基于谱元法的三维欧拉-拉格朗日浅水模型

基于欧拉-拉格朗日法（Eulerian-Lagrangian method,ELM）计算对流项的三维水流数学模型,大时间步长计算仍保持稳定,但空间线性插值计算会产生附加数值阻力,限制了该类模型在河流工程中的应用。谱元法（spectral element method,SEM）是一种适合复杂区域计算的高阶数值方法。本文引入谱元法,将垂向线性插值改为多项式插值,构建了新的欧拉-拉格朗日法三维浅水流动数值模型。通过顺直明渠的算例分析表明,新三维模型结合了欧拉-拉格朗日法与谱元法的优点,时间步长能突破柯朗数的限制,同时消除了经典欧拉-拉格朗日法的数值阻力,计算精度有数量级的提高。     

基于欧拉-拉格朗日模型的单相有源电力滤波器无源性控制新方法

有源电力滤波器(active power filter, APF)的控制方法是决定其补偿性能的关键因素之一。该文基于单相APF的Euler-Lagrange(EL)系统状态平均模型,提出了一种无源性控制新方法。该方法首先基于替代定理建立了考虑源阻抗和非线性负荷影响的单相APFEL系统状态平均模型,在此基础上设计了无源性间接控制律,确保对单相APF控制目标的渐近跟踪。由于在线计算直流电容指令电压波动量十分困难,在控制方法的执行中忽略波动量的影响,简化了控制方法的实现;此外,该方法还研究了所注入的阻尼大小对控制效果的影响以及APF内层控制过调制产生的原因,针对无源性控制律跟踪精度的要求与内层控制过调制限幅条件间的矛盾,通过构造模糊逻辑推理环节实现阻尼系数的在线调整,在满足内层控制限幅条件下确保跟踪精度和补偿效果。仿真结果验证了所提出方法的正确性和有效性。     

基于欧拉-拉格朗日系统模型的ASVG无源非线性综合控制

先进静止无功发生器(ASVG)的控制方法是影响其补偿性能和效果的重要因素,其传统PI控制器结构简单,参数设计容易,但动态稳定性较差.为提高系统稳定性,将ASVG的数学模型用Euler-Lagrange系统表示,采用无源控制(PBC),设计ASVG的PBC控制器.从理论上保证ASVG系统的Lyapunov函数稳定性,但当系统出现干扰时ASVG安装点的系统交流电压和电容器直流电压波动太大.基于此,提出ASVG无源非线性综合控制方案,即:电流内环控制采用基于PBC的控制,ASVG安装点交流电压和电容器直流电压的双外环控制均采用PI控制,既保持了所提出的综合控制器能在大干扰下提高系统的稳定性,也能够快速有效地将ASVG安装点的系统电压和电容器直流电压控制在允许的范围内波动.具有ASVG的单机-无穷大系统的Matlab仿真结果表明了控制系统模型的正确性和所设计的综合控制器的有效性.     

鱼卵漂流的欧拉-拉格朗日模型与产卵量估算

从河流鱼类早期资源研究和保护的角度，立足鱼卵运动，将传统二维浅水模型与三维粒子追踪结合起来，建立了适用于天然河流鱼卵漂流的欧拉-拉格朗日模型。模型能够模拟对流和紊动扩散作用下鱼卵在河道内的三维运动和散布特性。模型效果通过模拟文献中的室内水槽PTV试验，对比实测鱼卵运动特性参数得到了验证。将模型应用于长江中游藕池河支流鱼卵野外示踪漂流试验中，模拟分析了鱼卵在河道内的平面迁移动态、垂向混合规律、断面分布特性以及河道地形和水动力的影响和作用；重点讨论了鱼卵断面浓度分布不均对产漂流性卵鱼类早期资源量（产卵规模）估算的影响，并通过模拟对传统的断面平均估算方法进行了校正，校正效果得到了示踪鱼卵漂流回捕实测数据的良好验证，鱼卵总量估算误差大大降低。此外，模拟还发现鱼卵漂流过程中的平均速度滞后于水流断面平均流速，在产卵场精确定位时须予以考虑。     

基于MMC欧拉-拉格朗日模型的HVDC不对称故障控制

基于模块化多电平换流器(MMC)的稳态数学模型,建立了MMC离散化数学模型,并基于模型设计了MMC电流内环离散控制器。针对MMC直流输电故障时系统中存在的负序电流,提出了基于MMC欧拉—拉格朗日模型的正负序无源控制器。为保证故障时系统仍能安全传输指定的有功功率,采用了故障时的有功功率控制策略。最后,在PSCAD/EMTDC环境下搭建了21电平模块化多电平换流器型高压直流(MMC-HVDC)输电系统仿真模型。仿真结果表明,所述控制策略在稳态和暂态过程中具有良好的控制效果,且结构简单,对实际工程具有一定的参考价值。     

