不同集水面积阈值确定方法在典型黄土侵蚀地貌区的适用性分析

针对不同集水面积阈值确定方法的适用性问题,结合流域地貌侵蚀发育理论和侵蚀阶段—水系分维数关系判断了理论水系分维数大小,以水系分维数作为评判指标,分析了不同集水面积阈值确定方法的适用性,并以此为基础建立了一套无"蓝线"河网情况下检验集水面积阈值确定方法合理性的完整体系。实例应用结果表明,泾河流域水系结构具有典型的分形特征,其理论水系分维数应在1.4～1.6之间;受黄土地貌软弱岩性的影响,河网密度法及河道分支法在黄土沟壑地貌中具有良好的适用性,能较为细致地反映沟谷河道的准确信息;河源最小误差法及试错法下的水系分维数与理论值存在较大偏差,只适用于地形地貌变化不大的小型流域。     

城镇扩张背景下湘江中游水系变化及其响应研究

鉴于城镇扩张使大量水域被挤占压缩甚至消失，导致洪涝风险剧增。以湘江中游典型城市衡阳为例，基于2001～2016年研究区水系特征数据与城镇化数据，构建了水系变化与多维城镇发展评价体系，剖析了城镇扩张背景下水系变化响应。结果表明，湘江中游地区城镇发展可分为三阶段，城镇扩张呈现速度先快后慢、强度相对较低的特征；研究期内水系数量总体呈衰减趋势，河道形态整体呈萎缩状态，水系数量少、结构单一的流域衰减剧烈；城镇扩张与水系变化关系紧密，其对水系数量变化影响大于结构变化，且与水系数量少、结构单一的流域关联度高。由此可见，城镇建设与扩张等人类活动要尽可能减少对此类流域的不良影响。     

基于DEM和分形理论的沱江流域划分及河网提取

基于数字高程模型(DEM),利用ArcGIS软件提取沱江流域边界和河网,结合分形理论分析了不同汇流累积阈值下河网分形维数和密度变化率特征。结果表明,沱江流域面积为27 434km~2;流域河网分形特征明显,分形维数介于1.200~1.280之间;河网密度及其变化率和分形维数及其变化率均与汇流累积阈值呈负相关,相关系数分别为-0.98、-0.88、-0.96、-0.60,表明利用DEM提取的河网主要受汇流累积阈值影响;河网提取阈值为30 000时最为合理,此时沱江干/支流总长度为4 453km,河网密度为0.168km/km~2;与传统方法相比,引入分形理论后,在河网提取时选择汇流累积阈值愈简便和快捷,结果愈精确。研究结果不仅改善了岷江和沱江水系划分结果,且为该地区流域划分和水文分析等提供了理论指导和实践参考。     

基于DEM的湟水流域河网阈值分析

基于ArcMap10.2,提取了湟水流域在不同集水面积阈值下的河网,采用河网密度法和水系分维法分别确定阈值,提取河网与实际河网作叠加分析,对比得出最佳阈值,判断流域地貌侵蚀发育所处的阶段。结果表明,阈值越大,河网越稀疏;集水面积阈值与河网密度之间存在幂函数关系,采用河网密度二阶导数法、水系分维法计算出的阈值分别为13 000、14 000,河网密度法提取出的河网与实际吻合度更高,两种方法对比验证提高了流域阈值选定的准确度,最后得到湟水流域最佳集水面积阈值为13 000;盒维数计算结果为1.065 5,说明流域地貌正处于侵蚀发育的初始阶段。     

松花江流域泥沙颗粒分形性研究

研究流域泥沙有利于分析泥沙来源、泥沙运动及河床演变等,采取有针对性的治理措施对控制泥沙非常有利。为此,根据分形理论,通过MS2000激光粒度分析仪分析了松花江流域晨明、古城子、哈尔滨、佳木斯、南岔、铁力、延寿七个水文站泥沙粒度分布的分形性。结果表明,松花江流域7个测站泥沙粒度的分维值在2.201~2.391之间,所对应的相关系数均在0.858以上,基本保持了良好的统计自相似性,分维值与泥沙颗粒组成、传统粒度参数的相关关系基本符合经验数据。     

赣江河漫滩沉积物的粒度分形特征及其对洪水的指示

基于赣江河漫滩相沉积序列的415个样品,利用分形理论分析了沉积物的粒度分形特征,并对比了平均粒径等传统粒度指标重建的洪水事件序列。研究结果表明,无标度区范围相关系数R2的平均值由0.75提升至0.82,沉积物分维值D的平均值为2.34,说明沉积物粒度分布的分形特征较好。分维值D与传统粒度指标中的平均粒径、偏态、粘土含量存在显著正相关关系,与砂和粗粉砂含量存在显著负相关。在洪水期,沉积物的粒度偏大,砂的含量较多,分维值D偏小,非洪水期正好相反。在辨识出的18个洪水年份中,分维值D可辨识出15个洪水年份,达到了83.3%,这表明了粒度的分维值D在基于河漫滩沉积序列的古洪水重建中有一定的应用潜力。     

