面向双碳目标的建筑能源系统再认识

建筑领域是实现双碳目标的关键部门,在双碳目标指引下建筑能源系统需要做出革新.为此,本研究对建筑能源系统的发展任务进行了深入探讨,提出了面向双碳目标的建筑能源系统发展方向:传统的建筑能源系统以满足建筑自身冷、热、电等基本能源需求为主;双碳目标下,建筑能源系统需要从建筑节能向建筑低碳的新目标转变,需要在降低建筑本体能源需求、全面电气化、提升建筑能源系统能效水平、实现灵活可调并成为具有柔性调节能力的能源系统可调负载等方面做出变革,需要从单纯能源系统的消费者转变为集能源生产、消费、调蓄于一体的复合体.以构建低碳建筑能源系统为目标,对建筑能源系统的研究趋势进行了展望:需要进一步认识建筑能源、建筑环境营造的需求从而更好地理解建筑能源系统的基本要求,需要建筑与交通、电力等领域进一步融合,需要从单体建筑向区域建筑、城市等多个尺度上以建筑为载体构建城乡新型能源系统.本研究可为建筑能源系统如何实现自身角色转变、加快实现双碳目标下的能源系统变革提供有益参考.     

利用摩擦纳米发电机的流体能量俘获研究新进展

环境中的流体 (包括气体和液体) 动能是十分丰富且重要的清洁能源之一, 流体能量可通过不同的能量俘获技术 (电磁发电技术、压电能量俘获技术) 被转化为电能并供人们使用. 自2012年王中林研究团队发明摩擦纳米发电机 (triboelectric nanogenerator, TENG) 以来, TENG已成为了最重要的能量, 俘获技术之一, 并应用于流体能量俘获研究中. 论文综述了当前用于流体能量俘获的摩擦纳米发电机 (fluidic energy harvesting TENG, FEH-TENG) 的研究现状. 介绍了 FEH-TENG 中摩擦电材料之间的电荷转移原理以及基本的工作模式. 在气流动能俘获方面, 流致振动 (如涡激振动、驰振、颤振和尾流驰振等)是一种有效的将流体动力转化为机械能的物理机制, 基于该机制, 总结了FEH-TENG在风能和流致振动能量俘获中的研究进展以及各类能量俘获结构. 液体动能俘获方面总结了 FEH-TENG 在波浪和雨滴能量俘获中的研究进展. 介绍了基于 FEH-TENG的混合能量俘获系统和摩擦电材料优化在提升FEH-TENG流体能量俘获效率方面的研究. 接着介绍了FEH-TENG在不同领域中的应用. 最后讨论了目前 FEH-TENG 在流体能量俘获中存在的问题并提出了一些展望. 论文工作有助于推动FEH-TENG在流体能量俘获领域的发展以及促进相关研究人员对该领域的认识.      

可储能原则在一类岩爆问题中的研究和应用

从能量的角度对一类岩爆问题--应变型岩爆进行一些探讨.对此类岩爆能量的来源、能量的去处及能量释放的原因和大小进行了完整的论述.提出了岩体的可储能原则--岩体可存储的能量并非定值,而是随应力状态的变化而改变,当应力发生突变,岩体内实际存储的能量大于可储能时,多余的能量必将以各种形式瞬间释放,其中包括动能.根据此准则对简化了的一维、三维模型进行了详细的分析和计算,并结合离散元软件3DEC再现了三维卸载岩爆的破坏过程.     

壁厚对金属圆管撕裂卷曲耗能影响的研究

对置于锥型刚性底座上内径$D$为54.4\,mm的7种不同壁厚A3无缝圆钢管,在轴 压作用下撕裂卷曲破坏进行了较为系统的实验研究. 实验过程中记录了载荷-位移曲线, 并得到试件螺旋状残余变形模态. 对实验结果的分析中认为耗散能主要由撕裂能、塑性弯曲 变形能和摩擦能3部分构成. 分析结果表明,圆管壁厚对撕裂能和塑性弯曲变形能在总能耗 中所占比例的影响较明显,对摩擦能所占比例的影响甚微.     

潮流能开发现状、发展趋势及面临的力学问题

随着化石能源大规模应用导致的环境污染问题日益严重,世界各国越来越关注清洁可再生能源的开发和利用.潮流能属于海洋可再生能源,清洁无污染且资源丰富,具有良好的开发前景.21世纪以来,潮流能开发在世界范围内取得较大进步,装机规模呈上升趋势,多种潮流能转换装置进入示范研究或准商业化阶段.在此方面,人们将面临如何利用研制生产的各类转换装置提高对潮流能的利用效率这一关键力学问题.通过调研和分析,详细梳理了我国潮流能资源状况、国内外开发利用最新状况、潮流能开发利用关键技术以及潮流能利用前景,最后结合我国研究现状给出技术发展建议.主要内容包括:潮流能的生成、特点及分布,主要介绍潮流的生成、潮流能的特点、潮流能资源及分布等;潮流能开发利用发展现状,主要介绍潮流能开发利用技术研发进程、国外发展现状、国内发展现状等;潮流能开发利用关键技术,主要介绍能量捕获与转换、传动系统与发电机、潮流能发电阵列布置、海上电网构建、支撑结构等;潮流能开发利用技术研究展望,主要介绍国外潮流能技术研究的重点、我国潮流能技术研究的重点等;我国潮流能开发利用的建议;最后是前景展望.      

