巷道摩擦风阻粗糙表面分形表征及计算方法

为满足智能通风快速准确获得巷道摩擦风阻的需求,基于摩擦风阻公式中粗糙度的重要性,采用分形理论对三维粗糙表面进行表征,提出了一种基于分形维数描述巷道表面粗糙程度并计算摩擦风阻的方法.建立了分形表征巷道三维粗糙表面的摩擦风阻计算模型,采用尼古拉茨实验对模型参数进行推导并验证模型,通过开滦实验巷道三维激光扫描数据计算巷道表面分形维数,并用新摩擦风阻计算方法与现场阻力测定结果对比评价模型,认为基于分形理论的摩擦风阻计算方法具有可靠性,能够很好地表征巷道三维粗糙表面特征对摩擦风阻的影响.研究结果表明:尼古拉茨实验数据应用新摩擦风阻计算方法与传统阿特金森摩擦风阻计算结果对比,平均相对误差为6.874%;开滦实验巷道应用新摩擦风阻公式计算方法与通风阻力测定结果对比,相对误差为6.667%.综合评价分析认为,新摩擦风阻公式可以很好的体现三维粗糙表面对摩擦风阻的影响,结合三维激光扫描技术可以快速准确的获取巷道摩擦风阻,为智能通风参数测量关键技术和理论发展提供参考.     

一种新的描述粗糙表面形貌尺度分维参数Rd的研究

对传统粗糙岩石表面形貌描述参数进行了分析对比，分形维数适合于描述机械摩擦这样的粗糙细节较小的场合，对于研究粗糙尺度较大的岩石两体相互作用问题，分形维数描述方法不适用于与其力学性能建立联系．借助分形理论中以分数而非整数表示图形维数的思想，提出了一种新的描述表面粗糙形貌的指标Rd．通过对分形函数生成的粗糙曲线和基于激光扫描技术得到的粗糙表面的研究，分析了传统描述指标Ra与Rd描述指标的优缺点，验证了Rd指标的合理性．     

粗糙表面及界面的理论表征

分形理论可以用于表征表面的粗糙程度。与其它常规的方法相比，例如均方根粗糙度，有许多长处。这一描述并不依赖于实验仪器的分辨率并且具有标度不变性。分形理论用于描述薄膜的表面或界面粗糙程度，可以提供许多有用的关于薄膜生长机理的线索。     

粗集料纹理粗糙度表征的高差相关函数方法

为全面描述粗集料的粗糙程度,引入高差相关函数进行粗集料表面纹理多参数表征.首先借助触针轮廓仪获取集料表面纹理轮廓曲线,消除数据误差.然后,计算粗集料高差相关函数,对函数进行分段拟合,计算表面纹理曲线的自相似特征参数(D,ξ_∥,■)作为评价指标,分析粗集料表面纹理的粗糙程度.结果表明:粗集料表面纹理在一定范围内具有两段变维特性,微观纹理和宏观纹理的尺度界线为100～200μm;不同集料表面宏观纹理分形维数D_1均在1.3左右,微观纹理分形维数D_2均在1.05左右,分形维数对粗糙度不敏感;水平截止波长ξ_∥和幅度期望值■分别反映了粗集料表面微凸体的水平波长期望值和垂直幅度期望值,水平截止波长ξ_∥反映最大微凸体的大小,其中白云岩和闪长岩较小,晶体结构较大的花岗岩较大.幅度期望值从大到小依次为闪长岩、黄砂岩、花岗岩1、辉绿岩、花岗岩2、白云岩,符合实际情况,幅度期望值■可定量描述集料整体的粗糙程度.自相似特征参数可全面描述粗集料表面纹理的粗糙程度.     

