数学建模空气污染

2024-06-10 版权声明 我要投稿

数学建模空气污染(精选10篇)

数学建模空气污染 篇1

1 加强空气污染监测的重要意义

人类社会发展的进程中, 带来了严重的环境污染问题, 主要集中在空气、水源和森林三大方面。其中, 空气污染对人们的生活影响是最广的。由于空气环境的好坏直接影响人们的日常生活, 人们越来越关注环境空气的质量。空气污染, 又称为大气污染, 按照国际标准化组织的定义, 空气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中, 呈现出足够的浓度, 达到足够的时间, 并因此危害了人类的舒适、健康和福利或环境的现象。现阶段, 我国的空气污染严重, 人们必须要对空气质量有深入的了解, 加强环保意识, 改善空气污染的现状。空气污染监测和建模可以客观反映空位质量和大气污染情况, 是一种准确、及时的方法, 结合空气污染监测结果, 相关部门可以正确做出决策, 有利于缓解空气污染现状。

2 我国空气污染监测的现状分析

建国以来, 我国工业发展步伐较快, 综合国力水平大幅度提高, 带来的环境污染问题也越来越严重。为了降低环境污染对人们身心健康的威胁, 我国已经颁布了一系列的环保调理, 制定了法律法规来规范工业生产等造成的污染。我国将环境监测作为环境保护的一项基础工作, 虽然起步较晚, 但是发展较快, 形成了较全面的监测范围, 具有很强的专业性。近年来, 我国相关部门根据空气污染的实际状况, 进一步制定、调整和统一了监测原则, 并取得了一些可观的成果。我国环境部门致力于建设网络模型, 进行全国范围内的监测, 在很多地方也设立了环境监测站, 引进了先进的仪器设备, 促进我国空气污染监测工作的开展。

空气污染监测是指对环境空气进行监测, 测定其中污染物的成分、含量等, 并进一步对空气环境质量进行评价, 包括了连续测定和间接测量两类。空气环境监测并非是简单的环境数据的获得, 而是根据相关环境数据判断空气环境的质量, 发现人们生活对空气质量的影响, 进而找出控制空气污染的方法。现阶段, 我国空气污染监测主要分为环境空气质量检测、环境空气污染源监测和特定目的应急监测。近年来, 我国建立并完善了空气污染监测体系, 我国空气污染监测人员付出了较大的努力, 不断总结经验, 探讨相关的问题, 并提出了更加有效的监测方法。

3 提高环境空气污染监测的措施

3.1采取有效的空气污染监测技术。空气污染监测与人们的日常生活紧密联系, 做好空气污染监测是极为重要的。空气污染检测方面的工作人员, 要做好空气质量及空气污染状况的监测, 采取有效的空气污染监测技术, 为人们提供正确的信息, 以便于环保措施方案的制定。首先, 要规定空气污染检测的主要目标, 通常情况下, 空气污染检测的主要污染物有一氧化碳、二氧化碳、粉尘、灰尘等, 空气质量检测的主要污染物是可吸入悬浮颗粒物、氮氧化物、二氧化物、一氧化碳、降尘等。其次, 要监督空气污染检测方法和空气质量的技术标准等, 成立专门的督查小组, 保证空气污染监测数据的真实性。再次, 我国环境部门应规范空气污染监测手段, 提高监测人员人员的综合素质水平, 确保空气污染监测数据的精确性。最后, 我国地方政府要秉承认真负责的态度, 提高对空气污染监测的重视程度, 国家空气质量检测部门要分析并校正监测数据。

3.2运用先进监测设备, 完善监测系统。空气质量检测工作是专业性较强的工作, 需要依靠先进的监测设备。传感器是一种检测装置, 能感受到被测量的信息, 并能将感受到的信息, 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出, 以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。在空气污染监测工作中, 要加强传感器的应用, 引进空气自动监控系统, 实现连续实时地获取监测数据, 及时处理监测数据, 随时得出空气污染指数及空气质量级别。空气污染指数就是将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式, 并分级表征空气污染程度和空气质量状况, 适合于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势。空气污染指数的预测可以在严重的空气污染情况出现前, 提醒市民大众, 特别是那些对空气污染敏感的人士, 如患有心脏病或呼吸系统毛病者, 在必要时采取预防措施。

4 空气污染建模的概述

4.1空气污染建模的重要性。空气污染监测点的选择直接影响空气污染监测结果的准确度, 因此, 空气污染建模的重点是空气污染监测点的选择。科学的空气污染建模可以提高空气污染监测工作的效率, 获得更加准确的监测数据, 能够真实反映空气质量和污染状况。如果监测点选择不合理, 将会大大增加工作量, 并且获得的数据往往是不准确的。所以, 在空气污染监测过程中, 要加强空气污染建模的合理性, 科学选择监测点, 提高空气污染监测的效率。

4.2空气污染建模的注意事项。环境空气污染建模是一项复杂的工作, 需要考虑多方面不同因素, 主要应注意以下问题:一是, 要明确空气污染监测的目的。防治空气污染是一个庞大的系统工程, 需要个人、集体、国家、乃至全球各国的共同努力, 只有做好了空气污染监测, 才能够有效控制和防治空气污染, 空气污染监测主要包括污染源对环境影响的监测和城市环境空气质量的监测。监测的不同是由监测目标决定的。城市环境空气质量的监测的主要目标是通过对环境影响的监测, 调查空气中污染物的分布规律, 掌握污染源的变化趋势进行污染。二是, 要确定污染源的状况。针对不同种类空气污染源, 空气污染建模方法存在较大的差异。在进行空气污染建模之前, 要调查及分析污染源的分布, 确保建模工作的顺利进行。污染源相对集中的区域, 可以采取同心圆不点发;污染源分布均匀的区域, 可以选择规格网格法。三是, 要综合考虑风力情况、地形特征等, 科学合理选择空气质量监测点。监测人员必须要综合考虑各方面因素, 做好代表性的空气污染建模的布点工作, 提高空气污染检测水平。

结束语

综上所述, 空气污染监测是实现环境保护的基础, 做好空气污染监测和建模是非常重要的。相关部门及工作人员应采取有效的空气污染监测技术, 运用先进监测设备, 完善监测系统, 提高环境空气污染监测。在空气污染建模环节中, 考虑全部因素, 选择合理的监测点, 保证监测数据的精确性, 以便于制定出有效的环境保护方法, 控制环境污染程度。

参考文献

[1]朱凤娟.浅谈空气污染监测与建模[J].科技创新与应用, 2014, 10:110.

[2]周浩.浅谈空气污染监测和建模[J].黑龙江科技信息, 2014, 23:82.

数学建模空气污染 篇2

摘要:依据能量守恒定律,推出了三维电极反应器输入能量的理论计算公式.通过相应的数学方法,对公式进行了简化;应用相关试验证明了公式能够描述实际的.电化学过程.采用简化后的公式进行试验数据处理,可以得出关于三维电极反应器设计最重要的特征参数K1,K2,通过试验确定特征参数K1,K2后,能够精确地指导工艺设计.作 者:王立章 傅剑锋 乔启成 WANG Li-zhang FU Jian-feng QIAO Qi-cheng 作者单位:王立章,乔启成,WANG Li-zhang,QIAO Qi-cheng(中国矿业大学,环境与测绘学院,江苏,徐州,221008)

傅剑锋,FU Jian-feng(东南大学,环境工程系,江苏,南京,210096)

浅谈空气质量及空气污染 篇3

随着科学技术的进步和经济的发展,人们的生活水平日益提高,但随之带来的环境问题也日益突出,其中大气污染尤其严重。大气污染问题已经成为人民日益关注的热点问题。近几年雾霾天频频来袭,对人们的生活和健康带来了极大的危害。人们渴望着蓝天白云,盼望着清洁的空气….。

一、空气质量及其标准

空气是指包围在地球周围的气体,它维护着人类及生物的生存。清洁的空气是由氮78.06%、氧20.95%、氩气0.93%等气体组成的,这三种气体约占空气总量99.94%,其它气体总和不到千分之一。但是,随着工业及交通运输业的不断发展,大量的有害物质被排放到空气中,改变了空气的正常组成,使空气质量变坏,人类健康就会受到影响。为了改善环境空气质量,防止生态破坏,创造清洁适宜的环境,保护人体健康,根据《中华人民共和国环境保护法》和《中华人民共和国大气污染防治法》制定了《环境空气质量标准》(GB3095-1996)。这个标准规定了环境空气质量功能区划分、标准分级、主要污染物项目和这些污染物在各个级别下的浓度限值等,是评价空气质量好坏的科学依据。它将有关地区按功能划分为三种类型的区域:一类区为自然保护区、林区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区,二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工业区和农村地区,三类区为特定工业区。环境空气质量标准也分为三级,一类区执行一级标准,二类区执行执行二级标准,三类区执行三级标准。衡量某个区域的空气质量达到几级标准主要就是看这个地方空气中各种污染物如总悬浮颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等的浓度达到几级标准。

二、空气污染及污染物

大气污染通常是指由于人类活动或自然过程引起某些物质进入大气中,呈现出足够的浓度,达到足够的时间,并因此危害了人体的舒适、健康和环境污染的现象。

大气污染物主要分为有害气体(二氧化碳、氮氧化物、碳氢化物、光化学烟雾等)及颗粒物(粉尘、雾、尘等)。它们的主要来源是工厂排放,汽车尾气,农垦烧荒,森林失火,炊烟(包括路边烧烤),尘土(包括建筑工地)等。

三、空气污染指数及与健康的关系

空气污染指数(Air pollution Index,简称API)就是将常规监测的几种空气污染物浓度简化成为单一的概念性指数值形式,并分级表征空气污染程度和空气质量状况,适合于表示城市的短期空气质量状况和变化趋势,是评估空气质量状况的一组数字,它能告诉您今天或明天您呼吸的空气是清洁的还是受到污染的,以及您应当注意的健康问题。空气污染指数关注的是吸入受到污染的空气以后几小时或几天内人体健康可能受到的影响。空气污染指数划分为0-50、51-100、101-150、151-200、201-300和大于300六档,对应于空气质量的六个级别,指数越大,级别越高,说明污染越严重,对人体健康的影响也越明显。

