“Biospherics” approach for studies of natural and artificial ecosystems

The main unifying feature of natural and artificial ecosystems is their biotic turnover (cycling) of substances which is induced with energy fluxes. A new integrating scientific discipline – Biospherics – studies biotic cycles (both in experiments and in mathematical models) of different degree of closure and complexity. By its origin, Biospherics is to be connected with extensive studies of Biosphere by Russian academician Vladimir Vernadsky. He developed and used “empirical generalizations” based on innumerous observations, comparisons and reflections. His “bio-geo-chemical principles” of Biosphere and ecosystems development have more qualitative than quantitative nature. Quantitative criteria to evaluate the efficiency of natural and artificial ecosystems are to take into account energy fluxes and their use in ecosystems of different types. At least, three of them are of value for estimation of natural and artificial ecosystems’ functional activities. Energy principle of extensive development (EPED), energy principle of intensive development (EPID) and main universal (generalized) criterion (MUC). The last criterion (Principle) characterizes the specific cycling rate of limiting chemical elements in multi-organism systems, developing under external energy fluxes. Its value can be a quantitative measure of effectiveness for every ecosystem functioning, including our global Biosphere. Different examples of these (above-mentioned) integrated criteria actions are presented and analyzed in the paper.     

航天器对流换热地面降压模拟的临界压力准则

航天器密封舱在地面模拟试验中常通过降压法抑制自然对流的影响,但降压比的选择 往往缺乏定量准则,这使得自然对流的抑制效果得不到保证。使用数值模拟方法确定临 界压力比,以几种典型航天器密封舱内的流动换热情况为例,分析了不同Gr／Re 2 数和压力比下密封舱内的流动换热情况。得到了舱内气体温度分布和对流换热系数。通 过比较空间情况和地面情况的计算结果,分析了自然对流给流动换热带来的影响,给出了判 断临界压力的准则式,并给出了临界Gr／Re 2数。结果表明：临界压力 的准则关系和密封舱的形状和内部结构无关。
     

真实蜂巢的力学分析和航天载荷结构仿生设计

自然界的真实蜂巢与工业上常用的蜂窝三明治夹层结构存在构型上的差异。对比二者的差异并分别进行三维建模。然后利用有限元分析方法,对二者因结构差异而导致的力学性能的差异进行对比分析,得到两种结构在受到轴向力和径向力时其变形和内部应力分布的区别。通过对仿真结果的分析,揭示真实蜂巢在力学性能方面所具备的独特生物学智慧,且将真实蜂巢独特的力学性能特性应用到某些航天载荷的结构设计上,取得了良好的效果。     

基于锤击法的复合材料层合板振动理论及实验模态分析

基于实验模态分析理论,构建了复合材料层合板的模态实验理论及测试系统。首先制备了150mm!80 mm!3.75 mm的碳纤维复合材料层合板,通过DH5922N动态数据采集仪提取了加速度传感器以及力锤所感应到的频响函数及激励信号。将频响函数导入DHDAS动态信号分析系统后获得复合材料层合板一阶及二阶固有频率分别为323.103和656.180 Hz,并测得对应频率下的各测点振型。结果表明,利用本文所提出的实验理论及所用设备可精确提取复合材料层合板的模态信息。     

多组分液滴自然对流厚交换层蒸发模型及其检验

为发展多组分液体燃料高温蒸发模型,首先以零扩散和无限扩散概念为基础,拓展考虑自然对流的厚交换层高温蒸发模型到多组分液体燃料,提出多组分NC-TEL模型。其次,采用挂滴法对正庚烷-乙醇、正癸烷-乙醇、RP-3航空煤油-乙醇三种混合燃料的单液滴在高温静止和强迫对流条件下的蒸发特性进行实验研究。实验结果显示:混合液滴蒸发速率随温度升高而显著增大,温度越高组分构成比例对液滴蒸发率的影响越明显;本文实验条件下,对流环境对于液滴蒸发的促进作用并不明显。最后,用实验数据检验蒸发模型。模型对比结果显示:总体上,NC-TEL模型优于R-M模型,高温段预测精度平均提升了8%～35%;低温段,零扩散NC-TEL模型与实验结果吻合程度较好,而无限扩散NC-TEL模型与实验结果相比误差略大;高温段,对于正庚烷-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测较为准确,而对于正癸烷/RP-3航空煤油-乙醇混合燃料液滴,NC-TEL模型预测值则偏低,可能的原因是微爆现象和Marangoni现象。     

西安夏季居住建筑自然通风热舒适研究

空调房间和自然通风房间的热环境特性存在诸多不同，相应的热舒适要求也存在一定差别。本文针对西安地区居住建筑热环境特征，以实际居住建筑中的人体主观感觉为研究对象，伴随客观参教测量的问卷调查手段．以模糊评价方法给出居住建筑自然通风房间热感觉的模糊评判模型。针对居住建筑空调开启特性，根据住宅自然通风与空调临界转换条件，提出能耗修正系教以便对此类建筑的能耗进行正确科学的评价。     

复合材料自动铺带技术研究(Ⅱ)——柱面上沿"自然路径"铺带的压辊坐标生成

根据可展曲面上“自然路径”与测地线等价原理,应用沿弧长展开方法,研究了柱面上“自然路径”轨迹生成、铺带头轨迹坐标和姿态坐标计算模型与方法,讨论了简单边界的处理原则与方法,为实现柱面自动铺带CAD/CAM提供了依据。     

湿热环境对正交铺设层合剪切板自由振动及动力响应的影响

基于Reddy高阶剪切变形板理论，用双重Fourier级数展开法求得了材料物性参数受湿热环境影响的四边简支纤维增强正交铺设层合剪切板的自由振动及动力响应的解析解，并讨论了湿热环境及纤维体积含量对固有频率及动力响应的影响。     

外弹道容错样条微分技术研究及应用

外测系统中传统的正交多项式微分方法和自然样条微分方法容错能力弱,无法避免截断误差、消除异常数据的影响,并且求得的微分结果对随机误差敏感。为了解决这些问题,提出容错样条微分技术,融合了自然样条微分算法与正交多项式中心平滑的优点,不仅增强了算法的容错性能、降低了结果对随机误差的敏感性,并且减小了截断误差。通过仿真试验,验证了该算法的实用性和有效性,为试验任务提供了高精度的弹道参数结果。     

具有多阶频率与振型约束的结构动力学优化设计

本文研究了在多阶固有频率约束的情况下,通过改变结构的尺寸进行结构动力学优化,使多阶振型的节点同时满足位置要求的问题。采用尺寸优化方法,首先建立了振型节点位置与结构尺寸之间的变量关系,然后在给定的约束条件下对结构进行优化,使结构不仅满足动力约束条件,而且使结构重量达到最小。优化实例表明,采用本文的方法,能够有效地解决工程结构设计中涉及到的一类具有多阶固有频率、振型节点位置要求的结构动力学优化设计问题。