上海交通大学学报

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基于“能源大脑”的城市区域碳排放实时计算方法

陈赟, 沈浩, 王佳裕, 赵文恺, 潘智俊, 王晓慧, 肖银璟

2022,56 (9): 1111-1117.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.364

摘要 ( 1118 )

HTML ( 784 )

PDF(851KB) ( 905 )

现有碳排放计算方法不能很好地满足碳排放区域逐渐细化和实时需求.为保证碳排放责任分摊的实时和准确,提出一种城市区域碳排放实时计算方法.利用改进的K-means聚类算法,对城市区域能源负荷的运行时段和运行场景进行聚类组合,得到典型碳排放特征.将区域单位电力碳排放量作为碳排放指标;归类运行时段和场景,计算各簇单位电力碳排放量和城市区域碳排放总量.基于中国东部某地区 “能源大脑”中部分能源消费历史数据进行验证,结果表明:该聚类方法和碳排放指标可以有效地实时计算城市区域碳排放总量.

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大规模光伏发电经串补输电线路并网系统强迫次同步振荡机制

林勇, 康佳乐, 余浩, 陈鸿琳, 杨彦霁, 陈武晖

2022,56 (9): 1118-1127.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.415

摘要 ( 791 )

HTML ( 132 )

PDF(1463KB) ( 873 )

大规模光伏经串补并网系统存在次同步振荡失稳风险,传统研究一般基于负阻尼振荡理论对此进行解释.本文将因最大功率跟踪控制(MPPT)导致的光伏间谐波作为扰动源,大规模光伏经串补并网系统作为受迫系统,采用强迫振荡理论揭示光伏发电基于扰动式MPPT与串补并网系统相互作用的次同步振荡机制,并在PSCAD/EMTDC仿真平台进行验证.结果表明:基于扰动式MPPT的光伏逆变器因交直流侧的调制耦合作用向系统输出间谐波电流,当该间谐波频率与系统固有弱阻尼模式频率接近时,可能导致严重的强迫次同步振荡问题,对系统稳定性造成冲击;算例仿真验证了所提理论的正确性.

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计及储能调节的时滞互联电力系统频率控制

符杨, 丁枳尹, 米阳

2022,56 (9): 1128-1138.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.145

摘要 ( 867 )

HTML ( 129 )

PDF(3139KB) ( 779 )

针对互联电力系统中源荷不确定以及通信延时导致系统频率偏差过大的问题,提出了计及储能调节的两域时滞电力系统频率控制策略.建立了含汽轮发电机、风机和储能等设备的两区域时滞互联电网模型,根据区域控制偏差(ACE) 所在的区间对储能装置和汽轮发电机的调频任务进行分工.利用改进粒子群(MPSO)算法优化比例积分微分(PID)负荷频率控制器实现二次调频,提升了一定时滞区间内负荷频率控制(LFC)系统的频率稳定性.对储能装置设计分数阶PID(FOPID)控制器,调节其输出功率以平滑源荷波动,提高了储能系统的辅助调频性能,进一步控制互联电力系统的频率偏差.在MATLAB/Simulink平台对不同工况进行对比分析,验证了所提频率控制策略的有效性.

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基于新型双环控制的LC型逆变器研究

李双, 施建强

2022,56 (9): 1139-1147.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.275

摘要 ( 1007 )

HTML ( 132 )

PDF(1553KB) ( 857 )

为提高LC型逆变器的电压跟踪和抗扰性能,提出了一种新型电压电流双环控制策略.首先,引入虚拟电阻后对消零极点,将电压环整定为一阶惯性环节,从而减小电压跟踪时的超调;其次,采用次速电流环控制方法提高电流环的响应速度,进而抑制暂态时的电压突变;最后,分析电压恢复期产生超调的原因并通过自适应积分器初值消除超调,改善了扰动时的电压波形畸变.所提新型控制策略在传统双环控制的基础上,分别对电压环和电流环算法进行改进,针对性地解决了后者阶跃响应和抗负载扰动性能不足的缺点,MATLAB/Simulink模型的仿真结果验证了该方法的可行性和有效性.