空气污染指数为0-50,空气质量级别为I级,空气质量状况属于优。此时不存在空气污染问题,对公众的健康没有任何危害。

空气污染指数为51-100,空气质量级别为Ⅱ级,空气质量状况属于良。此时空气质量被认为是可以接受的,除极少数对某种污染物特别敏感的人以外,对公众健康没有危害。

空气污染指数为101-150,空气质量级别为Ⅲ⑴级,空气质量状况属于轻微污染。此时,对污染物比较敏感的人群,例如儿童和老年人、呼吸道疾病或心脏病患者,以及喜爱户外活动的人,他们的健康状况会受到影响,但对健康人群基本没有影响。

空气污染指数为151-200,空气质量级别为Ⅲ⑵级,空气质量状况属于轻度污染。此时,几乎每个人的健康都会受到影响,对敏感人群的不利影响尤为明显。

空气污染指数为201-300,空气质量级别为Ⅳ级,空气质量状况属于中度重污染。此时,每个人的健康都会受到比较严重的影响。

空气污染指数大于300,空气质量级别为V级,空气质量状况属于重度污染。此时,所有人的健康都会受到严重影响。

空气污染指数的预测可以在严重的空气污染情况出现前,提醒市民大众,特别是那些对空气污染敏感的人士,如患有心脏病或呼吸系统毛病者,在必要时采取预防措施。

四、大气污染常规监测项目

空气螺旋桨逆向建模 篇4

当前, 随着CAD/CAM技术、测量技术和先进制造技术的发展, 使研究人员更容易实现产品实物的逆向工程。开展逆向工程的主要目的是研究人员在不易获得现有产品必要信息的条件下, 直接从成品的分析中推导出产品的相关信息。因此逆向工程是一系列分析方法和应用技术的结合, 是一个“认识原型→再现原型→超越原型”的过程[1]。

螺旋桨是多旋翼无人机的主要推进器, 其设计性能和制造精度直接决定多旋翼无人机功率的利用效率、飞行性能、噪声等性能。为满足设计中不断改进、制造及研究中节约成本的需求, 并且获取旋翼更多的相关信息, 本文采用逆向工程的方法, 获得已有的旋翼几何外形的点云数据并处理数据, 用Pro/E重构旋翼的CAD模型,

1 空气螺旋桨三维点云数据的获取

用逆向工程方法进行空气螺旋桨曲面的重构。三维光学扫描仪采用的是天远OKIO-400型, 如图1。天远OKIO-400型具有扫描精度高、数据量大、扫描速度快、非接触式扫描等优点。关键部件有计算机、光栅发射器CCD摄像机两架、1394卡及线缆、标定块、标志点等, 如图2。

由于螺旋桨是薄壁件, 所以在测量过程中采用“建立框架拼接”测量模式来降低测量过程中的误差。由于每相邻两次之间的公共标志点至少为4个, 对螺旋桨一面三维扫描测量完后需要借助其他的参照物过渡到另一面, 从而获取曲面的点云数据如图3。数据预处理是模型重构前的必要准备, 是逆向工程的重要一步。运用Geomagic Studio12软件对采集点云数据的显示, 去除噪声点, 修复缺损数据, 精简点云数据, 分割点云数据, 得到预处理的点云数据如图4。

2 模型重构

2.1 曲面模型重构

曲面模型重构是逆向工程中最为重要的一步[3]。拟合曲面的过程中需要选择合适参数, 从而可用最少的曲面片建立较为精确的曲面模型, 因此在曲面重构之前需要了解其曲面的特性和曲面的数学模型。反求软件加Imageware采用的是NURBS曲面模型。NURBS方法不但较好地处理了自由型曲线曲面, 与B样条方法相统一, 而且又能精确表示二次曲线弧与二次曲面的问题。非均匀有理B样条线 (Non Uniform Rational B-SPline, 简称NURBS) 数学描述为[2]:

式中:Pi为控制顶点;ωi为权因子;t为参数值;m为m阶B-Spline的阶次;Ni, m (t) 为m阶B-Spline基函数;Ri, m (t) 为有理基函数。

根据几何变形和投影变换的不变性, 可以将NURBS曲线应用到二维平面, 可以得到NURBS曲面, 其数学描述为:

式中:Pi, j为矩形域上特征网格控制点列;ωi, j为一控制点上的加权因子;Bi, m1 (u) 为m1阶B样条基函数;Bi, m2 (v) 为m2阶B样条基函数。

从点云数据中提取特征线, 曲线误差分析, 构建螺旋桨叶片曲面, 如图5。

2.2 三维模型重构

完成螺旋桨曲面重构后将文件保存为IGES格式, 并导入到Pro/E内, 对壳体进行填充、实体化, 得到螺旋桨的三维模型。

3 结论

本文结合应用多种软件, 大大缩短了设计周期, 提高了设计精度。为螺旋桨做FLUENT虚拟风洞实验提供了实物依据, 为研究螺旋桨的空气动力学特性提供了支持, 并对其它复杂型面零件的逆向设计具有一定的指导和借鉴意义。

参考文献

[1]刘伟军, 孙玉文.逆向工程原理方法及应用[M].北京:机械工业出版社, 2009.

[2]王继群.基于无动力排风扇叶片曲面的逆向设计及关键技术研究[D].北京:北方工业大学, 2009.

空气污染 减人寿命 篇5

令人意外的是,这篇论文一经发表,即在国内外引起广泛关注乃至争议。

这是一篇什么样的论文?研究为何历时5年才最终完成?几位经济学家为何将目光投向了环保与健康领域?两个领域的跨学科研究碰撞出了怎样的火花?该项研究为人们评估环保问题带来了怎样独特的视角?我们对研究结论该持怎样客观的认识和评价?

带着这些疑问,记者专访了作为论文第一作者之一的北大光华管理学院教授陈玉宇。

与环保结缘

《百科知识》:作为经济学家,您是如何想到跨界从事与环保及健康有关的学术研究呢?

答:这和我的研究方向有一定关系,不存在跨界问题。

在经济学中有两个分支:一个是环境经济学,另一个是健康经济学。这两个分支学科所关注和研究的是与环境或健康有关的资源配置问题。譬如,就环境而言,环境经济学所关注的是,污染造成的经济损失有多大,折合成国内生产总值(GDP)是多少,怎样以最低成本、最有效的办法治理好环境,等等。

简而言之,经济学所研究的就是成本收益问题。虽然造成环境问题的原因很复杂,但与我们缺乏必要的环境成本知识是有关系的。我们所进行的研究可以为政府部门制定环保政策提供有益的参考。

《百科知识》:研究环境问题,经济学家有哪些优势?

答:人们对空气污染会给身体健康带来不良影响已达成共识,但如何通过科学方法来验证这一因果关系并不容易。经济学家在回答上

述问题上有学科优势。因为污染的严重程度及其对健康的确切影响很难通过实验获得。但经济学家恰恰擅长在没有实验的条件进行研究。既然我们不能在实际生活中做实验,那么,能不能发现大自然这个天然实验室做了一个类似的实验。我们也叫准实验或自然实验。

我们就是利用类似办法做了一次自然实验。

《百科知识》:这次自然实验是怎么做的?大概情况是怎样的?

答:关于空气污染与健康方面的关系问题在全世界范围内都研究得不多,原因在于空气污染对健康有多大危害这个问题很难回答。

按照常规思路,我们能想到的最可靠的办法就是随机实验。也就是随机选取一定数量的实验对象,比如1000人放在好的空气里,另外1000人放在不好的空气中,在较长时间内,比如至少10年,观察对比两组实验对象的疾病发生率、死亡率状况。再根据死亡率算出他们的预期寿命发生了怎样的变化。

这种做法在现实生活中显然是不可能的。既然没有办法做实验,就要想办法突破局限。

在20世纪50年代计划经济体制下,我国大致以淮河为分界线,在北方地区普遍建立了集中供暖系统,而在淮河以南没有。这样一来,到了冬天,北方的大气污染相对比南方严重。如果画一张图的话,很容易发现空气污染水平在淮河一带有一个明显的跳跃。这样就如同形成了天然的实验室:以淮河为分界,淮河北边是坏空气的环境,淮河南边是好空气的环境。淮河两边的人就像分别处在两个实验室里,北边是在20年坏空气环境,南边是在20年好空气环境。最终看这两边的人群会否出现健康差异。这是我们最基本的想法。

随后的研究中,我们发现淮河北方的污染水平比淮河南边高了大约200微克/立方米,也即50%。在污染水平跳跃的同时,淮河南北两地人群的肺病、呼吸系统疾病的发病率也有一个明显跳跃,北方人比南方人的心肺疾病死亡率多了15%。而我国南北方居民的平均寿命不相上下,但紧靠淮河的南北地区之间却存在巨大差异。我们认为,这增加的15%死亡率就是空气污染带来的。如果折算成预期寿命的话,大致相当于5年。所以媒体报道说,北方人比南方人少活5.5年。

这就是故事的真实情况。

五年探索

《百科知识》:这项研究从什么时候开始的?

答:我是从2007~2008年开始做这项研究。其实,早在5年前,我们已经画出了这个分界线图。2009年,在国际顶级经济学杂志发表了相关论文,只是知道这项研究成果的人不多。

当发现空气污染水平在淮河南北有了一个跳跃后,我们希望通过进一步研究准确估算空气污染对健康的影响——这是一个更重大的问题。随后,我们用一个没有现在这么理想的数据进行了一项针对婴幼儿健康状况与空气污染水平的研究。我们认为,污染与健康问题值得继续进行深入研究。于是才有了后续的高质量研究。

由于研究需要大量高质量的数据,且数据收集难度颇大,此项研究耗时近5年时间。

《百科知识》:研究数据是怎么搜集到的?