固定宋热解生物质混合物的试验研究

选取华北地区常见的秸秆、木屑、沙柳和旱柳枝叶、紫花苜蓿等13种不同生物质,按等比例混合制成粉状生物质混合物,采用自行搭建的固定床热解,研究在不同热解终止温度下,生物质混合物热解产物的产率、气体热值及气体主要组成成分,并分析生物质混合热解特性和产物分配规律.通过试验,取得了生物质混合物在不同热解温度下不同气体产物的产率、气体热值、不同热解产物的产率等重要数据和结果,并将取得的试验结果与13种生物质单独热解的特征参数的加权平均值进行比较,分析了生物质混合物共热解过程中的协同作用.     

能源作物与传统生物质热解特性对比研究

研究了3种具有代表性的传统生物质以及两种能源作物,按化学组成不同分为4种不同类型的生物质。利用热天平研究了它们在氮气气氛下的热解失重特性,并进行了动力学参数的求取。另外通过固定床和气相色谱仪研究了四类生物质的热解气相产物析出规律。结果表明,能源作物相比传统生物质发生热解反应时活化能较大,但热解程度最高,同时热解后的可燃气相产物析出量明显大于传统生物质。     

基于欧拉-欧拉模型的气固鼓泡床数值模拟研究

通过基于颗粒动力学的双流体模型对气固流化床进行了数值模拟,分析考察了不同曳力模型、颗粒弹性恢复系数及计算时间步长等对床内混合及气泡的影响.数值计算结果表明:采用不同气固曳力模型会得到不同的气泡直径大小;对于同一曳力模型,随着颗粒弹性恢复系数的增加,床内流态化程度会加剧,计算时间步长增加,计算所得床内气泡直径略有减小.     

生物质热解的动力学特性研究

用综合热分析仪研究了氮气或二氧化碳作为载气的条件下,生物质(稻壳、玉米秸秆和木屑)热解的TG/DTG曲线的比较。依据TG曲线,将热解反应分为两个主导反应区,其拐点温度为Tf,并根据热重试验数据,利用改良的Coats-Redfern法和常用的46种机理函数,计算出生物质热分解反应的表观活化能、反应级数及频率因子。利用这些基础的动力学参数,计算出生物质热解的动力学特征值——反应速率常数k,活化熵△S≠,活化焓△H≠,活化Gibbs自由能△G≠,以及空间位阻因子P。用这些动力学特征值可以深入地了解反应过程和机理,预测生物质热解的反应速率以及难易程度。     

生物质低温热解炭化特性的实验研究

采用固定床和螺旋式2种实验装置,以稻秆、桑树枝、杨树枝和竹子等4种生物质为研究对象,在热解温度为250～300℃、停留时间为10～30min条件下进行生物质低温热解炭化特性的实验研究.结果表明:与生物质原料相比,生物质炭的表观体积缩小,外形收缩,颜色有不同程度加深,O/C质量比下降,热值得到大幅度提高,疏水性和研磨特性得到显著改善.随着热解温度和停留时间的增加,固体产物质量收率不断降低,较高的热解温度有利于气体的生成.桑树枝炭和稻秆炭的质量收率和能量收率随着热解温度的升高不断降低,且在相同热解条件下,生物质的能量收率始终高于质量收率.随着热解温度和停留时间的增加,生物质炭的能量密度不断增加;较低热解温度时,停留时间越长,生物质炭的能量密度增幅越大,但在较高热解温度下,停留时间对生物质炭能量密度增加的效果并不明显.     

生物质热解气部分氧化的数值模拟

为研究生物质热解气在部分氧化条件下的反应特性,更好地预测气相产物的反应行为,建立一个管流反应区内的热解气部分氧化反应模型.选用苯酚,甲苯,苯,萘4种物质作为焦油模型化合物,小分子气体由CO、CO2、CH4、H2、N2和O2组成.搭建一个连续性实验台用以验证模型.结果显示,模型对于小分子气体的变化趋势能够较准确地预测,但定量预测仍存在一定的误差:对于焦油总最及变化趋势方面较为准确.与实验结果相比,该模型能够定性地反映生物质热解气部分氧化条件下的反应规律.     

