制器。仿真实验证明,复合控制器可以在准确跟踪参考轨迹的同时抑制柔性连杆的振动。 最后,针对刚柔混合结构机械臂运行时存在的外部扰动与高频测量噪声问题,设计了基于改进扩张状态观测器的自适应滑模控制器,作为慢子系统的轨迹跟踪控制器。针对传统高增益观测器对高频测量噪声敏感的问题,设计了一种变增益扩张状态观测器,可以在保证估计性能的同时减小高频测量噪声的影响;针对传统滑模增益难以确定的问题,提出了一种变速增益自适应滑模控制器,通过改变增益的变化速度,提高了自适应滑模控制器的鲁棒性;结合这两种改进算法设计了轨迹跟踪控制器,并通过仿真实验证明了该控制器的有效性。

关键词： 倒立摆   数学模型   仿真模型   智能控制方法   控制性能评估  

摘要： 控制理论中的一个典型问题就是对倒立系统的稳定控制,迄今人们已经利用经典控制理论、现代控制理论以及各种智能控制理论实现了对倒立摆的稳定控制,极大地促进了控制理论的发展。倒立摆的稳定控制在实际中有很多应用,任何重心在上、支点在下的控制问题都和倒立摆的控制有很大的相似性,如海上钻井平台的稳定控制、卫星发射架的稳定控制、飞机安全着陆等。对倒立摆的稳定控制研究一直是控制领域的热门课题之一。本论文以一级倒立摆和二级倒立摆为研究对象,研究多种控制方法在倒立摆上的实现和改善控制性能。本文首先基于牛顿力学定律和拉格朗日方法建立了微分方程和状态空间方程形式的倒立摆数学模型;然后在Matlab软件平台中搭建了倒立摆的Simulink仿真模型和Simscape仿真模型;接着运用状态反馈控制、PID控制、模糊PID控制和基于DDPG智能体的强化学习等方法对倒立摆进行控制研究;最后对不同控制方法下的控制性能进行对比分析。本文的主要研究结果和创新点如下:(1)从倒立摆的数学模型和控制技术两大方面查阅了国内外相关文献,并进行综述;然后对本论文的相关基础知识进行了介绍,这些理论知识是建立倒立摆数学模型、对倒立摆进行控制仿真以及结果分析的理论依据,为本论文的研究内容和结果分析提供了重要的理论指导。(2)创建倒立摆的数学模型是控制器设计的基础。本文首先对一级和二级倒立摆的结构组成和参数进行了介绍,然后采用牛顿力学定律和拉格朗日方法建立了倒立摆的微分方程和状态空间方程,这些方程都是以作用于小车上的力为输入,以摆杆角度和小车位移为输出,以小车的位移和速度、摆杆的角位移和角速度为状态变量。接着在Matlab软件平台中搭建了倒立摆的Simulink仿真模型和Simscape仿真模型。其中对一、二级倒立摆本体创建了 Simscape仿真模型,及对包含驱动电机的一级倒立摆系统建立了仿真模型是本文的创新点,倒立摆的Simscape仿真模型比Simulink模型更直观,能动画演示倒立摆的运动过程。相对于一级倒立摆,二级倒立摆的数学模型更加复杂,多了二级摆杆角度和角速度两个状态变量,控制难度更大。(3)控制方法选用了 PID控制法、状态反馈控制法、模糊PID控制法和强化学习控制法。这四种控制方法都能使一级倒立摆本体(无驱动电机)稳定运行,前三种控制方法对摆杆的控制性能相同,其中角度超调量都为0.0086rad,调节时间都为4s;对小车的控制性能有差别,其中模糊PID控制下的小车位移超调量及稳态误差最小,状态反馈控制的小车位移超调量及稳态误差最大;强化学习方法下的摆杆角度超调量为0.0057rad,调节时间为3s,优于前三种控制方法,而小车位移稳态误差及调节时间均劣于前三种控制方法。有驱动电机时的倒立摆系统的控制性能变差,摆杆角度超调量更大,小车位移超调量及稳态误差大。本文的创新点在于使用了基于DDPG智能体的强化学习控制法在倒立摆上的应用。在对二级倒立摆本体(无驱动电机)的控制中,PID控制、状态反馈控制和模糊PID控制都能使二级倒立摆稳定,其中模糊PID控制的控制效果最好,调节时间最小,为4s,小车位移稳态误差最小,为0.019m,一级摆杆和二级摆杆的角度超调量分别为0.004rad和0.006rad;状态反馈控制的控制效果最差,小车位移超调量及稳态误差最大,一级摆杆角度超调量最大。

