课程文献中心 更多>>

关键词： 尿动力学   压力-流率测定   自由尿流率测定   尿道内置管的影响   膀胱出口梗阻   逼尿肌活动低下   逼尿肌过度活动   无创预测模型  

摘要： 目的:探讨尿道内置7F三腔测压管对压力-流率测定(PFS)时尿流参数及尿动力学(UDS)诊断的影响。并建立膀胱出口梗阻(BOO)、逼尿肌活动低下(DU)、逼尿肌过度活动(DO)的无创预测模型。 方法:回顾性分析同济医院泌尿外科2011年9月至2022年10月下尿路症状患者的UDS数据。比较PFS和自由尿流率(FF)的尿流参数。将FF时的Qmax替代PFS时的Qmax重新评估BOO和DU,确定尿道内置管对UDS诊断的影响。采用单因素分析及多因素logistic回归分析,确定BOO、DU、DO的无创独立预测指标,建立相应的无创预测模型,并进行效能评价。 结果:对纳入的1 144例患者的FF及PFS参数进行分析。就总体而言,PFS的Qmax显著下降,排尿时间显著延长,排尿量无显著差异。然而,PFS的Qmax变化方向并不一致:在72.8%的男性患者和83.5%的女性患者中下降;在14.7%的男性患者和9.5%的女性患者中增加;在12.5%的男性患者和7.0%的女性患者中保持不变。以FF的Qmax代替PFS的Qmax诊断BOO及DU时,Qmax下降组和Qmax增加组中均有相当比例的患者的诊断发生改变。对纳入的522例男性LUTS患者的UDS资料进行分析。年龄、Qmax和排尿效率是BOO的独立预测因素;年龄、Qmax、尿急和夜尿是DU的独立预测因素;年龄、排尿时间、排尿量、尿急和尿失禁是DO的独立预测因素。依据独立预测因素建立了BOO、DU、DO的无创预测模型,其区分度均较高,曲线下面积分别为0.841、0.756、0.819;校准度均较高,预测值与实际观测值有良好的对应关系;决策曲线表明应用此三种模型均可获得附加的临床效益。 结论:尿道内置管可显著影响PFS时的尿流参数,但Qmax的变化方向及程度因人而异,并且可导致尿动力学诊断发生相应的改变。因此,在FF与PFS尿量相似的情况下,如FF的Qmax与PFS的Qmax相差较大,可考虑以FF的Qmax代替PFS的Qmax来判断UDS的各种诊断,可能有助于消除尿道内置管对患者排尿过程的干扰,获得更符合患者病情和病理生理学状况的UDS诊断。同时,本研究依据男性BOO、DU、DO各自的独立预测因素,建立了相应的无创预测模型,使用这些无创预测模型可在不进行侵入性UDS的情况下简单快速有效地评估患者的疾病风险。

关键词： 水下垂直发射武器   水动力   姿态控制   参数辨识   滤波误差   遗传算法  

摘要： 水下垂直发射武器隐蔽性强且杀伤力大，其独有的生存性被各国海军视为进行二次反击的一款利器。现代化战争中对高精度打击有了更高的约束，这就要求水下武器的姿态控制、航迹规划更为精确，实现这一目标的前提在武器研制阶段建立一套精确有效的动力学模型。在水下航行体动力学建模过程中，全湿流流体动力的分析是研究过程中的一项重要挑战，本文将结合水洞试验先验知识与系统辨识理论对水动力参数进行有效辨识，以获得精确的水动力数学模型，为水下武器初级研究阶段的动力学建模提供帮助。　　首先，参考导弹水下发射技术，在常规导弹数学建模的基础上建立了水下垂直发射航行体的六自由度数学仿真平台，用来等效代替真实水动力试验，为参数辨识提供航行数据。基于仿真平台设计了用于纵向运动水动力导数辨识的航行试验，并对水下航行体的水动力导数辨识问题做了分析与辨识方案设计。　　其次，基于系统辨识理论，对水下垂直发射航行体水动力导数进行参数辨识，开展了基于模型的辨识方法研究。一是使用基于极大似然理论的滤波误差法进行水动力导数的辨识，该方法的代价函数是系统新息与新息矩阵（新息与新息矩阵由卡尔曼滤波提供）构成的数学关系，使用牛顿拉弗森算法寻找代价函数的最小值，即水动力导数的最优估计。仿真结果显示该方法不依赖于初值的选取，迭代3-4步即可收敛;二是使用基于递归chirp-z变换的频域贯序最小二乘算法从频域的角度进行参数辨识，chirp-z变换将时域数据转换至频域自动过滤了高频噪声，以及具备频域计算所占内存少、计算导数无需微分等特点。　　然后，开展了智能辨识算法的研究，考虑到遗传算法具有搜索能力强，无需担心算法陷入局部最优的特点，将其与卡尔曼滤波器结合，使用基于遗传算法的滤波误差法进行参数估计。该算法相对于经典滤波误差法，无需大量灵敏度推导与计算，降低了计算误差与计算量;二是考虑到前馈神经网络优秀的非线性函数逼近能力，通过设定适当的隐藏层数量和每层神经元，无需系统方程即可得到系统响应，将其与梯度下降法结合进行参数寻优。仿真结果显示该算法可以在无需系统方程解算的情况下得到精确的水动力参数，且训练好的神经网络具对航行状态有一定的预测能力。　　最后，从辨识算法的优缺点、适用性、结果、复杂性这几个角度对各辨识算法进行综合性分析。