答:最初,我们并没有这20年的空气污染

数据。因为当时国内对有关数据的采集和研究并不重视,数据质量很差,各个城市的探测点不够多,准确度也不行。我们想办法从世界银行拿到一部分数据。因为世界银行比国内研究人员更早关注中国的空气污染问题,然后从环保统计年鉴上把200多个城市这20年的空气污染数据搜集齐全。这还不是最难的。

接下来是搜集可以更好地表达人们健康的数据。以前所做的婴幼儿研究数据很局限。国内当时最好的健康数据是死亡监测数据。我们团队中的以色列研究者在另一项国际研究中获准使用这些数据——从1980年到2000年的死亡监测数据。然后他被邀请加入到我们的研究团队中,以便我们可以使用这些数据。

有人质疑我们为什么不使用2000年以后的数据,那是因为我们拿不到这样的数据。

《百科知识》:在这项研究之前,国内外所做的有关研究都是从哪些方面做的?和您的研究结果一致吗?

答:全世界有一些类似研究。比如说,美国用不同县的污染水平与寿命水平相比较。他们利用多元回归法,控制了污染水平、教育水平、营养状况等,然后发现污染对预期寿命有影响。但这个研究结论很难说是高估还是低估了。因为方法上存在缺陷,设计人员不太可能控制住所有影响因子。

nlc202309010121

美国一位研究者做过不错的研究,和我们的方法类似,利用1971年通过《清洁空气法案》这个契机。该法案要求美国地方政府(主要以县为单位)不管以前的空气污染物排放量有多少,必须在一定时间内把空气质量改进到某一数量级别。

这项研究就是利用美国的空气质量在20世纪70年代初出现的大的跳跃来进行的。去掉了很多不容易剔除的影响因素,单独看空气污染水平对健康的影响。利用这个实验,美国学者证实空气污染对婴儿死亡率影响较大。

在全球范围内,比较全面地评估空气质量对于死亡率或预期寿命影响的论文不是很多。比较可靠的大约有10篇。

我们的研究是利用了总悬浮颗粒物(TSP)。每100微克总悬浮颗粒物(TSP)可以换算为30微克细颗粒物(PM2.5),也就是说,每立方米空气中PM2.5多30微克,人的预期寿命会减少3年。前提是长期暴露在这种污染环境中,比如10年。

其他研究是每立方米空气中PM2.5增加30微克,会带来1.5~5年以上的预期寿命减少,而我们的估计是3年。

姑且不论我们的研究方法如何,模型可靠与否,至少在结论上与以前的研究成果相比是可能的,并不是一个令人惊讶的数字。

《百科知识》:这项研究最大的成果是什么?

答:总的来看,我们的研究有几大贡献:

一是发现这两个“跳跃”意义非常重大。

一直以来,科学地评估空气污染对人类健康的影响非常困难,如何排除污染程度不同的地区间人群迁徙和收入水平、受教育程度、初始健康水平等因素对研究结果的影响,是研究者一直面对的难题。过去人们解决类似问题没法做实验,只好采用统计学的多元回归法,看不同城市的空气污染水平与预期寿命等方面的关系。但这种方法有一些问题,如果某个城市的人比另一个城市的人教育水平高,健康知识丰富,那你就无法解释,这个城市的人之所以

寿命相对较长,是因为空气污染水平低,还是因为健康知识丰富所引起的。研究人员必须要找所比较的不同城市之间健康知识水平差不多的人群进行比对。用专业术语讲,就是控制了健康知识水平这个因素后,再去分析空气污染与健康之间的关系。但是,除了健康知识这个因素,还有饮食习惯、运动情况等诸多影响因素,而这些因素往往很难被同时控制。

当然,这种实验也能够提供一些指引性的知识,虽然这些结论的可靠性值得商榷。

我们的实验则剔除了那些影响健康的正反面因素,只看空气污染这个单一因子的影响。这种方法就类似做了一个自然实验,能够确定空气污染因素对健康的因果性影响。

至于空气污染致人减寿的影响是通过什么机制实现的,怎样实现的,虽然论文中也提到主要增加了与肺和心脏有关的疾病的发生率。但更具体原因分析,不是我们要回答的。

综上所述,我们的第一个贡献就是非常直接、简单地做了一个虚拟实验,利用南北方空气污染水平的跳跃,通过一些方法把健康习惯、营养状况等其他影响健康的因素去掉,看还有哪些影响因素在淮河出现了跳跃性变化。

我们最终得出的结论是,每立方米空气中的总悬浮颗粒物(TSP)增加100微克,人类的预期寿命会减少3年。因为北方比南方的总悬浮颗粒物浓度多了差不多200微克,所以推算出北方人的预期寿命比南方人少了5.5年。

《百科知识》:这个结论有外推价值吗?

答:这个结论具有广泛的适用性。

你拿这个结论到其他国家去,比如某个国家近10年每立方米TSP增加了100微克,同样可以得出当地人的预期寿命比10年前减少了3年。淮河只是一个实验设计。我们是想通过实验告诉人们,如果每立方米TSP降低100微克,可以避免3年的预期寿命损失。并且你还可以据此进行其他计算。假如一年的寿命值1万元,如果受影响的人群是1亿人,3年预期寿命就意味着3万亿元。如果实施减少空气污染的政策需要投入1万亿元,以便将空气中每立方米的TSP浓度减少100微克,由此带来的收益是2万亿元。

《百科知识》:其他贡献还有什么?

答:除了建立空气污染与健康的因果关系这一贡献外;这项研究的又一个贡献就是,我们是在相对高污染水平上估算出的结果。

在此之前所进行的一些研究相对都是基于低污染水平。举例说,美国人的研究是估计PM2.5分别为5微克/立方米与20微克/立方米之间影响的差异;可我们如果要问,PM2.5在150微克/立方米和200微克/立方米的空气质量差异对健康的影响差别如何?你就不能把以前的结论简单地线性外推、套用原有结论。人类缺乏高污染水平对健康危害的知识,特别是针对空气污染比较严重的发展中国家,而我们提供了这个知识。这就是研究的第二个贡献。

第三,这项研究观察的是长期(10年)暴露于恶劣空气环境中所受的影响。

过去所做的大多数研究——包括美国的一些研究——是基于短期暴露的研究。譬如说,某一天PM2.5数值很高时,危重病人是不是增加了。这种研究虽然也有一定意义,但其干扰因素更多,而且这种研究主要针对危重病人,不能推广到一般人群中。而我们研究了长期暴露于恶劣空气环境中的人群。据我了解,国外研究的时间段最长也就是10年。从某种意义上说,不是因为有他们的研究结果,我们的研究结果才变得可靠;而是因为有了我们的长期研究结果,才让他们的

短期研究变得可靠。当然,也可以说,我们的研究结果是互相支持。

第四,我们研究所使用的数据质量和水平是最好的。

与已经发表的其他10篇有关研究论文相比,我们所用的数据足够大,足够系统,时间足够长。这也是为什么我们的论文能够发表在全球顶级学术期刊上的原因。

为什么是淮河

《百科知识》:为什么是淮河?这个界限是怎样得出来的?只是在秦岭-淮河一线才存在这种数值的突然跳跃吗?

nlc202309010121

答:其实关于跳跃真的可以研究很多问题。空气污染程度与纬度之间平滑的变动关系在淮河被打破,出现一个明显跳跃。淮河北岸空气中的总悬浮颗粒物比相邻的南岸跳跃性地高出200微克/立方米。给我们审稿的一位院士说,他都不知道淮河南北有这么大跳跃。他奇怪,怎么这么多年都没人研究这个问题。

研究第一阶段发现这个跳跃带确实具有偶然性,然后会去找原因,最终发现可能是燃煤等因素所致。

当然,即使这个跳跃本身,也有很多值得研究的。比如为什么跳跃带会在此出现。事实上,我们在卫星云图上看到,空气污染确实在淮河地区有一个很大的跳跃地带。

《百科知识》:为何大家对报告所提出的结论会有那么强烈的反应?

答:研究中不可避免涉及许多技术性处理,也是专业人士相互之间争议比较大的部分。需要说明的是,我们并不是假设南北方的人在各方面都一样,我们可以允许淮河南北的人在很多方面不一样,比如饮食、生活习惯,以及其他与健康有关的因素等。也就是说,这个结论并不是建立在人们生活条件完全一致的基础上。当然,这种不一致也应该体现为一个平滑、连续的变化曲线,在穿越淮河分界线时不会出现明显的跳跃性变化。

比如有人质疑我们的研究只考虑了纬度问题,没有考虑各监测点距离东部海岸远近问题,因为毕竟东西部存在巨大差异,这些差异最终会对健康有影响。其实,我们也对有关方面做了检查,最终发现这种差异对研究结果没有大的影响。

有人认为,我们只用100多个城市的数据跑统计模型,这种方式不科学;但其实我们甚至比较了远至沈阳乃至厦门的数据,而不是只用了论文中的27个纬度带观测点数据。我们发现,这种距离差异对最终结果不构成重大影响。

还有人提出,论文对疾病的分类不够科学;其实,我们的归类是根据中国疾控中心(CDC)的归类结果,请医学家将其中与呼吸系统有关的心肺疾病列出来。其中,与心肺疾病无关的不过以下几种:不是肺癌的其他癌症、自杀、其他事故导致的死亡等。

有人认为,空气污染是冬季燃煤所致,中国的采暖季为冬季3个月,而总悬浮颗粒物(TSP)年均值的影响因素除了受冬季取暖以外,还受全年度的工业排放、气象条件等其他因素影响。但因为我们用的是TSP的平均浓度观察长期暴露于污染环境对健康的影响,所以,季节等因素也不会影响最终结果。

最终发表的论文虽然只有6页,但后面有13个表,详细考虑了各种可能会对研究结果产生影响的因素。

那些不为人知的结果

《百科知识》:论文附录上的13个表分别检查了哪些内容?