秦岭南北典型流域径流特征及其降水变化响应

为探索秦岭南北典型流域径流特征及其降水变化响应,选择月河流域和灞河流域为典型流域,根据两流域干流站1960~2010年逐月径流资料,用距平累积法、非参数Mann-Kendall法和R/S分析法等方法对年代际、月尺度径流特征进行对比分析,并考虑年内降水变化,建立降水径流关系模型,定量分析降水变化和人类活动对径流的贡献率。结果表明,两流域径流具有较高的相关性,趋势变化规律大体一致,径流系数基本相同;径流年际变化中径流深接近,均呈震荡下降趋势,且灞河流域下降趋势更明显;年代际变化均呈W型,突变点均在1985~1987年之间,灞河流域通过显著性检验;灞河流域径流年内分配比月河流域更平均,灞河流域年内径流呈双峰型,月河流域径流年内变化呈单峰型;随着时间尺度的降低,两流域径流相关性降低。     

内燃机燃烧火焰的分形特征研究

介绍了发动机湍流预混燃烧火焰分形研究的进展,分析了湍流火焰分维测量的数盒子法、修正数盒子法及其优缺点,讨论了火焰特征尺度、内外截点的尺度及维数D与各参数之间的关系。     

过机泥沙粒径分形维数变化特征研究

泥沙磨损和空蚀破坏是影响水轮机安全运行的一个重要问题,其中泥沙粒径组成成份至关重要。为此,基于采集的水轮机过机泥沙颗粒样品,采用激光粒度仪分析过机泥沙粒径级配分布,结合分形理论探究过机泥沙粒径在时间和空间上的分形变化特征。结果表明,过机泥沙分形维数值在时空尺度上的变化由过机泥沙各组分体积百分含量的变化引起。通过相关性分析,过机泥沙分形维数值与粘粒百分比含量呈正相关,与粉粒百分比含量呈负相关,砂粒体积百分含量与分形维数略呈负相关;过机泥沙分形维数值与入库流量间相关性较过机泥沙粒径的分形维数与泥沙各组分体积百分含量的相关性差;过机泥沙分形维数值与泥沙浓度存在正相关,但相关性不显著。     

玛纳斯河肯特瓦特站年径流序列分形分析

基于分形概念及其理论,利用重标极差(R/S)分析法分析了玛纳斯河多年径流量,计算了赫斯特系数(H)值和序列的分维数,并与其理论值进行了比较检验.依据赫斯特系教的突变点及Vt的突变点,分析了年径流序列的分形特征、状态持续性及统计周期长度.结果表明,玛纳斯河年径流序列服从分形分布,具有长期的状态持续特性和18 a的统计周期长度,为本流域水资源合理规划与合理利用提供了统计参数,也为探索玛纳斯河年径流长程相关模型提供了新的思路.     

基于投影覆盖法的小流域模型地貌分形特征

针对流域地貌所具有的明显各向异性和三维立体特征,将投影覆盖法引入其三维表面分形特征的直接量化,结合投影覆盖法计算三维表面分形维数基本原理和GIS技术,提出了基于投影覆盖法的计算流域地貌三维表面分形维数的GIS实现过程,并对9次摄影测量所得小流域模型地貌三维表面分形维数进行了计算。结果表明,投影覆盖法可实现流域地貌三维表面分形特征的直接量化,计算出的地貌三维表面分形维数准确反映了模拟降雨驱动下小流域模型地貌总体特征的动态变化过程;与计盒维数法相比,投影覆盖法更有利于揭示小流域模型不同发育阶段地貌特征的差异性,对于流域水土流失预报模型中地貌因子量化参数的选择具有重要意义。     

含湿非饱和多孔介质的完全分形传热研究

为了探究在含湿情况下多孔介质有效导热率的变化,基于分形理论,考虑多孔介质在含湿时加热过程中相变的影响,结合加热过程中的热量守恒方程和傅里叶导热定律推导出计算有效导热率的新公式。将该模型相关数据代入进行计算,分析了孔隙率、含湿率、面积分形维数和迂曲分形维数对有效导热率的影响。研究发现,孔隙率与有效导热率呈负相关,含湿率与有效导热率呈正相关,分形维数与有效导热率呈负相关。该研究能够反映多孔介质内的传热进程,对于探究微孔结构物质的传热具有一定的指导意义。     