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螺旋桨脉动压力作用下自航船舶艉部振动数值研究

秦广菲, 姚慧岚, 张怀新

2022,56 (9): 1148-1158.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.175

摘要 ( 881 )

HTML ( 25 )

PDF(15563KB) ( 658 )

为研究静水中航行的船舶在螺旋桨脉动压力作用下的艉部振动特性,基于雷诺平均(RANS)方法,结合剪切应力输运(SST) k-ω湍流模型进行船桨自航数值模拟.将得到的船体表面脉动压力作为外激励,并通过结构有限元模型耦合流场边界元模型进行声固耦合计算,建立了螺旋桨表面力激励自航船舶艉部振动数值预报方法.通过分析螺旋桨表面力在时域与频域内的变化规律,发现叶频分量的幅值远大于其他频率分量的幅值.对于右旋桨,螺旋桨上方的右舷侧压力幅值高于左舷侧压力幅值.通过研究螺旋桨表面力、结构固有特性与振动响应结果之间的对应关系,发现船艉结构耦合模态固有频率应当远离螺旋桨激励力频率,以降低振动响应.通过探究相同激励作用下船艉结构变化对振动响应的影响,发现增加板厚或者安装加强筋可以改变结构固有特性,从而避开共振,达到减振效果.

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基于计算流体力学的90° 弯管气液两相流数值模拟及流型演化

王志伟, 何炎平, 李铭志, 仇明, 黄超, 刘亚东

2022,56 (9): 1159-1167.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.185

摘要 ( 942 )

HTML ( 37 )

PDF(11131KB) ( 873 )

为研究竖直上升管内气液两相流通过90° 弯管后的流动演化特性,分别采用流体体积多相流模型以及Realizable k-ε湍流模型对其进行数值模拟,重点分析气液两相流通过90° 弯管后的速度变化、压力分布、截面含气率及流型演化规律.结果表明:不同气液两相流流型通过 90° 弯管后会产生不同程度的二次流现象,并且切向速度呈现双峰分布,随着流动发展最终耗散成为单峰分布;气液两相流入口速度越大,则弯管外壁面所受压力越大.截面含气率的变化与流型转化相关,泡状流流过弯管后演化成为细长段塞流,截面含气率减小;段塞流、搅动流及环状流通过弯管后演化成为分层-波浪流,截面含气率变化较小.研究结果可为气液两相流输送弯管设计开发及诱导应力预测提供一定的理论支持.

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冰与斜面结构作用过程的离散元模拟与分析

王延林, 郭麒, 孙珊珊, 魏思浩, 许宁

2022,56 (9): 1168-1175.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.182

摘要 ( 704 )

HTML ( 19 )

PDF(4028KB) ( 582 )

斜面结构是冰区海洋结构的重要形式之一.斜面倾角变化会改变海冰的主要破坏模式,使结构所受冰荷载的峰值有较大变化.为了更好地模拟平整冰破碎的随机性特点,构建了具有黏结-破碎功能的非规则分布的扩展圆盘单元海冰模型,并基于该模型模拟了平整冰与斜面结构作用的动力过程.通过将数值模拟所得冰力峰值与实测冰力峰值进行比较,对该模型进行了验证,分析了斜面倾角对冰荷载及海冰破坏模式的影响规律.结果发现:数值模拟的冰荷载随结构倾角的变化趋势与二维理论模型计算的变化趋势基本一致,斜面倾角的增加会导致弯曲破坏所占比例减小,并造成冰荷载峰值及发生概率都呈增大趋势,斜面倾角是影响海冰破坏模式变化以及冰荷载大小的重要因素.该研究工作可以为海冰的离散元数值模拟及斜面海洋工程结构的抗冰设计提供借鉴和参考.