答:我们分别检查了死亡率,把不同年龄、不同疾病种类、不同城市来源的死亡率一一进行统计;检查了淮河南北的饮食结构、营养结构以及吸烟情况的差异;做了男女性别的差异比较等。

结果发现,空气污染对女性的影响更大一些。空气污染导致北方女性的预期寿命比南方女性差不多减少将近1年时间。原因在于淮河南北的男性在吸烟比例上基本一致,为70%,女性

的吸烟比例大概为4%~5%。南方男性因为吸烟将呼吸好空气所带来的预期寿命延长给抵消了。而南方女性多数既不吸烟,又呼吸较好的空气,所以预期寿命更长。

接着,我们还检查了不同年龄段的人受污染影响的情况。总的结论是空气污染对不同年龄组的影响基本一致,老年人可能稍微高一点点。这意味着,不仅仅是老年人和婴幼儿更易受空气污染影响,青壮年同样易受空气污染影响,由此造成的经济损失会更大。

研究尚未结束

《百科知识》:作为经济学家,最后的研究无可避免还是要落回到经济领域。如果淮河北岸人均预期寿命缩短5.5年,由此造成的损失会有多大?改变这种情况的成本有多高?

答:如果把它折合成收入来计算,不太好说,但有一点可以肯定,大家都愿意花很多钱来延长自己的寿命。

至于个体愿意花多少钱来延长自己1年的寿命,各国的经济水平不同,所花费的金额也不同。美国的估计大约是10万美元,也就是说,每个美国人愿意花10万美元延长自己1年的寿命。根据我国人民的意愿,为了避免空气污染带来的寿命损失,如果集体决策的话,大家乐于把GDP当中的两个点用于改进环境,使得每立方米空气中的细颗粒物(PM2.5)浓度减少30微克,或者是总悬浮颗粒物(TSP)的浓度减少100微克/立方米。GDP的两个点如果用去年的数值计算,大约是1万亿人民币。我认为这仍旧是一个被严重低估的数值。

《百科知识》:未来是否还会把空气污染与健康的研究进行下去?

答:我们现在正在做一份有关在未来10~15年将我国PM2.5浓度降低30%的报告。除了研究PM2.5对经济所造成的损失外,更重要的是找到更节约、更有效的减排办法,为政府部门制定相关政策做参考。譬如说,经研究发现,大量烧煤的企业所排放的污染占PM2.5的80%,而汽车尾气的影响只有20%;那么,我们就不能只盯在机动车尾气减排上,而要把更多精力投入到燃煤锅炉的技术改造上。

环境问题对经济的影响都是数以万亿计的,所以花多大的成本和时间进行有关研究都是划算的。我们的研究就是让大家了解空气污染对健康危害的大小,是真真实实的健康损害以及量化损害数值,从而使全社会形成共识,就此做更多研究,找到更好、更有效的低成本做法改善空气质量和环境质量。

针对空气污染对健康的影响,我们仍有很多地方需要学习。大量证据显示,与燃煤相关的细颗粒物,甚至在普通人群暴露水平下,仍会使全球各地的人们增加心肺疾病的死亡率和减少人均预期寿命。也有令人鼓舞的证据显示,改善空气质量有助于改善人类健康。

我们经济发展了这么多年,现在应该也到了有能力也有意愿更好地面对环境问题的时候了。

发声性别差异的空气动力学建模研究 篇6

关键词:发声,性别差异,空气动力学,有限元

0引言

男女性发声器官在生理上存在明显的差异。例如在发声的主要器官———声带上,男女性声带的长短、 厚薄、组织形态和黏弹性等方面均存在着差异[1,2,3],这些差异不仅在语音产生的过程中诱发空气动力学参量、声带振动特征参量等与“功能”相关多类参量的不同,也使得男女性在发声方式和嗓音的音质上各有特点。对于这方面机制的研究有助于揭示不同性别语音的产生机制,并在男女性临床喉科疾病的分性别诊疗、语音合成及语音的性别转换等领域均具有较好的应用前景。

然而,目前对于男女性发声差异研究的文献较少。 TANG Jun-nong等从发声空气动力学与发声效率的角度研究了儿童、妇女和成年男性嗓音源特性的差异[4]。于萍等采用Dr. Speech for Windows嗓音评估软件对临床病例和正常成人进行的嗓音对比研究中,发现嗓音客观检测参数存在性别上的差异[5]。这些研究主要集中于语音产生的最终结果———语音声学参数的对比研究[6],而较少涉及到语音产生的本质因素———发声空气动力学机制的性别差异研究。

本文拟从发声空气动力学的角度对男女性语音的产生进行建模和对比研究。在精确确定男女性声带组织形态的基础上,建立多种典型的男女性声带组织形态发声模型,采用有限元算法在不同气流流量条件下获取声门及喉腔内的空气动力学参量,并进一步对比研究男女性发声空气动力学差异及其对发声的影响,以此为临床嗓音疾病的分性别诊疗、语音的性别转换及语音合成等相关领域的发展奠定理论基础。

1有限元算法及男女性发声空气动力学模型的建立

1.1有限元算法

男女性正常发声时的雷诺数(Reynolds number) 数值较低,一般不大于4 000,因此可以认为喉腔内的气流是不可压缩的。这种条件下可以采用标准的k-ε 模型来模拟喉腔内的气流场,所采用的控制方程包括:连续性方程、动量方程、能量方程以及k-ε方程,采用矢量形式表示的方程形式如下:

式中:ρ 为空气密度,单位为kg/m3;φ 为通用变量,可以代表求解变量ui、k、ε;Γ 为广义扩散通量;S为广义源相。

为了使有限元方程的计算获得更好的收敛解, 我们采用了以下方法:(1)采用局部线性化方式和亚松弛方法计算各源项;(2)采用延迟修正方法以保证方程求解过程的稳定性,在具体实现过程中采用Galerkin方法构造有限元方程[7],同时采用线性函数为压力插值,线性插值函数的优点是能够获取较准确的收敛解;(3)在网格计算中采用四节点压力参元,最大限度地保证方程解的收敛性。

在有限元方程的求解过程中采用直接迭代法, 并采用亚松弛方法对每次迭代的解进行校正,直到标准误差比收敛标准 ε 小时,则认为完成了总体有限元方程的迭代。收敛准则为

式中,U为求解向量,n为方程的迭代级数,收敛标准 ε 是一个预先设定的数值。在本计算中,我们设定了一个足够小的收敛标准(ε=0.001)来保证解的准确度。详细的有限元计算方法和方程式可参考文献[8]。

1.2男女性发声空气动力学模型的建立

成年男女性喉部解剖结构存在明显的差异。甲状软骨是喉部最大的软骨,由颈前左、右对称的2部分四边形甲状软骨板以一定的角度联合而成。男性的该角度较小,上端向前突出,而女性的该角度则近似钝角。研究[2,4]发现,女性甲状软骨前角为63~104°,平均81°;男性甲状软骨前角为59~96°,平均73°,显示男女性有较明显差异,且该角度越大声带越短。此外,甲状软骨水平径线男性平均41.5 mm,女性平均32.2 mm; 垂直径线男性平均31.2 mm,女性平均22.4 mm,男性尺寸均较女性长。男女性声带黏膜的大小也存在一定的差异。据测量,正常男性声带黏膜比女性声带黏膜大1.6倍。本文采用典型的声带尺寸比例对声带进行空气动力学建模[1,2,3,9],将男女性甲状软骨尺寸比例定为1.2∶1,将男女性声带黏膜尺寸比例定为1.6∶1。同时根据男女性声带厚度的典型尺寸,将女性声带厚度设定为0.308 cm,男性声带厚度设定为0.370 cm,声带上表面角为50°。在此基础上,构建声门倾角分别为±2.5、±5、±10°以及0°共14个典型的发声空气动力学模型。声门角为0°条件下男女性的声门组织形态模型如图1所示。

2结果

2.1作用于声带表面的压力分布

图1 声门倾角为 0°条件下男女性的声门组织形态模型

声门倾角分别处于0°和10°发散角时,男女性声带表面组织形态及作用于声带表面空气动力学压力值的分布曲线如图2所示。由图2可以看出,在声门入口位置前,由于声门横截面积逐渐减小,气流加速,在很大程度上引起压力降的产生(Bernoulli效应)。在声门入口附近,沿着声门入口壁面,由于声带壁面的黏性及气流加速作用进一步降低了压力。在声门最小直径处,出现声门腔内最低压力值。在该位置下游,由于声门横截面积开始逐渐增大,压力又出现回升。

由图2还可以看出,无论在0°还是10°发散角条件下,女性声门腔内的压力分布曲线要比男性陡峭,显示女性声门腔内的气流压力变化率要比男性的高。在大部分声带表面,女性声门腔内的压力值都比男性的要高,表明作用于女性声带表面的压力值普遍比男性的高。

2.2不同声门倾角条件下的声门气流量及压力极值

男女性声门在不同倾角条件下的气流量变化曲线如图3所示。由图3可以看出,男女性发声时的气流量随声门倾角的变化趋势一致。声门收敛角从 -20°到0°,气流量逐渐减小;而从0°到发散角10°, 气流量逐渐增大,表明声门气流量随倾角的增大而增大。由图3还可以看出,在同样的声门倾角条件下,女性的气流量要比男性小,这主要是女性声门尺寸较小的缘故。

男女性声门在不同倾角条件下,声门腔内的压力极低值的变化曲线如图4所示。由图4可以看出, 不论男性还是女性,压力极低值随声门倾角变化的趋势与气流量随声门倾角的变化趋势相反,表明气流量与声门腔内的压力值成反比。此外,从0°角向收敛角增大变化及向发散角增大变化时,男女性压力极低值点的差有逐渐增大的趋势,表明声门倾角越大,男女性声门腔内的压力值差异也越大。