关键词： 训练冲量   最大心率   运动手表   跑步   信度   效度  

摘要： 目的:可穿戴式设备使运动中负荷监控变得更加便捷,基于光电容积扫描技术（Photoplethysmography,PPG）技术的智能运动手表深受广大跑者喜爱,训练冲量是运动手表提供的主要负荷指标。然而,训练冲量的计算与心率区间有关,运动中心率波动区间较大,对于不同的心率区间,智能运动手表的测试有效性和准确性有待探究。方法:招募17名男性大学生跑者参加了一次递增负荷力竭测试和三次不同强度的场地跑步测试。在四次测试中,受试者需全程佩戴四块手表（2款×2个,品牌A和品牌B）。在递增负荷力竭测试时,受试者还需全程佩戴气体代谢仪,可测得真实最大心率(HRmax)和四块手表记录的HRmax。三次不同强度的跑步测试内容为:低强度8km自配速跑步测试(强度:50-70%HRmax)、中强度30min自配速跑步测试(强度:70-80%HRmax),高强度5×800m自配速间歇跑步测试(强度:80-100%HRmax)。在实验中,POLAR TEAM pro2团队系统可通过蓝牙终端实时显示受试者心率,以确保受试者的心率始终保持在要求范围内。信度检验采用组内相关系数（ICC）和平均值的标准误差（SEM）对同款2个运动手表记录HRmax和训练冲量的信度进行评价。效度检验采用配对样本t检验比较真实HRmax和公式预测以及两款手表记录HRmax的差异,同时检验两款手表计算的训练冲量和心率带计算的训练冲量的差异,通过效应量显示差异大小,并通过线性回归和Bland-Altman一致性分析评价其相关性和一致性。结果:信度结果表明,在HRmax测试时,品牌A手表信度极高（ICC=0.928,SEM=2.46）,品牌B手表信度中等（ICC=0.676,SEM=2.45）,在三次跑步测试时,50%-70%HRmax和80%-100%HRmax强度区间,品牌A（ICC分别为0.970、0.967,SEM分别为4.60、5.91）和品牌B（ICC分别为0.970、0.995,SEM分别为5.58、2.54）的设备间信度都极高,在70%-80%HRmax区间,品牌A（ICC=0.796,SEM=11.78）的设备间信度为高,品牌B（ICC=0.962,SEM=5.11）的设备间信度为极高。效度结果表明,在HRmax测试时,公式预测HRmax表现为中等的效应量（ES=0.69）,且具有极弱的相关性（r=0.149）和一致性（r2=0.802,Lo A=-12.7～19.7）;品牌A手表表现为小的效应量（ES<0.2）和极强的相关性（r=0.909）,但一致性较低（r2<0.001,Lo A=-6.83～7.18）;品牌B手表表现为小的效应量（ES<0.2）和中等的相关性（r=0.691）,但一致性较低（r2=0.50,Lo A=-10.70～13.58）。在50%-70%HRmax强度区间,品牌A手表表现为小的效应量（ES<0.2）且具有极高的相关性（r=0.989）和一致性（r2=0.134,Lo A=-9.56～6.93）,品牌B手表表现为小的效应量（ES<0.2）且具有极高的相关性（r=0.977）和一致性（r2=0.057,Lo A=-15.26～8.78）;在70%-80%HRmax强度区间,品牌A手表表现为较大的效应量（ES>0.8）且具有极低的相关性（r=0.196）和一致性（r2=0.049,Lo A=-2.52～6.06）,品牌B手表表现为小的效应量（ES<0.2）但具有中等的相关性（r=0.419）和一致性（r2=0.527,Lo A=-4.67～8.12）;在80%-100%HRmax强度区间,品牌A手表表现为较小的效应量（ES<0.2）且具有极高的相关性（r=0.971）,但一致性较差（r2<0.001,Lo A=-7.54～15.98）,品牌B手表表现为小的效应量（ES<0.2）且具有极高的相关性（r=0.965）但一致性较差（r2=0.97,Lo A=-25.94～21.15）。结论:两款手表实测HRmax设备间信度在中等到高之间,但是两款手表在HRmax测量的效度方面均存在不足,公式“HRmax=220-年龄”预测HRmax低估了受试者的HRmax;在实际的跑步测试中,低强度区间两款手表测量的TRIMP信度和效度都高;在中高强度区间,两款手表测量TRIMP信度在中等到高之间,但TRIMP测量的效度均存在不足。