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风机叶片结冰对其一体化结构动态响应影响的数值分析

闯振菊, 李春郑, 刘社文

2022,56 (9): 1176-1187.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.258

摘要 ( 869 )

HTML ( 21 )

PDF(10181KB) ( 673 )

基于美国可再生能源实验室的导管架式一体化海上风机模型,将计算流体力学(CFD)方法与风机一体化分析方法进行耦合,研究叶片结冰过程及其结冰后对风机整体动态性能的影响.首先将一体化分析得到的叶片运动姿态输入到CFD中,采用离散多相模型和融化-凝固模型进行三维风机叶片覆冰增长模拟,然后应用k-ε湍流模型计算结冰前后的气动性能,最后将叶片覆冰后的气动载荷结果返回到一体化分析方法中,分析叶片结冰对风机整体响应产生的影响.计算结果表明,叶片沿叶展方向结冰呈线性增加,结冰主要集中在叶片前缘,叶尖处积冰最厚;覆冰后叶片各剖面翼型升力系数降低、阻力系数升高.叶片结冰会降低整机功率、转子的转矩和转速,叶尖和塔顶产生额外振动响应,风机达到额定功率所需风速增大.

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半浸桨不同半径切面入水的水动力特性

丁恩宝, 常晟铭, 孙聪, 赵雷明, 吴浩

2022,56 (9): 1188-1198.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.169

摘要 ( 835 )

HTML ( 19 )

PDF(5876KB) ( 566 )

为探究半浸桨无因次切面位置对半浸桨杯型切面入水过程水动力特性的影响,选择了半浸桨0.6、0.7、0.8无因次半径处的杯型切面进行建模.通过求解RANS方程模拟杯型切面入水过程的同时,结合流体域体积方法以及重叠网格技术,建立可靠的数值方法,研究不同切面位置的半浸桨杯型切面入水过程的水动力特性.分析不同切面位置对半浸桨杯型切面入水过程的自由液面形式、通气腔形式、流场以及表面压力分布的影响.结果表明:随着无因次半径剖面位置越靠近半浸桨的梢部,完全通气状态与部分通气状态之间的过渡状态会发生在较大的进速系数下,横向力系数和敞水效率也会有所增加.

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水泥净浆弹性模量的纳米压痕表征与多尺度计算

陈小文, 韩宇栋, 丁小平, 侯东伟

2022,56 (9): 1199-1207.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.089

摘要 ( 824 )

HTML ( 16 )

PDF(1695KB) ( 683 )

基于微观力学测试和复合材料理论,计算水泥基材料的多尺度弹性参数,是水泥基材料基于性能的精细化设计理论基础之一.本研究对不同水灰比的硬化水泥净浆试样进行微观弹性模量的纳米压痕测试和孔隙结构压汞试验,基于多相材料均质化理论,建立考虑孔隙影响的水泥净浆弹性模量多尺度计算方法,并比较稀疏法、自洽法、Mori-Tanaka法、相互作用直推法和多层次均匀化法的适用性.计算结果表明,考虑孔隙作用的多相、多尺度计算方法与水泥净浆试件的宏观弹模测试结果吻合良好,除多层次均匀化法外,其他复合材料均匀化方法的计算结果相近.

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冲击荷载作用下含黏结界面混凝土破坏特征与应力应变分析

赵洪, 谢友均, 龙广成, 李宁, 张嘉伟, 程智清

2022,56 (9): 1208-1217.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.343

摘要 ( 723 )

HTML ( 17 )

PDF(12231KB) ( 576 )

为研究冲击荷载下板式无砟轨道结构蒸养混凝土与自密实混凝土层间界面的破坏行为,利用分离式霍普金森杆(SHPB)对含黏结界面混凝土进行冲击试验,并就其破坏特征和应力应变全曲线特性以及损伤本构方程进行探讨.结果表明:含黏结界面混凝土在动态冲击荷载作用下存在界面脱黏分离和整体破碎两种失效模式.界面脱黏分离失效模式下,随着应变率的增加,含黏结界面混凝土的动态抗压强度、强度动态提高因子(DIF)、峰值应变、冲击韧性均增加,具有明显的应变率敏感性;整体破碎失效模式下,界面脱黏变形和破碎变形同时存在,随着应变率的增加,裂纹向界面区域累积、拓展,界面起到了能量缓冲的作用,此时含黏结界面混凝土动态抗压强度、DIF基本不变,而峰值应变和冲击韧性增加.所建立的基于Weibull分布的本构模型与试验结果吻合较好,尤其对峰前应力应变曲线有很好的匹配性.