注: 1 cm H2O=98.06 Pa

图3 不同声门角条件下的声门气流量变化曲线

注: 1 cm H2O=98.06 Pa

3讨论

由于男女性在声带组织形态上存在差异,导致男女性在语音的产生过程中存在明显差异。这些差异主要表现在作用于声带表面的压力、声门腔内气流量的不同,这些差异又随着发声条件,如声门倾角及跨声门压的不同而产生较大的变化,并进一步对最终产生语音的声学参量产生影响。

一般情况下,作用于女性声带表面的压力值都大于男性,而且声门倾角(无论是发散角还是收敛角) 越大,男女性声带表面的压力差就越大。以压力极低值点为例,男女性声门腔内压力极值点的差异在0° 声门倾角时达到最小,为0.18 cm H2O(1 cm H2O = 98.06 Pa),而在20°发散角下达到最大值,此时,男性声门腔内的压力最低值是-1.71 cm H2O,女性声门腔内的压力最低值是-2.63 cm H2O,其压力差为0.92 cm H2O,是0°声门倾角(0.18 cm H2O)条件下的5倍。说明男女性发声的性别差异随发声条件的不同也会有很大的变化。

从声门内气流量来看,在所有的角度下,女性声门内的气流量值都低于男性。这说明在同样的发声条件下,男性声带更容易产生较大的声门气流,具有比女性更低的声门阻抗。如声门角为0°时,男女性声门腔内气流量分别达到各自的最小值,男性气流量是39.74 cm3/s,女性气流量是10.91 cm3/s,男性是女性的3.6倍。说明女性能够比男性产生更高的声门阻抗。

从声门气流量的结果图3中还能看出,在跨声门压一定的条件下,男女性在0°声门倾角均为各自最小的声门气流量,对应最大的声门阻抗。而当声门倾角均为10°发散角时,男女性声门腔内的气流量又均达到各自的最大值,表明10°发散角对应最小的声门阻抗。

这些研究结果表明,作用于女性声带表面的压力值一般要比男性的高,女性声带更容易产生更低的压力极低值点,并且产生较小的声门气流,对应更高的声门阻抗和发声效率。这些发声空气动力学参量的差异在发声过程中会进一步导致所产生语音声学参量的不同,如作用于声带表面的压力会直接影响声带的振动频率和振幅,而声门气流量又对应声强的大小。因此,对于发声空气动力学参量差异的对比研究能够从更底层揭示出男女性语音产生在发声功能上的差异。

数学建模空气污染 篇7

关键词:空气管理系统,信号驱动,控制逻辑建模

0 引言

空气管理系统是民用飞机上非常重要的机载系统之一, 负责控制飞机引气、座舱压力调节、机翼防冰、温度控制等功能[1,2,3,4,5]。空气管理系统控制是以两个综合空气管理系统控制器 (IASC) 为控制中枢, 以各种传感器发来的监控信号、外部系统发来的通讯信号为输入, 经IASC内部逻辑运算后, 驱动各种受控设备, 如风扇、活门、加热器等, 来实现飞机空气温度、压力、流量等控制功能, 并将系统状态信息发送给外部系统实现显示、告警及记录功能。

空气管理系统控制功能需求是以系统需求为依据, 结合所采用的控制架构细化而来。各控制功能由若干个控制逻辑组成。在空气管理系统研制过程中需要进行控制功能的确认与验证。仿真的方式能有效提高效率, 降低成本, 而建立各种控制逻辑模型则是进行仿真确认与验证的基础。本文研究了一种信号驱动的空气管理系统控制逻辑建模方法。

1 信号驱动的控制逻辑建模方法

信号驱动是指由各种信号作为基本单元来进行控制逻辑建模。各个信号表示着不同的状态变量, 空气管理系统控制器根据不同的输入状态变量的值来决定发出的指令信号。通过基本信号来表述逻辑能从最底层关系开始, 逐步向上搭建整套控制逻辑。具体的建模过程包括构建信号库、搭建逻辑树以及驱动功能验证逻辑3个步骤。

1.1 构建信号库

构建信号库是为了方便在构建逻辑时随时调用而将一些基本的输入信号信息收集并按照一定的编码方式存储起来。空气管理系统逻辑运算中需要用到的信号属性包括信号名称、信号功能范围、信号有效性、信号设备源。所以可将每条信号按照[ID|NAME, RANGE (MIN, MAX) , VALID, SOURCE]的方式进行整理, 例如由控制器IASC1的A通道发出的座舱高度告警信号可表示为[00001|CAB_ALT_W, (0, 1) , true, IASC1A]。集合所有控制器接收的信号, 从而形成空气管理系统信号库。

1.2 搭建逻辑树

逻辑树的根节点一般是各个基本信号组成的关系式, 例如CAB_ALT_W=1, 表示座舱告警为真。这些关系式通过基本的与/或逻辑算子连接, 从而形成基本的逻辑树, 这些逻辑树的输出结果为TURE或者FALSE。在搭建逻辑树的过程中, 当一条逻辑链比较长时, 可将一棵逻辑树的输出作为另外一棵逻辑树的输入而形成逻辑嵌套, 这种方式能简化逻辑树的搭建过程。逻辑树的表达可用逻辑方程来记录。例如座舱高度告警逻辑可按以下两种方式表达。

逻辑树 (图1) :

逻辑方程

CABIN_ALTITUDE= (IASC1A_CAB_ALT_W=1) Or (IASC1B_CAB_ALT_W=1) Or (IASC1S_CAB_ALT_HIGH=1) Or (IASC2A_CAB_ALT_W=1) Or (IASC2B_CAB_ALT_W=1) Or (IASC2S_CAB_ALT_HIGH=1) .

将所有的逻辑按照逻辑树的方式搭建起来, 可形成一个逻辑库, 在后续定义功能时即可直接调用来构建功能。

1.3 驱动功能验证逻辑

若干条逻辑合在一起, 可以驱动复杂的功能。通过功能的仿真即可验证各种逻辑的正确性。从功能层面进行验证因为意义更明确更方便实施, 且一条功能的验证即可验证多条逻辑, 功能验证的方式是选择功能相关的所有信号, 设定各信号的状态值, 作为组成功能的所有逻辑的输入, 计算得到功能输出值, 观察是否与预期一致。

2 空气管理系统CAS与简图页逻辑建模与验证

CAS与简图页是供飞行员了解各系统状态的重要页面, 由系统负责提供信号, 指示系统按照指定的CAS与简图页逻辑进行显示。基于本文的思想, 进行空气管理系统CAS与简图页逻辑建模与功能验证, 开发了相应的软件平台。

2.1 空气管理系统CAS逻辑建模

定义CAS主要需要定义CAS等级、CAS显示内容以及CAS显示逻辑。CAS等级按照严重程度可分为WARING, CAUTION, ADVISORY, STATUS四种, 分别用红色、黄色、青色、白色来表示。本文定义的CAS逻辑是由系统发出CAS相关信号后, 由这些信号运算后显示在CAS页面的逻辑, 空气管理系统CAS消息主要显示系统工作状态以及在一些危险状态如座舱高度过高、机翼防冰失效等情况下告警。CAS定义模块主要提供CAS名称、内容、等级的编辑页面, CAS逻辑的指定可直接调用逻辑库中的逻辑。

2.2 空气管理系统简图页逻辑建模

空气管理系统简图页功能是通过简要示意图显示系统主要设备与管路内空气的状态, 管路的空气状态信息需要根据上下游的设备状态来判断, 这些判断关系组成了简图页的逻辑。空气管理系统简图页的主要图形元素是活门与管路流线, 其逻辑定义可分为活门与流线显示逻辑定义。简图页定义模块设计了自定义活门与管路绘制工具, 通过活门与流线显示逻辑定义指定显示颜色的驱动逻辑, 构成整体的简图页显示逻辑。

2.3 空气管理系统CAS与简图页功能验证

前面构建了空气管理系统CAS与简图页的逻辑, 通过指定各功能相关输入信号的值, 在逻辑运算后再直观地显示在页面上, 从而可以确认功能是否正确实现。在验证时只需根据场景需要, 设定各信号的模拟值, 由系统后台运算得到功能输出信号值, 并驱动页面上的显示元素显示相应的状态。

通过上述几个步骤, 能对空气管理系统CAS与简图页功能进行整体的验证, 有效提高了CAS与简图页功能的设计与确认效率, 也能为后续系统排故提供支持。

3 结论

本文结合空气管理系统控制架构特点, 提出了信号驱动的逻辑建模方法。本文方法具有如下特点:

1) 构建了空气管理系统基础信号库, 能支持在逻辑层、功能层随时调用相关的信号信息;

2) 构建了空气管理系统逻辑库, 支持上层功能的搭建与验证;

3) 开发了控制逻辑建模工具, 能模拟各种场景下的功能验证, 提高了设计效率。

参考文献

[1]程立嘉, 程晓忠, 左彦声.大型客机空气管理系统现状与发展趋势[J].航空科学技术, 2008.3:7-8.

[2]徐红专, 崔文君, 张惠娟.电子电动式座舱压力调节系统研究[J].江苏航空, 2010, 3:8-13.

[3]李明江.飞机自动增压系统仿真实验的设计与实现[J].实验室科学, 2010, 13 (4) :73-75.

[4]王海涛, 常奔, 李成行.运输类飞机防冰除冰适航取证分析[J].航空工程进展, 2012, 3 (1) :116-130.