关键词： 超快速动态增强磁共振   乳腺癌   腋窝淋巴结转移   动力学参数  

摘要： 目的:本研究评估超快速动态增强磁共振（Ultrafast dynamic contrast-enhanced magnetic resonance imaging,UF-DCE MRI）动力学参数对乳腺癌腋窝淋巴结转移（Axillary lymph node metastasis,ALNM）的可行性。 材料和方法:本研究前瞻性招募114例乳腺肿瘤患者术前均行乳腺UF-DCE MRI检查。根据最大腋窝淋巴结（Axillary lymph node,ALN）病理结果,分为ALNM组和非ALNM组。通过MR DCE 1.1.0软件获得UF-DCE MRI动力学参数包括最大斜率（Max slope,MS）和增强时间（Time-to-enhancement,TTE）,以及在工作站中收集患者乳腺肿瘤病理学特征、ALN形态学参数。Mann–Whitney U检验或Student t检验比较连续变量,χ2检验或Fisher精确检验比较分类变量,双侧p<0.05被认为有统计学显著差异。采用Logistic回归分析各类变量和ALNM之间的关联。绘制受试者工作特征（Receiver operating characteristic,ROC）曲线,使用曲线下面积（Areas under the curve,AUC）评估预测性能,并使用Delong检验进行比较。 结果:114例乳腺癌患者中,64例（56.1%,64/114）为ALNM组,50例（43.9%,50/114）为非ALNM组。在ALN形态学参数的比较中,两组间的短径、长径、淋巴结门是否消失均有显著性差异（p<0.001）。在肿瘤类型中,浸润性乳腺癌（p<0.05）与ALNM显著相关。在淋巴结动力学参数中,两组间的MS,TTE均有显著差异（p<0.001）。单因素和多因素logistic回归分析显示,MS（OR,9.584[95%CI:2.714-33.843];p<0.001）、TTE（OR,0.201[95%CI:0.051-0.794];p=0.022）和淋巴结短径（OR,5.705[95%CI:1.252-25.992];p=0.024）对ALNM保持独立预测意义。ROC曲线分析显示,MS,TTE,淋巴结短径和联合参数在鉴别方面表现出良好的诊断性能,AUC分别为0.848,0.741,0.821,0.916。结果显示,联合参数的预测效能均较单独使用的预测效能高（p<0.05）。 结论:UF-DCE MRI是术前识别乳腺癌患者ALNM的一种无创检查手段。