表面微观形貌参数表征系统的研制

如何准确、有效地表征表面微观形貌参数,是研究表面形貌及其摩擦磨损性能的关键因素之一。采用VC 软件,研制了一套适用于表面微观形貌参数表征及研究的系统,主要包括表面形貌轮廓曲线的显示与模拟、形貌粗糙度参数和分形参数的表征、分形函数的研究与表征、分形维数计算方法的比较、形貌表征参数之间的关系等。对于高效、准确地研究和表征加工表面形貌有着重要的实际价值。     

结构函数与均方根分形表征效果的比较

为了比较结构函数与均方根两种测度方法的分形表征效果，模拟了具有不同理论分形维数的Weierstrass—Mandelbrot分形轮廓曲线；制备了车削、磨削和砂纸打磨的不同粗糙表面，并提取了它们的轮廓曲线；然后用结构函数和均方根两种方法对理论和实际的轮廓曲线进行了分形表征和分维计算．研究表明，两种测度方法对分形模拟轮廓曲线均具有较好的表征效果；对于机加工粗糙表面，均方根测度方法比结构函数测度方法的适应性强，无标度区间宽，表征效果好；另外，均方根测度方法还具有物理意义明确，分维计算简单和分形表征直观等优点．     

Cu基低碳醇合成催化剂表面分形维数与催化性能

用分形几何描述催化剂的表面形貌，用盒子维模型测定了不同制备方法和载体所制备的催化剂表面分形维数，分形维数Ｄ被看作是催化剂形貌的表征参数。结果表明，催化剂表面形态具有自相似性，催化剂表面分形维数介于２．５７至２．６７之间，尖晶石载体对催化剂表面分形维数影响最大，制备方法也影响催化剂表面分形组成，相同组成的催化剂表面分形维数增大，催化剂的ＣＯ转化率提高。     

分形表面三维形貌Areal参数表征研究

以WM分形函数模拟机械加工表面,采用最小二乘平面作为基准平面,对三维表面形貌Areal表征参数(14+3)体系进行全面分析,包括幅度参数、空间参数、综合参数、功能参数等4类形貌参数,并分析三维表面分形维数与表面形貌表征参数的相关关系,以此探究表面形貌参数对表面功能的影响。研究结果表明:三维WM分形表面近似于高斯表面,服从高斯分布;WM分形表面的分形维数与三维表面形貌参数之间存在一定关系,幅度参数和综合参数与分形维数呈现标准的线性分布,这2类参数与表面功能存在密切关系;而空间参数和功能参数随分形维数的增大变化不大,对表面功能的影响并不明显。     

机械密封摩擦副端面形貌的分形特性

介绍了表征粗糙表面形貌分形特征的Weierstrass-Mandelbrot函数式,分析了判断粗糙表面形貌分形特性的功率谱法和结构函数法.采用AF-LI型触针式表面轮廓测量仪测量了GY70型机械密封摩擦副端面的径向及周向轮廓曲线.利用结构函数法分析了端面轮廓的分形特性,通过计算得出动环端面径向和周向分形维数分别为1.293,1.291,静环端面径向和周向分形维数分别为1.288,1.283.研究结果表明,GY70型机械密封摩擦副动、静环端面轮廓均具有统计自仿射分形特性且各向同性.     

天然粗糙面雷达杂波的分形模型

引入时变分形曲面描述天然粗糙面的面部动态特征,给出了３个合理电磁散射假设,采用基尔霍大法定怀撒射场的时域分形特性,导出天 杂波的分形模型,随后以大擦地角的回波信号为例,简要分析了杂波模型的幅度分布,功率谱和参数的特性、,理论分析和实验表明,天然粗糙面杂波和分形模型相吻合,分形模型可有效地对天然粗糙面杂波进行建模 。     

分形粗糙面单站散射的遮蔽效应研究

利用粗糙面电磁散射中的基尔霍夫近似，结合粗糙面遮蔽效应和分形粗糙面特征函数的计算，导出了考虑遮蔽效应情况下导体分形粗糙面单站散射截面近似公式．比较了高斯粗糙面和分形粗糙面的散射截面分布情况，分析了粗糙面不同均方根斜率对遮蔽效应的影响．研究了不同分维和不同空间基频情况下分形粗糙面后向散射截面的角分布情况．     

Numerical simulation of bistatic scattering from fractal rough surface in the finite element method

By using the Monte Carlo method and numerical finite element approach, bistatic scattering from the fractal and Gaussian rough surfaces is studied. The difference between these two surfaces and their functional dependence on the surface parameters are discussed. Angular variation of bistatic scattering from the fractal surface is very significant, even for fairly smooth surface, whilst scattering from the Gaussian rough surface tends to the specular reflection. The slope of angular variation is linearly related with the fractal dimension. If an electrically-large target is placed over the rough surface, the fractal dimension inverted from bistatic scattering would be reduced. As the surfaces become very rough, scattering from different fractal and Gaussian surfaces would be not identified.     