基于关联维数的柴油机声音信号特征分析

提出了基于分形关联维数的柴油机声音信号特征分析方法,通过主分量分析法证明了柴油机声音信号具有分形特征。根据G-P算法,阐述了柴油机声音信号关联维数的计算方法,并对计算过程中噪声对关联维数的影响进行了详细的论述。计算结果表明,柴油机声音信号关联维数随工作状况改变有明显的变化,可作为柴油机工作状态监测和故障诊断的一个特征量。     

垂直轴风力机气动特性与涡脱落模态分析

垂直轴风力机运行过程中,叶片上下表面边界层与剪切层的相互作用使风力机下游尾迹形成周期性涡结构,这种尾迹涡结构对风力机空气动力学特性具有重要影响。基于此,该文采用计算流体力学方法对不同工况下垂直轴风力机尾迹涡结构展开研究,利用快速傅里叶变换与相空间轨迹分析不同尖速比下风力机叶片涡脱落现象和尾迹涡结构,并通过分形维数研究转矩与尾迹流场速度变化。结果表明：风力机尾迹涡结构随尖速比变化呈现不同特征,当尖速比为3.6时,风力机尾迹两侧呈规则性反向脱落涡模态;低尖速比垂直轴风力机尾迹具有明显的混沌特性,且随尖速比的增加混沌特性逐渐减弱;随着尖速比的增加,风力机转矩与下游速度分形维数不断降低,且当尖速比为3.6时,风力机下游速度分形维数仅为1.07。     

Fractal model for predicting the effective binary oxygen diffusivity of the gas diffusion layer in proton exchange membrane fuel cells

We propose an analytical model to predict the effective binary oxygen diffusivity of the porous gas diffusion layer (GDL) in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs). In this study, we consider the fractal characteristics of the porous GDL as well as its general microstructure, and we adopt the Bosanquet equation to derive effective diffusivity. The fractal characterization of GDL enables us to model effective diffusivity in a continuous manner while taking into account the effect of pore size distribution. Comparison to two other theoretical models that are generally accepted in the simulation of PEMFCs shows similar trends in all three models, indicating that our proposed model is well founded. Furthermore, the predicted effective binary oxygen diffusivities of two samples show that after treatment with polytetrafluoroethylene (PTFE), the effective binary diffusivity of the GDL decreases. Based on the parametric effect analysis, we conclude that effective binary diffusivity is negatively correlated with tortuosity fractal dimension but positively correlated with the fractal dimension of pore area, porosity, or mean pore diameter. The proposed model facilitates fast prediction of effective diffusivity as well as multi-scale modeling of PEMFCs and thus facilitates the design of the GDLs and of PEMFCs.     

华中粉砂岩粗粒土粒径级配分形特性研究

研究不同应力状态下颗粒粒径级配演化规律是分析土体应力状态、评价其工后变形的关键。基于质量-粒径分形模型从分形角度阐述了粗粒土粒径级配曲线探究依据,设计了5种不同分形维数的粒径级配,分析了土体颗粒空间分布特性;通过三轴剪切试验及颗粒筛分试验,探究了不同分形维数粗粒土偏应力峰值前后应力应变曲线性态分布及剪应力峰值、内摩擦角、分形维数因子等参数变化规律。结果表明,土体粒径范围随分形维数越大而更宽泛;应力应变曲线随分形维数及围压增大而存在应变软化向应变硬化过渡的趋势,偏应力峰值随分形维数增加而增大,内摩擦角呈先减小后增大的变化规律。粗粒土分形维数变化因子与相对围压呈线性函数关系,方程斜率及截距仍与相对围压呈线性函数关系,据此建立了考虑围压及初始分形维数的经验方程,为从分形角度来设计与优化粗粒土粒径级配而达到提高其力学强度等提供了参考依据。     

基于差商分析的土裂隙分形无标度区确定方法

为了定量确定土裂隙的分形无标度区、提高分形维数计算结果的可靠性,基于数字图像处理技术提取土干缩裂隙图像,分析了在盒维数计算中拟合区间对土裂隙图像分形特征和分形维数计算结果的影响,并提出了采用差商分析的方法确定分形无标度区。结果表明,就同一张土裂隙图像而言,不同拟合区间的选取会导致分形维数值出现较大差异性,即计算存在不确定性;网格尺寸较小时,土裂隙分形特征较为明显,当网格尺寸增大到一定程度后,分形特征减弱甚至消失;采用一、二阶差商分析的方法可确定裂隙图像的分形无标度区,从而提升分形维数计算的可靠性。