关键词： V型槽聚光器   CPV   数学模型   电功率   电效率  

摘要： 化石能源的大量使用虽然促进了世界工业的快速发展,但也产生了诸多能源和环境问题。为了改变当前能源应用现状,世界正在进行以可再生能源利用为主的第三次能源革命。光伏发电技术是可再生能源利用的一种主要形式,但实际应用中往往存在着太阳能光通量密度低、能量分散等问题,影响光伏发电系统的电性能。因此,本文设计了V型槽式聚光光伏发电系统,利用V型槽聚光器增大太阳能电池表面的辐射强度,提高光伏发电系统的输出功率。首先,本文分析了V型槽聚光器内部光线的反射路径,确定了V型槽聚光器的设计原则,推导出了不同情况下V型槽聚光器的设计计算公式。然后,设计并搭建了V型槽式聚光光伏发电系统（单晶硅、多晶硅）和平板式光伏发电系统（单晶硅、多晶硅）,以分析不同电池材料和有无聚光器对光伏发电系统电性能的影响,并对4套光伏发电系统进行实验测试,选取典型工况日的实验数据进行研究分析。最后,建立了V型槽式聚光光伏发电系统的数学模型,该模型由太阳辐射数学模型和光伏发电系统各组件的能量平衡方程构成,利用典型工况日的实验数据对该数学模型进行了可靠性验证,利用验证后的数学模型对V型槽式聚光光伏发电系统进行了不同工况下的性能模拟和优化分析。主要研究结果如下:（1）相较于平板式光伏发电系统,V型槽式聚光光伏发电系统的平均电功率最高可提升43.65%,并且在同等环境条件下,聚光光伏发电系统（单晶硅）的平均电功率和电效率均高于聚光光伏发电系统（多晶硅）。（2）相对于平板式光伏发电系统,聚光光伏发电系统中太阳能电池组件的温度并没有大幅升高。因为V型槽两侧反射器在聚光的同时,还作为太阳能电池组件的肋片增大了散热面积,降低了太阳能电池组件的温度。（3）V型槽式聚光光伏发电系统数学模型计算的模拟值和实验值之间的偏差为-11.41%～10.32%,该偏差在±15%的合理范围内,数学模型较为精准,可以用于V型槽式聚光光伏发电系统的性能模拟与优化。（4）随着聚光器反射率、风速、辐射强度和太阳能电池覆盖率等的增大,V型槽式聚光光伏发电系统的电功率和电效率都会提高;随着室外温度的升高,系统的电功率和电效率都下降;V型槽式聚光光伏发电系统的最佳光伏板倾角为37°,聚光器的最佳槽角为25°。

关键词： 应用举隅   数学模型  

摘要： 在日常教学中，一些教师总有这样的疑问：近阶段采取的教学措施是否取得了效果？对于学生学习情况掌握不清，成了许多一线教师的心病。那么，如何才能对学生的学习情况有正确的把握？对此，笔者对于“增值评价模型”展开了研究，即通过各种模型进行先预测，再比对。以“推进教育数字化战略，

关键词： 分子构型   思维模型   概念模型   实物模型   数学模型  

摘要： 在实施新课标以来，我们围绕着化学教学的核心素养，力争打造高效课堂。其中，学科素养中的“证据推理和模型认知”一直是我们不断深入探索的内容，化学教学中常常用“建模”“用模”的思想来指导学习，所谓建模就是“建立模型”，模型主要包括思维模型、概念模型、实物模型、数学模型等方面，在教学中熟练建立和应用这些模型可以让教学事半功倍。