数学建模空气污染 篇8

目前对于低频隔振通常采用空气弹簧、多级隔振系统、主动式隔振[1]、磁悬浮隔振、其他组合及串并联隔振[2,3]等方式。Le等[4]针对汽车座椅采用两负刚度弹簧并列对称放置的方法设计了对0.5~5 Hz隔振效果较好的隔振系统。Ala-buzhev等[5]论述了准零刚度隔振系统的理论及设计方法。徐道临等[6]提出了一种阻尼扰动控制方法,拓宽了准零刚度隔振系统的有效隔振频率区间。Carrela等[7]和Kovacic等[8]提出了包括一个垂直弹簧和两个斜弹簧的准零刚度隔振器。王家胜[9]对带有附加气室的空气弹簧性能作了实验测试研究和力学特性分析,论证了通过附加较大气室可以获得较低的刚度特性的结论。高红星等[10]对空气弹簧建立了一种多物理参数的非线性模型。带有辅助气囊的空气弹簧和主动隔振技术虽然可以获得较好的低频隔振效果,但普及仍有困难,甚至是不可能的。这些方式虽能有效降低系统的固有频率,但大多因结构复杂,占用空间大,造价昂贵,且需外加控制系统,能量消耗大,使这些隔振措施很难在实际工程中得到广泛应用,因此有必要设计研究一种通用的有良好低频隔振效果的新型隔振器。

笔者在前期研究基础[12,13]上,设计了囊式负压空气隔振器,并探究其隔振原理及特有的低频隔振性。

1 隔振原理分析

囊式负压空气隔振器主要由帘线橡胶复合气囊、上下受力面板、内部平衡支撑部件、固定连接部件等组成。由于腔室内呈现负压状态,所以外部大气压会作用在整个结构外壳上。帘线橡胶复合气囊由内密封胶层、外密封胶层、帘线和橡胶硫化层构成,密封层主要是为内部腔室提供负压或真空的状态,内部支撑部件保持初始横向稳定性,防止由于负压的作用而使橡胶囊出现瘪曲现象,减小了负压腔室的容积,帘线及橡胶硫化层则为主要受力部件。 囊式负压空气隔振器结构见图1。

首先只考虑空气负压下隔振器刚度特点,考虑一个密闭的气缸。当用力将活塞向外拉出时,缸内将出现负压,随着拉力的增大、活塞位移的增大,缸内真空度逐渐增大,但根据物理学原理,拉力(载荷)与活塞位移并不成正比,而是呈现出图2中空气曲线所示的非线性关系,其特点是初始时刚度较大,随着位移的增大,刚度逐渐减小并趋近于零,这与空气弹簧的特性正好相反。

另外考虑一种囊式的橡胶壳。当受到图2中橡胶曲线所示的力作用时,若变形量较小,橡胶外壳只产生弯曲变形,其刚度很小,但当变形过大时,橡胶外壳则产生弯曲拉伸组合变形,其刚度迅速增大,这一特点与上例恰好相反。

上述两种结构各有优缺点,前者无法长期密封且抗冲击能力差,后者抗冲击能力强,但承载能力不足,如果能够将两者结合起来,如图1复合曲线所示,相互补充,既可以在平衡位置附近获得很小的刚度,进而获得很低的固有频率,提高对低频振动的隔离性能,又可以在变形过大时,不会使系统产生过大的偏移,提高系统的抗冲击性能。

2 力学建模

固定下面板的垂向位移,则囊式负压空气隔振器的工作原理可用图3表示,因为负压气囊是柔软的橡胶薄膜,根据薄膜理论中一般采用的基本假设,负压气囊不能传递弯矩和横向力,因此可以根据力的平衡条件,确定负压气囊的垂向受力[11]:

式中,p为腔室工作压力;S为囊式负压空气弹簧的有效面积;R为有效半径,R不是常数而是随着载荷如图3所示变化。

从图3中可以看出,当载荷F增大时,囊式负压空气弹簧的有效半径R将随之减小,最后等于盖板的面积。

一般情况下,气体的状态变化是一个多变过程。在气体的多变过程中,根据气体状态方程,负压腔室内的绝对压力和容积之间存在如下关系:

式中,pa为大气压力;p0为初始状态腔内压力;m为气体的多变指数,它取决于气体变化过程的流动速度;V0为初始腔体体积;V为腔室工作状态体积。

当拉伸位移为x时,腔室容积增加了dV,根据气体状态方程有:

又因为dV =Sx,S是关于x的函数,则

振动时,工作腔室中的空气压力因拉伸而变化,振动时载荷F和位移x间的关系为

显然,载荷F和位移x之间是非线性关系。将式(4)对位移x求导,得刚度计算式:

经分析可知,当负压腔室接近极限时,即只有负压腔室承受主要载荷达到最大值附近时,此时位移变化较小,刚度最低:

由式(6)可以看出,囊式负压空气隔振器在负压载荷达到极限时,刚度由两项组成,可以看成图4所示的力学模型,由一个正刚度和一个负刚度并联而成。

从式(6)中可以看出,如果有效承载面积变化率dS/dx与S2/V0接近,则可以获得接近零刚度的模型。有效载荷面积和负压容积之比越大刚度越低,所以可以通过调节负压腔室的横截面积大小来改变刚度特性;囊式负压空气弹簧的刚度K和它在变形时的有效面积变化率有关,dS/dx越小,刚度越低,但前后两项相互关联;初始腔体压力对刚度也有非线性影响。

要计算囊式负压空气隔振器的刚度,必须知道其有效承载面积变化率dS/dx,而dS/dx与囊式负压空气隔振器的几何形状有关,故可以通过仿真计算得出不同几何形状的刚度曲线。

3 实验与特性分析

囊式负压空气隔振器的非线性模型是通过有限元法来进行仿真分析的,考虑到模型的高度非线性,选用ABAQUS去求解这种耦合的高度非线性的准静态问题。

整个囊式负压空气隔振器的计算模型如图5所示,考虑到上下受力面板变形较小,本文将其定义为刚性部件,主要技术参数为:帘线材料选用线弹性材料,弹性模量E =210.0 GPa,泊松比ν=0.3,方向角为 ±45°,铺设两层。 橡胶选用Mooney-Rivlin本构模型,橡胶参数通过单轴、双轴拉伸试验获得。负压空气隔振器主要技术指标为:有效设计高度55mm,最大直径180mm,橡胶帘线硫化层厚6mm,上下面板半径Rm=70mm,其值约等于有效半径。

在刚度特性计算时,约束下面板的6个自由度,接触分析采用硬接触,橡胶囊采用壳单元(S4R)计算,共计496个单元,上下面板采用表面单元(SFM3D3)计算,共计88 个单元,腔体采用基于表面的流体单元(surface-based fluid cavi-ties)计算。在有限元分析时,适当延长迭代时间,以提高分析精度,为获得负压腔室压力、有效面积等因素对刚度的影响,分别对各个参数取不同的数值进行分析计算。

对有限元模型,采用分步加载的方式定义腔体初始压力,为保证在加载负压的分析步中负压空气隔振器仍处于自然状态,约束上面板6个自由度,定义有限元模型初始腔室内压力为16.36kPa,即施加-85kPa的负压载荷。在施加负载分析步中,撤去上面板垂向自由度约束,同时,在上受力面板上施加10kN载荷,下受力面板仍保持约束6个自由度,得到载荷力F(N)与位移(m)数据。

对实物模型,根据国标GB/T15168-2013 中的实验测试方法,对负压空气隔振器作抽真空处理,保留内压约为16.36kPa。然后在WDW-100型微机控制式电子万能试验机上进行静态实验,施加10kN的力,如图6所示,得到载荷力和位移数据。 仿真分析数据和实验测试数据如图7所示。

从图7可以看出:负压空气隔振器有限元仿真计算曲线和实验曲线基本吻合,尤其是在工作行程30mm以内两曲线基本重合,随着行程的增大,两曲线出现偏差,但两曲线走势仍然一样。这验证了应用有限元模型分析的正确性。两种曲线的非线性度都较大,在22.5~32.5mm工作行程时特性曲线刚度接近于零,说明负压空气隔振器在此行程下可以获得准零刚度特性,此时的承载力在2kN左右,能满足应用要求,说明可以定义22.5~32.5mm为额定工作载荷区间,2kN可以定义为额定载荷,在此工作区间或额定载荷下可以保证仪器设备具有较低的振动频率。进一步分析表明,0~20mm可以看作静载阶段,随后曲线刚度迅速增大说明抗冲击能力较大,50~60mm可以定义为抗冲击工作区间。

3.1 负压腔室压力大小对特性的影响

根据图5的计算模型,分别对负压腔室施加不同大小的压力,得到不同负压腔室压力大小作用下的载荷位移特性曲线,如图8所示,采用分步加载的方式,首先对负压腔室施加30kPa、45kPa、60kPa的负压,然后分别施加10kN的载荷,分析步时长(量纲一)为1。同时计算拉伸过程中的负压腔室压力随分析步时间变化的数值曲线,如图9所示。计算负压腔室压力随拉伸位移变化的数值曲线,如图10所示。

1.p0=30kPa 2.p0=45kPa 3.p0=60kPa

1.p0=30kPa 2.p0=45kPa 3.p0=60kPa

1.p0=30kPa 2.p0=45kPa 3.p0=60kPa

由图8可以看出,三条曲线的非线性度都很大,均呈现出先升高,后平缓,再急剧升高的特性趋势,吻合图2中可以获得低频隔振的原理分析结果。负压值越大,特性曲线在工作阶段越平缓,且带负载能力越大。从图9分析得到,负压腔室压力开始下降迅速,随后趋于稳定。从图10 得到,随着拉伸位移的增大,负压迅速增大,且呈现高度的非线性。结合图9和图10可以得出,在整个拉伸过程中,静载阶段载荷随负压值的增大而增大,当达到工作阶段时负压腔室承受主要载荷,随后橡胶囊由前两个阶段的弯曲变形开始转化为拉伸变形,此时,由橡胶帘线硫化层构成的橡胶囊承受主要载荷。

综上可以得出,负压腔室压力的大小对刚度特性有直接影响,且在合理区间内,呈现负压值越大、刚度越小的特性。负压腔室和橡胶的耦合作用构成了高度非线性的弹性特性曲线,且可以得出,当橡胶囊只发生弯曲变形,即负压腔室承受主要载荷时,可以获得准零刚度特性,进而实现超低频隔振效果。