关键词： 质子-核弹性散射   相对论冲量近似   协变密度泛函理论   中子皮   反向传播神经网络  

摘要： 弹性散射一直是研究原子核基本性质,特别是粗块性质如核物质分布、表面弥散和中子皮等的重要实验手段。近年来,大量弹性散射实验数据特别是在奇特原子核方面的数据积累,为较系统地检验并改进冲量近似提供了机遇。本文采用相对论冲量近似,以PC-PK1能量密度泛函计算所得密度分布作为输入,系统研究了入射能量40 ≤Ep≤200 MeV范围内的质子-核弹性散射,并与实验数据和唯象光学势KD03结果进行了对比。利用机器学习方案,逆向推导了 48Ca的密度分布并对其中子皮厚度进行了限制。这对于理解并约束核物质的对称能及其密度依赖性具有重要价值。本文具体研究内容概述如下:1)利用相对论冲量近似,采用4组广泛使用的能量密度泛函计算所得原子核密度分布,计算了Ni和Se同位素在约65MeV入射能时的质子弹性散射可观测量。结果显示以4组密度泛函计算所得密度整体形状相似,但内部结构上存在着较明显的差异,而对应所得的弹散观测量几乎一致,表明低能质子-核弹性散射对原子核内部结构不太敏感。2)利用相对论冲量近似与PC-PK1密度泛函,系统地计算了入射能位于区间40≤Ep≤200 MeV内的质子-核弹性散射。理论结果较好地再现了质量数范围12≤A≤232内的微分截面(dσ/dσRuth.)和分析能力(Ay)的实验数据。证实了相对论冲量近似对偶偶核甚至是自旋非零核的适用性,并验证了中子均方根半径与微分截面第二个极小值对应的动量转移之间的关联。3)利用深度神经网络方案和相对论冲量近似,逆向推导了 48Ca质子和中子的密度分布。预测48Ca中子皮厚度为0.211±0.007 fm,这个值与48个合理的能量密度泛函预测的范围(0.12-0.26 fm)重叠,偏大于CREX合作组最新测定的实验值rskin48(CREX)=0.071～0.171 fm。相关工作为进一步把ab-initio相对论手征核力和自然考虑了介质效应的G矩阵纳入现有相对论冲量近似框架提供了良好的基础。同时,也为理论研究中子皮,约束原子核的对称能探索了不同的途径。