生物质成型燃料热解与燃烧特性研究

利用NETZSCH STA409PC型热重-差热分析仪对由木屑、秸秆等农林废弃物制成的生物质成型燃料的热解与燃烧过程进行热重分析。对TG、DTG曲线进行分析,结果表明生物质成型燃料热解过程分为干燥、热解与炭化3个阶段,热解过程随着升温速率升高出现热滞后现象。对热解剧烈失重区间建立了反应动力学模型,求解出此温度区间的表观活化能、频率因子等动力学参数,生物质成型燃料燃烧过程出现两次明显失重过程。     

王草的热解与燃烧特性实验研究

采用热重分析仪以10、20、30℃／min的温升速率对王草进行了热解特性实验,以20℃／min的温升速率进行了燃烧特性实验,得到热解与燃烧的特性参数。通过动力学分析得到热解与燃烧的活化能等动力学参数。研究结果表明, 王草的热解过程可分为3个阶段:预热干燥阶段、挥发分析出阶段、碳化阶段,热解失重主要发生在挥发分析出阶段。随着温升速率的上升,王草各热解特征温度都有所升高。王草燃烧曲线有2个明显的失重过程,存在二次着火现象。王草燃烧差热(DTA)曲线后面放热峰明显大于前面的放热峰, 表明固定碳燃烧放热量大于挥发分燃烧放热量。实验结果可以为王草的能源化利用提供指导。     

生物质与煤混合热解特性的研究

采用热重分析法(TGA)对几种常见天然生物质(麦秆、棉秆和杨木屑)、两种不同变质程度的煤以及两者混合物的热解特性进行了研究。试验升温速度5℃/min,终温850℃。结果表明:生物质热解温度低,热解速度快,而煤相对热解速度慢,热解温度高,随煤变质程度提高,TG曲线向高温区移动,热解温度升高,最终失重率减小,试验无烟煤和烟煤的最终失重率分别为17%和30.07%。生物质与煤混合热解时,总体热解特性分阶段呈现生物质和煤的热解特征,但从实际微分曲线与按比例折算后的曲线比较结果看,400℃之前,生物质对煤的热解影响不明显,在400℃之后,生物质的加入对煤的热解产生抑制作用,煤的热解速率降低,煤的挥发分越低,抑制作用越强。     

废轮胎热解硫迁移行为及神经网络模型预测研究

对废轮胎在鼓泡流化床热解反应器中热解时硫的迁移行为进行了试验研究,并基于带偏差单元的IRN神经网络对其进行了预测。结果表明:随温度的升高半焦中的残硫率下降,有更多的硫迁移到热解气、油中;500℃热解S→H2S的转化率出现极小值;600～700℃硫的析出速度最大,但高温下热解二次反应加强,更多的硫迁移到热解油中,S→H2S的转化率增加微小。基于采用EBP(误差逆传播)算法的带偏差单元的IRN神经网络模型的预测结果很好地与试验数据相符合。     

生物质与煤流化床共气化特性的试验研究

为了提高生物质的气化效率,掺杂煤作为惰性粒子,在流化床上进行了不同温度和生物质与煤不同质量比的气化试验,得出了各工况下气体产率及气化特性,分析了温度和质量比对二者的影响。结果表明:当气化温度在800～900℃之间时,温度提高,气化效率增加;当生物质与煤质量比为3∶1时,气化效率最佳。     

生物质热解过程中碱及碱土金属迁徙规律研究

研究了固定床上生物质热解过程中碱及碱土金属的迁徙规律,并结合扫描电镜-能谱分析对热解焦颗粒表面的相关无机元素富集状态进行了探索。研究发现在低温下钾的析出量较少,高温时则析出量迅速增加。钾的析出量与焦炭的堆积状态和生物质中的硅含量有较大关系。由于与焦炭的结合能力较弱,钠的析出比例较大。钙、镁在较低的热解温度下主要为有机钙、镁组分的分解,而在高温下则主要以较为稳定的形式存在于焦炭中。扫描电镜-能谱分析研究结果表明高温下生物质焦的形态稳定性与硅含量有关,钾元素的富集量与Cl存在明显的相关性。在焦炭的外表面,钾元素主要以硅酸盐形式存在,在焦炭的内表面,则主要以氯化钾形式存在。     

生物质成型燃料流化床燃烧粘结机理实验研究

在小型鼓泡流化床实验装置上,以石英砂为床料,进行了不同温度下果木枝条成型燃料流化床燃烧床料粘结机理实验研究。试验结果表明,温度是影响生物质流化床燃烧床料粘结的重要因素。通过对实验中形成的结团进行扫描电子显微镜、X射线能谱(SEM/EDX)以及对床料的X射线荧光光谱(XRF)分析表明,床料中碱金属元素的含量不能作为判断床料是否将要发生粘结的依据,而是取决于碱金属的存在形态;同时果木枝条灰中的Ca是构成结团颗粒粘附物的重要组分,其对床层发生结团有一定的影响作用。