3.2 负压腔室有效面积对特性的影响

鉴于有效面积直接取决于有效半径R的大小,本文设置有效半径为60mm、80mm,腔内负压均为60kPa的计算模型,其他约束尺寸、约束边界条件、载荷施加方式及网格划分与图5的计算模型保持不变。这样加上图5 计算模型中的R=70mm,负压为60kPa的数值曲线,共同构成了如图11所示的不同有效半径(有效面积)的特性曲线。同时计算在不同有效半径下压力与分析步时间的关系曲线,结果如图12所示。计算在不同有效半径下压力与位移的关系曲线,结果如图13所示。

1.R=60mm 2.R=70mm 3.R=80mm

从图11可以看出,不同有效半径的三条特性曲线非线性度都很大,有效半径越大承载力越大,同时曲线在工作阶段越平缓,且平缓段越长。从图12可以看出,在同一初始负压腔室压力下,有效半径越大,拉伸过程稳定阶段的负压值越大,且稳定越晚,同时,根据理想气体状态方程可知,此时囊式负压空气隔振器变形量较小。在图13中,不同有效半径下的负压随位移变化呈现高度的非线性。结合图12和图13的分析可以得出,在整个拉伸过程中,静载阶段载荷随负压值的增大而增大,当达到工作阶段时负压腔室承受主要载荷,随后橡胶囊由前两个阶段的弯曲变形开始转化为拉伸变形,此时由于变形量较小,所以由橡胶帘线硫化层构成的橡胶囊承受主要载荷。

1.R=60mm 2.R=70mm 3.R=80mm

1.R=60mm 2.R=70mm 3.R=80mm

综上可以得出,有效半径直接影响囊式负压空气隔振器的承载力,同时对刚度特性和工作阶段的行程区间大小有一定影响。

结合3.1节和3.2节的分析,可以得出,应用负压原理可以获得准零刚度的隔振特性,进而可以获得低频工作状态,囊式负压空气隔振器的刚度特性主要受负压值大小和有效面积的影响,同时,验证了力学模型的正确性。

4 结语

数学建模空气污染 篇9

大展弦比机翼布局形式具有高升阻比特性, 已被广泛应用于大型客机、运输机;军用高空长航时飞行器普遍采用高性能大展弦比复合材料机翼以保证其留空时间长、航程远特性。真实飞行过程中, 大展弦比机翼飞行器在空气动力载荷作用下, 会产生较大变形, 从而引发气动弹性问题。以Patil为主的国外一些学者对此带来的一系列气动弹性问题进行了深入的研究1, 2。文献[3]对大展弦比机翼气弹特性研究, 所应用的梁理论及空气动力理论最初均为直升机气动弹性分析研发;指出旋翼气动弹性与大展弦比固定翼具有相似之处, 两领域的分析理论及工具可以相互借用。目前我国对此方法的研究还很少。因此, 本文对旋翼飞行器UMARC[4]理论中直升机旋翼空气动力建模方法进行改进, 将大展弦比机翼描述为Bernoulii-Euler梁形式, 建立了适应机翼大变形情况下的空气动力学模型并计算机翼静平衡位置, 与文献[5]结果进行对比验证本文模型准确性, 为进一步研究大展弦比机翼气动弹性分析乃至工程初步设计打下一定基础。

1大展弦比机翼空气动力模型

UMARC (UniversityofMarylandAdvancedRotorcraftCode) 是美国马里兰大学旋翼飞行器教育研究中心为旋翼飞行器研发的一套完整的理论体系, 广泛应用于直升机气动弹性分析中。本文对UMARC理论进行适当改进, 以用于大展弦比固定翼的气动

由于大展弦比机翼在飞行条件下会产生较大变形, 空气动力的大小和方向会随机翼变形而改变, 且与机翼各截面当地空气速度息息相关。因此, 在求解过程中, 需通过未变形坐标系与已变形坐标系之间关系描述气动载荷过程:首先, 计算飞行中机翼截面在未变形坐标系下的空气流速;将其转化为已变形坐标系下空气流速, 并计算出此时的空气动力载荷;转换到位移向量最初定义的未变形坐标系, 得到机翼截面气动载荷;通过单元形函数将截面气动载荷等效到各单元结点处, 最终得到机翼整体气动载荷。

1.1坐标转换矩阵

通过以上描述, 截面当地空气流速与气动载荷均需在未变形坐标系与已变形坐标系之间转换从而完成最终气动载荷的推导, 因此, 两坐标系之间转换矩阵即为此模型建立的基础。Bernoulii-Euler假设认为机翼是弹性的, 机翼各截面为刚性并垂直于弹性轴。图1和图2显示了机翼及其截面变形前后的坐标系。

未变形坐标系单位向量 (i, j, k) 与已变形坐标系单位向量 (iξ, jη, kζ) 转换定义为

如图3所示其坐标转换矩阵TDU由一系列Euler角ζ、β、θ定义

1.2 空气流速

在UMARC理论中, 对于机翼任意截面的瞬时空气速度包含以下三部分:1 风速Vw;2 机翼相对翼根部运动速度Vb;3 由于机身运动引起的速度Vf。由于本文针对大展弦比机翼进行研究, 故不考虑Vf项影响, 得到

V=-Vw+Vb (4)

旋翼风速Vw在旋转桨毂坐标系表示为 (如图4) :

Vw= (μΩR) Ι^Η- (λΩR) Κ^Η (5)

式 (5) 中μ=Vcosαs/ΩR, V为前飞速度, ΩR为桨尖速度, (Ι^Η, J^Η, Κ^Η) 为此坐标系下单位坐标向量。

通过坐标转换, 在未变形桨叶坐标系下

Vw=Vwxi^+Vwyj^+Vzk^

对于大展弦比固定机翼来说, ψ=90°, βp=0°, αs=0°而且不考虑旋翼入流的影响, 转化到固定翼后

Vwx=0;Vwy=-Vw;Vwz=0 (7)

Vb在未变形机翼坐标系下表示式

Vb=Vbxi^+Vbyj^+Vbzk^, 其中Vbx=x˙1Vby=y˙1Vbz=z˙1, 机翼上任意点的位移向量r

r=x1i^+y1j^+z1k^; (8)

式 (8) 中

x1=x+u-λΤϕ^-v (y1-v) -w (z1-w) y1=v+ (y1-v) (9) z1=w+ (z1-w)

(y1-v) (z1-w) 两项分别定义为

(y1-v) =ηcosθ1-ζsinθ1=ηcos (θ0+ϕ^) -ζsin (θ0+ϕ^) (z1-w) =ηsinθ1+ζcosθ1=ηsin (θ0+ϕ^) +ζcos (θ0+ϕ^) (10)

(y1-v) (z1-w) 分别代表机翼截面上任意点相对弹性轴位置, 本文基于3/4弦线位置 (η=ηr, ζ=0) 攻角, 应用二维片条理论分析得到截面气动载荷, 上式对时间的求导, 并代入3/4弦线位置, 即得到Vb如下:

{Vbx=u˙- (v˙+wθ˙1) ηrcosθ1- (w˙-vθ˙1) ηrsinθ1Vby=v˙-θ˙1ηrsinθ1 (12) Vbz=w˙+θ˙1ηrcosθ1

θ1=θ0+ϕ^;u˙=u˙e-120x (vv˙+ww˙) dξ

因此, 机翼展向任意截面在未变形坐标系下的速度向量表示如下

V=Uxi^+Uyj^+Uzk^ (13)

式 (13) 中, Ux=u˙- (v˙+wθ˙1) ηrcosθ1- (w˙-vθ˙1)

ηrsinθ1;

Uy=v˙-θ˙1ηrsinθ1+Vw;Uz=w˙+θ˙1ηrcosθ1

由于气动载荷通过形变后截面瞬时速度及攻角唯一确定, 通过坐标转换, 将未变形坐标系下速度分量 (Ux, Uy, Uz) 转换到已变形坐标系下

V=URi^ξ+UΤj^η+Upk^ζ (14)

式 (14) 中各项均保留到二阶项, 即

1.3 截面载荷

通过计算变形后速度分量, 应用二维片条理论, 推导机翼在结构变形后的气动载荷为

(L¯) C=12ρV2cCl; (D¯) C=12ρV2cCd;

(Μ¯) C=12ρV2cCm (16)

其中下标c代表气动力的环量部分, V为瞬时速度, Cl, Cd, Cm分别为截面升力、阻力和俯仰力矩系数

{Cl=c0+c1αCd=d0+d1|α|+d2α2 (17) Cm=f0+f1α=cmac+f1α

以上推导严格服从不可压附着流条件。考虑可压流效应影响, 对升力线斜率进行修正:c1=c1M=0/β;其中, β为Prandtl-Glauert因子, β=1-Μ2

如图5所示, 气动载荷环量部分表示为

{ (L¯w) C= (L¯) Ccosα+ (D¯) Csinα (L¯v) C= (L¯) Csinα- (D¯) Ccosα (L¯u) C=- (D¯) CsinΛ (Μ¯φ^) C= (Μ¯ac) C-ed (L¯w) C

(17)

Λ为由于速度径向分量UR导致的弯曲角, ed为弦向弹性轴后方气动中心位置。应用如下近似:sinαα;cosα≈1;VUT;α≈-UP/UT;sinΛUR/UT;推导得到

(L¯w) C=12ρc (c0UΤ2- (c1+d0) UΤUΡ+d1UΡ2) (L¯v) C=12ρc (-d0UΤ2- (c0Up-d1UΡ) UΤ+ (c1-d2) Up2)

(L¯u) C=12ρc (-d0URUΤ) ;

(Μ¯ϕ^) C=12ρc2 (cmac (UΤ2+UΡ2) -f1UΤUΡ) - (ed (L¯w) C) (18)

推导得到变形后坐标系下机翼截面气动力及力矩的环量部分, 将其转化到未变形坐标系下, 从而满足哈密尔顿原理需要, 即

对于机翼作沉浮运动h, 俯仰运动α, 其气动力及力矩非环量部分表示为:

式 (19) 中V=Vw;αh=ed+c4;h¨=-w¨;