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强竖向渗透济南红黏土的微观孔隙特征及CT渗流试验

路林海, 武朝军, 孙捷城, 才昊, 叶冠林

2022,56 (9): 1218-1226.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.234

摘要 ( 564 )

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PDF(34551KB) ( 464 )

由于济南市泉域地层的特殊性和复杂性,第四纪沉积层虽然以黏土、粉质黏土为主,却表现出强富水、强透水的特征,在基坑工程施工中出现降水异常困难、结构渗漏水严重等一系列难题.为了明确济南红黏土层强透水的成因,从济南红黏土微观孔隙结构角度开展研究,首先对现场取样的原状红黏土开展基本物理特性试验,利用扫描电子显微镜 (SEM)获取红黏土的微观粒子排列方式.然后研发了基于计算机断层 (CT) 扫描的土体渗流装置,通过不同渗流阶段的CT扫描获取了红黏土内部孔隙三维结构并实现了孔隙水的流动可视化.最后建立孔隙网络模型(PNM)对渗流过程中土体内部孔隙和喉道的数量及体积占比进行了量化分析.结果表明:济南红黏土水平截面的颗粒搭接更为松散,孔隙结构以竖向发展为主,并存在孔径较大的联通通道;水在红黏土中优先沿着既有的大孔隙通道流动,并导致渗流通道扩张,土体内部孔径较大的联通孔道是导致土体强竖向渗透的主要原因.

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基于门式抗浮框架的基坑开挖下卧隧道变形控制

吴怀娜, 冯东林, 刘源, 蓝淦洲, 陈仁朋

2022,56 (9): 1227-1237.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2022.006

摘要 ( 763 )

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PDF(11913KB) ( 476 )

隧道上方基坑开挖卸载不可避免引发隧道上浮变形,门式抗浮框架作为一种抗浮措施,其抗浮机理尚不明确.以某隧道长距离共线基坑工程为依托,对门式抗浮框架施作过程以及基坑大面积开挖对下卧盾构隧道的影响进行数值模拟研究,探究门式抗浮框架与地层相互作用机制及抗浮效果,最终提出抗浮框架结构优化设计建议.结果表明:门式抗浮框架施作过程竖井开挖可引发隧道上浮变形,通过竖井跳挖及回填可有效控制其引起的隧道变形;基于门式抗浮框架的基坑开挖使隧道上浮量从无抗浮框架的19.5 mm减小至15 mm;抗浮板和抗拔桩连接处在基坑开挖阶段存在应力集中,属于结构薄弱部位,应做局部加强处理.

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减振垫层温频变动力性能对无砟轨道振动特性影响

牛振宇, 刘林芽, 秦佳良, 左志远

2022,56 (9): 1238-1246.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.030

摘要 ( 634 )

HTML ( 15 )

PDF(1995KB) ( 476 )

以减振垫层为研究对象,首先通过动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数FVMP模型并结合温频等效原理,表征减振垫层的温频变特性;然后将该模型应用于车辆-CRTSIII板式无砟轨道垂向耦合系统中;最后分析了减振垫层温频变特性对轨道结构振动响应的影响.结果表明:温度和加载频率对减振垫层的动态力学性能有显著影响,高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种动态力学行为.在时域响应中,轨道板位移和加速度在FVMP模型下计算的峰值明显大于Kelvin-Voigt(K-V)模型下的峰值.FVMP模型在各参考温度点下轨道板位移的响应呈现出随着温度的降低而减小的趋势,而轨道板加速度则呈现随着温度的降低而增大的趋势.在中高频段内,轨道板的响应表现为FVMP模型下的频域响应大于K-V模型下的频域响应,FVMP模型各参考温度点在该频段内轨道板的响应表现为随着温度的降低而减小的趋势.因此,为提高对轨道结构预测的准确性,有必要考虑减振垫层的温频变特性.