关键词： 冰淇淋   甜味剂   填充剂   感官品质   物理特性  

摘要： 冰淇淋以其冰爽浸润、幼滑绵密的质感和醇正馥郁的甜香受到众多消费者的青睐,成为世界上销量最大的乳制品之一。然而,随着消费者的健康意识不断提高,冰淇淋的高含糖量也受到了很大的争议,随之对于减糖、代糖冰淇淋的需求日渐高涨。近年来,关于代糖冰淇淋的研究以利用传统甜味剂进行部分代糖为主,对于新型甜味剂的应用、蔗糖的全替代研究较少,欠缺对冰淇淋感官品质的全面研究,此外,目前关于减糖、代糖冰淇淋消费者感官认知和接受度的相关研究也非常有限。为了确定甜味剂种类和冰淇淋感官品质的控制要素,本研究对898名消费者进行问卷调查,结果表明,消费者对代糖食品应用的甜味剂种类以及产品的风味、口感尤为关注,对于冰淇淋而言,口感是驱动消费的关键因素。因此应该开发以天然甜味剂为原料,高度代糖、高度还原甜感和口感的代糖冰淇淋。基于此,本文首先通过消费者品尝测试确定冰淇淋的理想甜度及影响因素,进一步,以此理想甜度为目标,探究了不同填充剂和甜味剂对冰淇淋质构和风味的影响,并提供了参考的复配方案。主要的研究内容和结果如下: 首先,为了确定冰淇淋理想甜度,本研究设计了甜味水平分别为12%(质量分数,下同)蔗糖当量甜度(12%sucrose equivalent,12%SE)(全糖)、10%SE和8%SE(减糖)的由蔗糖提供甜味的冰淇淋样品(Sugar-only samples,SOSs),以及由麦芽糖醇代替4%蔗糖的三个对应甜度水平的代糖系列冰淇淋(Sugar-maltitol samples,SMSs)。155名冰淇淋消费者参与了该项研究,分别在盲测和知情(告知样品宣称信息:全糖vs.减糖vs.代糖)条件下采用理想轮廓法(IPM)对所有样品进行冰淇淋理想甜度的评测。结果发现,“全糖”和“代糖”宣称会使消费者感知甜度显著提升,而“减糖”宣称对感知甜度无影响。在对消费者的理想甜度数据进行分析时,发现盲测条件下10%SE更接近消费者理想点;而知情条件下,消费者对于甜度降低和质构变化的容忍度提高,理想甜度水平下降至8%SE。进一步,以甜味嗜好程度进行人群细分,得到低甜度喜好组(L-SLs,low sweetness likers)、高甜度喜好组(H-SLs,high sweetness likers)和非甜味喜好组(SDLs,sweetness dislikers)。在盲测条件下,L-SLs和H-SLs的理想产品分为10%SE甜度的代糖样品(SMS10)和12%SE甜度的全糖样品(SOS12),人数较少的SDLs理想产品聚集情况较差;在知情条件下,L-SLs和H-SLs的理想甜度水平均适度下降(下降约2%SE),SDLs得到的了稍为聚集的理想地图,SMS8为其理想的产品。综合考虑宣称及消费者甜味喜好表型的影响,发现10%SE的甜味水平始终距消费者理想点较接近,可作为全代糖冰淇淋的目标甜度水平。 基于以上研究结果,以10%蔗糖填充的冰淇淋样品(SUC)作为参照,采用冰淇淋中常用7种填充剂——山梨糖醇(SOR)、赤藓糖醇(ERY)、麦芽糖醇(MAL)、木糖醇(XYL)、抗性糊精(RD)、聚葡萄糖(PD)、麦芽糊精(MD)全部替代蔗糖制备冰淇淋样品,测定其感官质构轮廓和物理特性。定量描述性分析(Quantitative descriptive analysis,QDA)表明,不同填充剂会对冰淇淋的硬度、可塑性、挖取黏度、铺展性、融化时间、泡沫感、乳脂感等造成显著性影响。根据主成分分析(PCA)和聚类分析结果,MAL、PD和RD与SUC的质构轮廓较为相近;ERY和MD硬度较高;而SOR和XYL则硬度较低、融化较快、泡沫感强。通过对冰淇淋物理特性的分析,发现不同填充剂主要会对冰淇淋浆料的冰点降低程度产生较大影响,具有更低冰点的SOR和XYL形成更大和更少的初始冰晶,在储藏过程中冰晶生长加快,最终导致其较低的硬度和较高的融化速率。MAL具有类似SUC的冰点,因此在凝冻过程中形成的冰晶大小和分布及硬化后的质构与SUC最为接近。ERY具有较低的膨胀率,空气充入不足是其硬度升高的重要原因。此外,采用微牵引力测定仪模拟冰淇淋的口腔加工过程发现RD、PD和MD摩擦系数较小,有利于冰淇淋感官乳脂感和光滑度的提高。根据以上结论,以对冰淇淋质构起关键作用的冰点降低程度作为主要依据进行填充剂的复配,选择麦芽糖醇作为基底,并加入聚葡萄糖以减少样品的摩擦系数,提高润滑程度,另外加入少量赤藓糖醇降低冰点至与SUC一致。最后制得的样品(记作MEP)与SUC的感官质构轮廓基本一致。 通过以上研究发现,采用填充剂复配配方制备的冰淇淋在质构轮廓上达到了与SUC非常接近的水平,但在甜度上仍低于SUC(如MEP在等甜度评测下,甜度约为6%SE),因此,为了完善全代糖冰淇淋的甜度及风味特征(理想甜度为10%SE),本研究