α¨=θ¨1=θ¨0+φ^¨;α˙=θ˙1=θ˙0+φ^˙;b=c2

(ΤDU) Τ、UT、UR、UP展开为常数项、线性项和非线性项的形式, 对于气动载荷非线性项部分均保留到二阶非线性项。由于展向速度分量UR很小, 忽略UR中非线性小项, 气动载荷环量部分表示为:

由于非环量部分均为线性项, 因此机翼截面总气动载荷线性项仅需将环量部分线性项加之非环量部分即可。

1.4 有限元离散化与非线性项处理

任意截面气动载荷LA= (LA) 0+ (LA) L+ (LA) ΝL其中下标0, L, NL分别代表常数项、线性项、非线性项三部分, 气动载荷向量与位移向量, 分别表示为

LA=[LuALvALwAΜϕ^A]Τu=[uvwϕ^]Τ

线性项: (LA) q=Auu+Auu+Au˙u˙+Au˙u˙+Au¨u¨

单元任意截面位移向量u, 通过形函数Hs以及单元节点位移向量qe, 离散到单元节点上 (如图6) , 即u=Hsqe;u′=H′sqe;u˙=Ηsq˙e;u˙=Ηsq˙e;u¨=Ηsq¨e

由于推导过程中, 非线性部分均为2阶项, 因此, 选用1阶泰勒展开与雅克比矩阵对气动力非线性部分进行线性化:

(LA) ΝL= (LA) ΝL|ur+u (LA) ΝLΔu+u (LA) ΝLΔu+u˙ (LA) ΝLΔu˙+u˙ (LA) ΝLΔu˙ (21)

式 (21) 中:Δu=u-ur;Δu′=u′-u′r;Δu˙=u˙-u˙r;Δu˙=u˙-u˙r

根据上述离散方法可将其转化到单元节点上, 下标r代表参考点:

Δu=Ηs (qe-qer) ;Δu=Ηs (qe-qer) ;

Δu˙=Ηs (q˙e-q˙er) ;Δu˙=Ηs (q˙e-q˙er) ;

(LA) ΝL= (LA) ΝL|ur- ( (Au) ΝLΗsqer+ (Au) ΝLΗsqer) + (Au˙) ΝLΗsq˙er+ (Au˙) ΝLΗsq˙er) + ( (Au) ΝLΗsqe+ (Au) ΝLΗsqe) + (Au˙) ΝLΗsq˙e+ (Au˙) ΝLΗsq˙e) (22)

完成了气动载荷中非线性项线性化过程。

机翼气动载荷所做虚功离散到机翼单元上:[δWb]i, 通过适当形函数将第i个单元的虚功表示为气动质量阵、阻尼阵、刚度阵以及常数项、非线性项的形式, 最终完成机翼整体空气动力模型的建立。

[δWb]i=δqeΤLA (23)

LA=[ΜbA]iq¨e+[CbA]iq˙e+[ΚbA]iqe+[ (QbA) 0]i+[ (QbA) q2]i

其中, [ΜbA]i=0liΗsΤAu¨Ηsds

[CbA]i=0li (ΗsΤAu˙Ηs+ΗsΤAu˙Ηs) ds[ΚbA]i=0li (ΗsΤAuΗs+ΗsΤAuΗs) ds[ (QbA) 0]i=0liΗsΤ (LA) 0ds[ (QbA) q2]i=0liΗsΤ (LA) q2ds

2 算例验证

针对文献[5]中机翼模型数据 (见表1) , 结合文献[6]中大展弦比机翼结构模型建立方法, 建立大展弦比机翼气动弹性静平衡方程, 即在平衡状态下, Fs-Faero=0, 利用牛顿-拉斐逊方法迭代求解非线性方程, 最终完成机翼静平衡状态下机翼各方向变形计算。

因此, 首先需应用模型结构数据, 结合文献[6]中大展弦比机翼结构建模方法计算机翼固有频率并与文献[7]中结果对比 (文献[7]对此模型结构固有频率进行了分析) , 从而保证静平衡方程中结构部分准确性。第二步, 结合推导的空气动力模型, 利用牛顿-拉斐逊方法迭代求解非线性方程, 与文献[5]中计算结果进行对比, 验证。

参照表1中, NACA0012翼型大展弦比机翼数据, 结合文献[6]中通过广义哈密尔顿定理所推导结构模型进行固有频率分析, 结果如表2。

可见, 结构固有频率计算准确, 结构模型满足机翼气动弹性静平衡方程计算要求。采用本文推导大展弦比机翼空气动力模型, 应用牛顿-拉斐逊方法, 求解非线性方程得到机翼静平衡位置如图7、图8所示。弯曲变形与扭转变形随机翼展向分布, 机翼靠近翼根方向计算一致, 仅靠近翼尖方向出现较小相对误差。如表3所示, 在翼尖变形接近半展长25%的大变形情况下, 最大相对误差为3.6%。

因此, 对文献[5]机翼模型进行静平衡位置计算并与之结果进行对比验证得到:本文所推导的气动模型较文献[5]所应用偶极子格网法建立气动模型, 计算相对误差很小, 从而表明本文气动力模型的准确性。

3 结论

将旋翼气动建模思想引入大展弦比固定翼, 对旋翼飞行器UMARC理论中直升机旋翼空气动力建模方法进行适当改进, 通过计算变形后坐标系下机翼截面瞬时速度, 最终建立适应机翼较大变形情况下的空气动力学模型, 并结合NACA0012翼型大展弦比机翼模型数据, 通过计算机翼静平衡位置并与文献[5]结果进行对比验证, 得出如下结论:

1) 本文针对大展弦比机翼空气动力学模型建立方法准确;

2) 将旋翼飞行器UMARC理论改进移植到大展弦比固定机翼上思想可行;

3) 应用本文空气动力建模方法求解大展弦比机翼静平衡位置, 较偶极子格网空气动力建模方法更为简便, 计算相对误差不足5%, 因此具有较好的工程应用前景。

摘要:将旋翼气动建模思想引入大展弦比固定翼, 对旋翼飞行器UMARC理论中直升机旋翼空气动力建模方法进行适当改进, 建立适应机翼较大变形情况下的空气动力学模型。将大展弦比机翼描述为Bernoulii-Euler梁形式, 利用机翼大变形前后坐标系转换关系, 推导得到变形后坐标系下机翼任意截面瞬时空气速度并最终建立空气动力载荷模型。利用模型计算机翼气动弹性静平衡位置, 经与已有文献结果对比, 表明此模型建立方法准确、有效;将UMARC理论移植到大展弦比机翼思想可行;并具较高工程应用前景。

关键词:大展弦比机翼,Bernoulii-Euler梁,空气动力载荷,气动弹性

参考文献

[1]Raghavan B, Patil M J.Flight dynamics of high aspect-ratio flying wings:effect of large trim deformation.AIAA2007-6383, 2007

[2]Patil M J.Nonlinear gust response of highly flexible aircraft.AIAA-2007-2103, 2007

[3]Patil MJ.Nonlinear aeroelastic analysis, flight dynamics, and control of a complete aircraft.Georgia Institute of Technology, May, 1999

[4]Bir G, Chopra I.University of Maryland Advanced Rotorcarft code.Center for Rotor Education and research University-of-Maryland-Col-lege-Park, Maryland, 720, 1994

[5]Patil MJ, Hodges D H.On the importance of aerodynamic and struc-tural geometrical nonlinearities in aeroelastic behavior of highaspect ratio wings.Journal of Fluids and Sturctures, 2004;19:905—915

[6]王宏伟, 杨茂.大展弦比复合材料机翼气动弹性建模与分析.西北工业大学硕士学位论文.10699, 2008

空气污染让人“减寿”? 篇10

由中外学者合作发表在《美国科学院院刊》的一项研究认为,中国北方数十年来烧煤引起的严重空气污染导致人均寿命减少5.5年,提前死亡的原因几乎完全是由于心脏和呼吸系统疾患。

麻省理工、清华、北大与耶路撒冷希伯莱大学的一项合作研究首次使用中国的实际历史数据,估测了污染对人体健康的影响。这是一项重要的实证研究,其发现令人震惊!中国决策当局与公民都必须觉醒,立即行动应对严峻的环境危机。

——经济学家胡祖六

空气总悬浮颗粒物中含有PM2.5、PM10等颗粒,对人体健康有明显影响,长期生活在颗粒物浓度较高的地方,会引发一些心肺系统疾病,并影响健康。

——国家城市环境污染控制技术研究中心

研究员彭应登

虽然煤烟污染所排放的重金属、细粒子、二氧化硫和氮氧化物等物质一定会影响人体健康,但对寿命时间的影响,目前还没有充分证据,国际上就该数值的算法存在较大争议,且需要长期观察。

——环保部科技标准司副司长刘志全

人的死亡会受到很多复杂因素的影响,空气污染只是其中一个原因,可以说有一定的相关性,但直接说是空气污染导致折寿5年,这也不太好说。

——中科院地理科学与资源研究所

研究员王五一

环保部说:“北方人因空气污染减寿不可信”,但可不可信都需要证据。有些事儿,不要等10年、20年后数据出来才做,到时候什么都晚了。

——网友

“毒气实验场”中的“小白鼠”做出如此牺牲,得到的历史数据却等着外国人研究,研究完了,还不算数。还要多少“鼠辈”前仆后继呢?

——网友

空气污染对公众健康有显著影响,这是不容置疑的。任何研究都有局限性,但不管具体的数字是几年,这项研究的整体结果是符合现有全球范围内空气污染与健康关系结论的,数据的局限性不太可能影响研究整体结论。

——美国加利福尼亚大学洛杉矶分校

清洁空气中心副主任朱怡芳

在中国,由于空气污染和水污染,估计每年有76万人因此减寿死亡。切尔诺贝利核电站事故的辐射据称造成10万人患癌病死;相比一算,中国1年下来因种种污染造成的死亡人数是那场事故的7倍多。

——《洛杉矶时报》

上一篇:消极表现下一篇:MT2000发射机