老混凝土表面粗糙度的一种简单测定法

粗糙处理后的老混凝土表面具有分形特征.通过自制粗糙度测定仪,用简单分形方法评价老混凝土表面粗糙度,并与常规测试方法进行对比.数据表明,分形维数-D和平均灌砂深度-h二者回归线性良好,可以做为混凝土的精糙度评价指标.该测量仪操作简单、使用方便,适合实际加固工程中老混凝土表面粗糙度的测量.     

二维分形表面电磁散射特性

为深入研究电磁波、光波探测信号与不规则背景表面之间的相互作用机理及物理本质,以便给雷达目标探测、不规则材料表面的探测与遥感提供必要的散射模型,对具有分形维度的二维粗糙表面采用带限Weierstrass函数进行建模,推导了基于基尔霍夫近似理论的二维粗糙面散射场,在HH极化条件下,给出了该分形面的电磁平均散射系数和平均强度系数,通过理论分析和数值计算讨论了粗糙面散射特性与谐波数、入射波波长、面分维等其他参量之间的关系.结果表明,随着分维和谐波数的增大,除镜向反射以外,散射强度的幅值及其旁瓣分量是增大的.为基于表面散射强度重构粗糙面的相关统计参数提供数据.     

岩体分形裂隙网络系统中水流动研究进展

以分形几何理论和岩体裂隙系统统计地质资料为基础,建立描述岩体裂隙网络系统几何特性的分形模型.考虑到裂隙长度、开度、位置和间距等几何参量的分形特性,建立基于Monte-Carlo模拟的岩体的裂隙网络系统模型随机生成方法.回顾了岩体裂隙网络系统几何参数的分形分布模型以及离散分形裂隙网络系统建模方法、单个裂隙以及裂隙系统水流动数值模拟方法和裂隙系统等效渗透系数估计方法.对岩体裂隙网络系统的分形几何结构进行研究,使得裂隙网络几何模型真实反映岩体裂隙的结构特征、水流动和溶质传输数值模拟模型更接近岩土工程实际原型、预测结果更加准确,在物理本质上揭示分形裂隙岩体水流动和溶质传输机理.     

一维带限Weierstrass分形粗糙面透射波散射系数特征研究

采用一维归一化带限 Weierstrass函数模拟一维分形粗糙面,根据微扰法研究了粗糙面下方介质2中的电磁散射,结合分形粗糙面的自相关函数和功率谱导出了不同极化状态下一维带限Weierstrass分形粗糙面透射波散射系数计算公式．通过数值计算得出了不同极化状态下一维带限Weierstrass分形粗糙面透射系数的分形特征、基本特征、分区特征和随频率变化特征．结果表明分维、粗糙面高度起伏均方根和入射波频率对分形粗糙面透射波散射系数有显著影响,在其他条件不变的情况下,分维越大、粗糙面高度起伏均方根越大、入射波频率越大,透射系数就越大．     

计算二维海面极化电磁散射的新方法

在基尔霍夫散射面元矩阵的基础上研究了一种计算二维模拟海面电磁极化散射的新方法,采用海面高度起伏矩阵以及x和y方向海面斜率矩阵描述二维海面,利用基尔霍夫近似推导出笛卡尔坐标系下椭圆极化入射时海面的散射场,得到了全极化雷达散射模型．仿真了不同条件下分形海面模型的全极化雷达后向散射截面及极化特征图,数值结果符合海面散射规律．由于该方法是对二维海面模型进行离散化分析,因此适用于多种海面模型．     

二维和三维Gauss随机粗糙面的Monte Carlo仿真

通过二维Gauss随机粗糙面的相关函数及其表面谱密度函数,应用Monte Carlo方法,建立了二维Gauss随机粗糙面模型,并采用均方根高度和相关长度对随机粗糙表面的高度起伏影响进行了特性分析,将二维的推导方法扩展到三维,建丑了三维Gauss随机粗糙面模型。