关键词： 跨座式单轨车辆   多目标优化   稳健性优化   代理模型   悬挂参数  

摘要： 随着城市轨道交通的发展,跨座式单轨车辆被越来越多城市轨道交通运营单位所选择,在跨座式单轨车辆大量投入运行的情况下,探寻车辆设计参数与动力学性能的关系,可帮助设计单位对动力学性能进行优化,提升城市轨道交通的运营品质。本文从一般的多体系统动力学的计算求解过程出发分析了多体系统动力学的建模方法和基本过程,介绍了研究所涉及常用的计算求解器。然后在简化模型基础上,利用车辆结构元件的惯性和质量等原始设计参数,使用UM仿真软件和Ansys有限元软件分别建立了研究的跨座式单轨车辆模型和轨道梁有限元模型。对于车辆动力学性能的评价则借鉴成熟了铁道车辆动力学的评价方法和专家学者总结的跨座式单轨车辆动力学评价方法,其中安全性指标从修订倾覆系数、走行轮径向力、车体加速度、导向轮径向力等方面进行评判,而稳定性指标则从Sperling平稳性、舒适性和运行品质等方面进行分析,并对比了西南交通大学实测数据,分别从轨道梁振动、车体振动方面对模型的合理性进行了验证。然后使用UM-Isight仿真联合平台,对比分析了AW1和AW3两种不同载荷工况下原始设计悬挂参数的动力学性能,发现AW3工况对动力学性能的影响相对较大,需着重分析。然后对AW3工况下车辆一系、二系悬挂参数进行变参数试验,研究了二系和一系悬挂参数对动力学响应的灵敏度,发现舒适性指标、前端测点横向平稳性指标、后端测点垂向平稳性指标、一位稳定轮倾覆系数和车体垂/横向振动加速度对悬挂参数的变化产生的影响更明显,需着重进行优化研究。而后端测点横向平稳性指标、前端测点垂向平稳性指标、走行轮倾覆系数等评价值则变化较缓和,对悬挂参数变化而产生的影响敏感度较小。根据灵敏度分析结论选取了6个对动力学性能影响较大的指标为优化目标,以六个悬挂参数作为设计变量,分别采用了稳健性优化方法和基于代理模型的多目标优化方法,对车辆悬挂设计参数与动力学响应进行了优化研究。根据稳健性优化设计理论知识知,信噪比越大设计越稳健,因此稳健性优化需要重点评估信号因子与噪声因子的关系,本文对跨座式单轨动力学性能进行稳健性优化中,主要选取了5水平、125组运行中可能出现的三个不可控因素作为噪声因子,选取20组悬挂参数作为可控因子,使用稳健性优化法形成实验设计正交表进行优化,然后面向6个优化目标进行了2500次计算,得到了6组信噪比最大的悬挂参数组合,对每组参数组合分别进行结果验证,得到了稳健性优化解的优化率。其中垂向平稳性、车体质心垂向振动加速度和舒适性的优化率最大约为72.33%、78.41%和53.22%;车体质心横向振动加速度、稳定轮倾覆系数的优化率最大分别约为8.15%、7.06%;横向平稳性最大优化率约为0.98%。最后对6组优化解进行验证,其优化效果为:组合五=组合六>组合三>组合一>组合二>原始参数>组合四。但由于稳健性优化是采用单目标优化方法进行的计算,因此优化结果一致性较差,需依次验证全部的优化解组合,以剔除违反设计约束的解。基于代理模型进行优化可通过构建拟合公式来获得变量与响应的近似关系,当近似模型的精度满足分析要求,则可使用构建的模型近似代替仿真程序进行多目标优化分析,从而得到满足需求的折衷Pareto设计解集。本文基于代理模型的多目标优化选取了原始悬挂参数的±50%设计值作为变量,运用最优拉丁超立方方法生成了2500组悬挂参数-动力学性能响应值的训练样本点,基于训练样本点拟合得到正交多项式代理模型和响应面代理模型,并进行模型误差验证,发现响应面模型的误差指标和约为0.60890,正交多项式模型的误差指标和约为0.68028,响应面模型精度稍高于正交多项式模型,可使用两种代理模型分别来替代仿真程序进行优化分析,最后利用NSGA-Ⅱ算法分别对两种代理模型进行优化求解。基于正交多项式代理模型的优化,共得到1449组符合要求的解集。检查优化算法的收敛优化解,得到了10组最优Pareto解,该10组解的优化率中,车体质心垂向振动加速度、垂向平稳性和舒适性的优化率较大,最大分别约为80.97%、72.19%和57.15%;车体质心横向振动加速度、横向平稳性的优化率最大分别约为9.04%、0.78%;而稳定轮倾覆系数优化率均为负值,优化率约为-9.60%,但均符合评定值要求。基于响应面代理模型的优化,共得到1959组符合要求的解集,检查优化算法的收敛优化解,得到了6组最优Pareto解,该6组解的优化率中,车体质心垂向振动加速度、垂向平稳性和舒适性的优化率也较大,最大分别约为93.30%、73.90%和57.59%,优化率相比正交多项式代理模型更高;车体质心横向振动加速度、横向平稳性的优化率最大分别约为8.08%、0.90%;稳定轮倾覆系数优化效果同正交多项式代理模型,优化率约为-11.63%,优化结果稍差。最后对稳健性优化和多目标优化得到

关键词： 机匣螺栓连接建模   不同心度   Kringing代理模型   子集模拟   稳健设计  

摘要： 发动机机匣结构是整个发动机中主要的承力部件,它也是连接发动机转子和整机的中介。螺栓连接结构由于其加工制造简单、易于拆卸、受载能力强、可靠性较高等特点在航空发动机中被广泛应用。所以机匣螺栓连接结构的动力学特性对发动机转子和整机的动力学特性有非常重要的影响。本文首先对某型号涡轮发动机机匣试验件使用三坐标测量仪对法兰接触面进行测量,并根据测量数据建立相应精细有限元模型。通过模态试验验证其模型的有效性,然后计算并分析螺栓初始预紧力变化下的等效连接刚度取值范围及机匣不同心度变化。最后根据Kriging代理模型方法及子集模拟优化算法对机匣不同心度进行稳健设计,得到机匣不同心度最优情况下的初始预紧力组合。本文主要研究内容如下: (1)对研究的某型号弹用涡轮发动机机匣的实际结构进行三坐标测量并根据测量结果建立了风扇机匣、压气机机匣、燃烧室机匣和喷管机匣的精确有限元模型。然后将建立好的机匣部件根据连接结构建模方法建立发动机整机机匣结构的有限元模型。根据得到的各个机匣部件模型和整机装配机匣有限元模型使用ANSYS软件分别进行模态计算,并根据模态计算结果和模态试验结果进行模态频率对比分析和振型相关性分析,验证了有限元模型的有效性。 (2)计算了整机机匣的轴向连接刚度和切向连接刚度,并计算了不同的初始预紧力对轴向连接刚度和切向连接刚度的影响,介绍了整机装配机匣不同心度的计算方法,使用第二章中建立的实体螺栓连接结构计算了三个连接结构取不同的初始预紧力对整机机匣不同心度的影响及不同的表面粗糙度对机匣不同心度的影响。 (3)确定优化目标为机匣不同心度,然后使用Kriging代理模型法近似拟合机匣初始预紧力和不同心度之间的关系。建立以不同心度响应值和方差为优化目标的稳健设计模型并使用子集模拟优化算法对其进行优化。优化后的机匣不同心度明显变小且稳健性得到改善。