关键词： 天然气驱   Haines跳跃   数学模型   微观驱替   界面运移  

摘要： 为研究天然气重力驱微观驱油机理，应用理论模型Navier-Stokes方程的浸入边界数值求解方法，分析天然气重力驱条件下孔隙填充的机制和Haines跳越两种模式形成机理，确定了天然气重力驱中油气界面运移的3种状态（稳定驱替、黏性指进和毛管力指进）的形成规律.在此基础上，通过开展天然岩心铸体薄片刻画而成的孔隙仿真模型高温高压微观可视化实验，验证了毛管数Ca增大过程中天然气重力驱油气界面运移由稳定驱替逐渐向黏性指进和毛管力指进转化的规律.研究结果表明：当毛管数Ca小于1.0×10-3时油气界面运移形成Haines折断跳跃，随着毛管数增加，Ca值大于2.5×10-3时形成Haines无折断跳跃；相对较弱的表面张力导致黏性指进一般简单地沿着速度流线运动；当天然气注入速度小于1μL/min时，驱替过程油气界面可以保持动态稳定，采收率较高，模型构造中上部动用程度高，而构造下部原油动用效果较差；稳定驱过程(Ca<1×10-2,θ<100°)中驱替前期的油气界面形态主要由毛细管力主导，重力次之，黏滞力最弱；驱替过程中期稳定的界面主要转为重力主导，气体突破后驱替过程由黏滞力主导.

关键词： 核心素养理念   物理课堂   教学情境   高中生  

摘要： 随着核心素养理念与物理课堂教学的深度融合，教师愈加注意物理教学的启发性、引导性、人文性以及建构性，开始积极探索提升高中生主体认知状态、独立学习能力、深度思维能力、合作探究能力的可行性方法。教师在多维探索中逐渐发现教学情境对高中生具有强大的感染力、促动力与影响力，尤其是能对高中生的认知思维与探究能力起到“点石成金”的作用，而且效果明显。因此，教师群体开始立足建构主义理论，积极探究物理课堂教学情境的科学创设方法，力求以此启迪高中生的物理思维，促进高中生学习能力与核心素养的发展。