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含复合材料结构的非黏结柔性立管弯曲特性

刘庆升, 薛鸿祥, 袁昱超, 唐文勇

2022,56 (9): 1247-1255.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.144

摘要 ( 806 )

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PDF(3186KB) ( 574 )

非黏结柔性立管常用于将海底油气资源输送到平台,有时因设计需要会包含复合材料圆柱壳层结构.以一类8层的非黏结柔性立管为研究对象,分析了含有复合材料圆柱壳层结构的非黏结柔性立管的弯曲特性.提出了一种作用于非黏结柔性立管的轴对称载荷和弯曲载荷联合作用的理论模型,同时建立了计及详细几何特性的非黏结柔性立管数值模型进行了验证.分析了两种典型复合材料及其纤维体积分数对非黏结柔性立管弯曲特性的影响.理论与数值结果吻合较好,计算结果表明:非黏结柔性立管的弯曲特性受复合材料圆柱壳层轴向弹性模量影响较大,轴向弹性模量较大的复合材料会较大地增强完全滑移阶段的非黏结柔性立管的弯曲刚度.非黏结柔性立管的轴向抗拉刚度和完全滑移阶段的弯曲刚度都随着复合材料圆柱壳层的纤维体积分数增大,接近线性增强.

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基于CNN-RNN组合模型的办公建筑能耗预测

曾国治, 魏子清, 岳宝, 丁云霄, 郑春元, 翟晓强

2022,56 (9): 1256-1261.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.192

摘要 ( 1085 )

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PDF(2358KB) ( 614 )

为准确反映办公建筑的运行特性,利用卷积神经网络(CNN)良好的特征提取能力与循环神经网络(RNN)良好的时序学习能力,提出用于预测办公建筑能耗的CNN-RNN组合模型,并对应设计了适用于深度学习模型的二维矩阵数据输入结构.案例分析结果表明,相较于简单循环神经网络和长短期记忆网络,CNN-RNN组合模型的预测精度与计算效率均显著提升,模型泛化性好.

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面向柔性作业车间动态调度的双系统强化学习方法

刘亚辉, 申兴旺, 顾星海, 彭涛, 鲍劲松, 张丹

2022,56 (9): 1262-1275.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.215

摘要 ( 1013 )

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航天结构件生产过程中批产任务与研发任务并存,个性化小批量研发生产任务导致紧急插单现象频发.为了保障任务如期完成,解决柔性作业车间面临的动态调度问题,以最小化设备平均负载和最小化总完工时间为优化目标,提出了感知-认知双系统驱动的双环深度Q网络方法.感知系统基于知识图谱实现对车间知识的表示并生成多维信息矩阵;认知系统将调度过程分别抽象为资源配置智能体和工序排序智能体两个阶段,分别对应两个优化目标,设计了车间状态矩阵对问题和约束进行描述,调度决策中分步骤引入动作指令;最后分别设计奖励函数实现资源配置决策和工序排序决策的评价.经某动力所航天壳体加工的实例验证和算法对比分析,验证了所提方法的优越性.

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双目标优化的动车组系统多阶段机会维修决策

王红, 齐彦昆, 何勇, 杨国军

2022,56 (9): 1276-1284.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.104

摘要 ( 706 )

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为保证在动车组可靠运行的前提下,尽可能提高其运用效率,在传统机会维修策略的基础上提出一种双目标优化的多阶段机会维修决策策略.该策略将维修机会窗口等距划分为多个阶段,对维修时机位于不同阶段的部件实施差异力度的维修.针对多部件维修任务分配问题,提出两名维修人员的任务分配算法,并将该算法引入到多属性决策中,使模型具有良好的多属性优化性能.算例分析验证了多阶段机会维修策略在优化可用度和平均成本率方面的有效性,同时探究权重因子对模型优化倾向的影响.

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