关键词： 黄土滑坡   体积扩容分析   运动数值模拟   动力学参数反演   运动危险性概率评价  

摘要： 甘肃省黑方台地区由于农业灌溉、黄土湿陷和水土流失等原因,近年来沿台塬周边产生大量黄土滑坡,对当地居民生命和财产安全构成严重威胁。滑坡运动危险性评价对于滑坡定量风险评估和灾害应急响应具有重要意义。然而,由于评价模型中输入的滑坡物源量和动力学参数存在很大的不确定性,使得基于物理力学过程的滑坡运动危险性评价仍然具有挑战性。本文通过文献阅读、现场勘查、黄土试验和多期无人机倾斜摄影测量,收集了黑方台2015年至2021年期间发生的35个历史黄土滑坡,量化了滑坡体积及体积扩容率;提出了一种基于非支配遗传算法NSGA-II的多目标优化反分析方法校准黄土滑坡运动数值模型动力学参数,并构建了动力学参数数据库,用于潜在黄土滑坡运动危险性概率评价。具体内容分为以下几个部分: （1）收集了黑方台地区35个历史黄土滑坡并进行了分类,包括22个静态液化型、11个滑移崩塌型和2个黄土泥流型。计算了黄土滑坡的滑前和滑后体积,评估了黄土滑坡体积扩容效应并量化了体积扩容率Ev。统计结果显示Ev的平均值为1.25,标准差为0.09,服从正态分布。 （2）基于Mass Flow软件采用Friction流变模型建立了黄土滑坡三维运动数值模型,考虑数值模型动力学参数有效残余摩擦角φ′和孔隙压力比系数ru的不确定性,利用参数先验信息和现场观测信息,构建了基于非支配遗传算法NSGA-II的多目标优化反分析方法,校准动力学参数。利用校准的动力学参数,通过Mass Flow对黄土滑坡运动和堆积进行重模拟,重模拟的堆积特征与现场观测结果较为一致,验证了反分析方法的有效性。 （3）建立了不同类型黄土滑坡反分析动力学参数数据库。统计分析结果显示:静态液化型黄土滑坡φ′和ru的平均值分别为33.74°和0.55,标准差分别为0.97°和0.06,呈负相关关系,相关系数为-0.94,广义极值（Generalized Extreme Value,GEV）分布为最适合拟合φ′和ru的分布类型;滑移崩塌型黄土滑坡φ′和ru的平均值分别为37.27°和0.40,标准差分别为1.11°和0.05,呈负相关关系,相关系数为-0.95,GEV分布和对数正态（Lognormal）分布分别为最适合拟合φ′和ru的分布类型;黄土泥流型黄土滑坡,由于收集的数据有限,不具有统计特征,其φ′和ru的反演结果分别为39.16°和0.35。 （4）构建了同时考虑滑坡运动数值模型动力学参数不确定性和滑坡运动过程体积扩容不确定性的滑坡三维运动危险性概率评价方法。以近期发生的2个静态液化型、1个滑移崩塌型和1个黄土泥流型滑坡为潜在案例,预测了滑坡运动影响范围概率空间分布,生成用于定量风险评估的危险性区划图,并与现场观测结果对比,验证了参数数据库和预测方法的准确性和适用性。 （5）以黑方台党川村附近的潜在滑坡为研究对象,预估了其失稳体积及失稳类型。基于滑坡三维运动危险性概率评价方法,联合考虑了潜在黄土滑坡数值模型中动力学参数和滑坡运动过程中体积扩容的不确定性,对潜在黄土滑坡三维运动危险性进行概率预测与评价。预测结果可直接用于滑坡定量风险评估和应急响应决策。

关键词： 水力机械   磨蚀   颗粒-空泡相互作用   开尔文冲量   高速摄影  

摘要： 我国河流挟带泥沙量位居世界前列,超三分之一的水轮机过流部件遭受到了由空化空蚀和颗粒冲击联合作用造成的磨蚀破坏。空泡与泥沙颗粒的相互作用是磨蚀破坏领域的核心问题。然而,单颗粒及颗粒群对空泡动力学行为的影响较为复杂。因此,需要加强颗粒与空泡相互作用机制的研究,深刻了解磨蚀现象的微观机理,从而保障水力机械的安全、高效、可靠运行。基于维斯定理、空泡开尔文冲量理论体系以及激光诱导空泡高速摄影实验系统,本文全面探究了单球形颗粒及双球形颗粒附近空泡的动力学行为。首先,分别建立了空泡处于单颗粒和双颗粒附近开尔文冲量和空泡周围液体运动的理论模型;然后,通过充分对比开尔文冲量理论模型的预测结果和高速摄影实验结果,揭示了空泡初始位置、颗粒尺寸、颗粒间距等核心参数对空泡动力学行为的影响及机制;最后,基于维斯定理,定量对比了虚拟空泡和均匀线汇对空泡开尔文冲量和空泡周围液体运动速度的贡献机制。本文的主要工作及研究成果体现在以下几个方面:(1)基于维斯定理、泡壁运动方程及势流叠加理论,本文分别建立了单颗粒附近和双颗粒附近空泡开尔文冲量和空泡周围液体运动的理论模型。通过与大量高速摄影实验结果进行定性和定量对比,发现空泡开尔文冲量的大小和方向能有效预测空泡第一周期的移动特性,空泡周围液体的运动速度能有效预测空泡溃灭阶段形态演化的非对称特性。此外,基于开尔文冲量解析式和空泡移动的实验结果,建立了单颗粒附近空泡开尔文冲量预测空泡平均移动速度的数学模型,进一步发展了开尔文冲量理论模型。(2)单颗粒附近空泡开尔文冲量随着空泡与颗粒距离的增大而逐渐减小至零,且其方向始终朝向颗粒中心。当空泡位于双颗粒之间时,随着空泡初始位置逐渐偏离两个颗粒的中间位置,开尔文冲量由零逐渐增大。当空泡初始位置沿水平对称轴逐渐远离颗粒时,开尔文冲量值先增大后又逐渐减小,直至颗粒对空泡的作用可以被完全忽略,开尔文冲量减小至零。这是因为两个颗粒作用在空泡上的作用强度逐渐增大,但随着空泡逐渐远离颗粒,颗粒对空泡的作用效果逐渐减弱至零。颗粒间距的减小和空泡尺寸的增大均能使开尔文冲量值更大,可以推测出空泡的移动现象也将更加显著。(3)颗粒的作用总是导致颗粒和空泡之间的液体速度低于其他周围区域,并且,此液体低速区随着颗粒和空泡初始距离的减小、颗粒间距的减小及空泡尺寸的增大均变得更加明显。可以预测出溃灭阶段液体低速区的空泡泡壁收缩速度比其他位置略小,靠近颗粒侧的空泡泡壁会产生凸起现象,因此空泡溃灭形态会呈现出非对称特性。(4)定量对比了基于维斯定理将颗粒假设的虚拟空泡和均匀线汇对空泡开尔文冲量和空泡周围液体运动速度的贡献。发现颗粒假设的虚拟空泡是靠近颗粒侧存在液体低速区的原因,而颗粒假设的均匀线汇对液体速度的作用效果与虚拟空泡相反。此外,虚拟空泡对空泡周围液体速度和开尔文冲量的贡献大于均匀线汇。因此,颗粒对空泡的作用机制以虚拟空泡的贡献为主,虚拟空泡是影响空泡移动现象和导致空泡溃灭阶段靠近颗粒侧的泡壁产生凸起现象的主导贡献机制。本文进一步揭示了空泡-颗粒相互作用机制,有助于探明磨蚀的微观机理,有效保护水力机械过流部件,提高生产效率。