潮流能开发现状、发展趋势及面临的力学问题1）

随着化石能源大规模应用导致的环境污染问题日益严重,世界各国越来越关注清洁可再生能源的开发和利用.潮流能属于海洋可再生能源,清洁无污染且资源丰富,具有良好的开发前景.21世纪以来,潮流能开发在世界范围内取得较大进步,装机规模呈上升趋势,多种潮流能转换装置进入示范研究或准商业化阶段.在此方面,人们将面临如何利用研制生产的各类转换装置提高对潮流能的利用效率这一关键力学问题.通过调研和分析,详细梳理了我国潮流能资源状况、国内外开发利用最新状况、潮流能开发利用关键技术以及潮流能利用前景,最后结合我国研究现状给出技术发展建议.主要内容包括：潮流能的生成、特点及分布,主要介绍潮流的生成、潮流能的特点、潮流能资源及分布等;潮流能开发利用发展现状,主要介绍潮流能开发利用技术研发进程、国外发展现状、国内发展现状等;潮流能开发利用关键技术,主要介绍能量捕获与转换、传动系统与发电机、潮流能发电阵列布置、海上电网构建、支撑结构等;潮流能开发利用技术研究展望,主要介绍国外潮流能技术研究的重点、我国潮流能技术研究的重点等;我国潮流能开发利用的建议;最后是前景展望.     

含泡沫吸能层防护结构爆炸能量分布的数值模拟研究

采用ANSYS/LS-DYNA软件对复合结构各层中的爆破能量的分布进行了系统的数值模拟研究;由计算得到的复合防护结构中能量的分布规律显示,泡沫混凝土的反射、吸能作用非常明显,改变了防护结构内的能量分布状态,各层的能量分布发生了很大的改变,能量的分布向上转移,其最下层能量仅为无吸能层结构的14％。     

面内压电振动能量采集动力学设计与性能研究

压电振动能量采集将环境中普遍存在的机械能转换为电能,可以实现自供能传感、控制与驱动,具备灵活、节能环保、可持续的优势,具有广阔的应用前景。为了促进压电振动能量采集器件的集成与融合,提出面内压电振动能量采集,将压电振动能量采集器进行扁平化设计,使其在二维平面内采集振动能量,在保证较大功率输出下能够显著减小器件所需三维空间。为了提高输出功率与工作频宽,设计了具有双稳态与力放大机制的面内压电振动能量采集器。考虑弯张小变形,通过能量法建立了面内压电振动能量采集器的机电耦合动力学模型。分析了关键设计参数对面内压电振动能量采集器性能的影响。数值仿真了面内压电振动能量采集器在简谐激励下的俘能性能,结果表明,通过合理的设计,面内压电振动能量采集器可以低频、宽频弱激励下有效俘获能量。面内压电振动能量采集设计方法有利于推动便携式、可穿戴式自供能等方面的应用和产业化。     

黏弹性固体中地下爆炸辐射地震波能量的演化

地下爆炸与介质的能量耦合和介质中的波传播机制是理解地下爆炸源物理的重要基础。为研究地下爆炸辐射地震波能量的传播衰减规律,分析了黏弹性介质中地下爆炸地震波能量的组成。基于无限介质中黏弹性球面波理论,给出了速度、位移、应力、应变等物理量Laplace域的理论解。利用Laplace数值逆求解方法,建立了黏弹性介质中地下爆炸辐射地震波场的计算方法。以干黄土作为典型黏弹性材料,计算给出了地震波能量的传播特征,分析了地下爆炸辐射能量的传播衰减规律。结果表明:（1）在黏弹性介质中,某球面处流入的能量随半径增加而逐渐降低。在理想弹性介质中,某球面处流入的能量在几倍弹性半径外即可稳定到某一定值;（2）在某一固定的有限观测区域内,当观测时间足够长时,势能和耗散能均趋于某一定值,辐射动能趋于零;（3）当有限的观测区域能容纳一个完整波长的地震波时,地震波辐射动能的稳态值随波传播距离的增大而减小,总体上可以用指数函数和幂函数进行分段拟合。     

列车分布式吸能系统的波传播特性和参数分析

建立了考虑车厢中弹性波传播影响的列车分布式吸能系统的简化理论模型。基于一维应力波理论,对碰撞过程中各吸能器的响应进行了理论分析,得到相关的控制方程并求解。观察到各吸能器界面上典型的阶段性、平台样的速度响应,并分析了其机理,进而对如何合理设置和排布吸能器进行了分析。结果表明:对于相邻的吸能器,碰撞前端吸能器的压垮强度应高于后端,否则后端吸能器无法同时发挥作用;各吸能器的平台应力的大小和排布是决定吸能系统作用效果的控制参量,能够决定各吸能器的吸能时长和吸能总量。具体分析了相邻吸能器的平台应力分布对系统吸能性能的影响,得到了在所研究的情况下使总吸能量最大的优化设计参数。该研究可为列车分布式吸能系统的优化设计提供理论指导。     

非线性振动能量俘获技术的若干进展

随着工程中低功耗电子设备和自供能无线传感网络的迅速发展, 使得振动能量俘获在航空航天工程、机械工程、生物医学工程和可持续能源工程等领域得到了广泛地应用. 振动能量俘获不仅可以将振动能转化为可用的电能为微电子设备供电, 还能减少有害振动保护仪器设备. 根据振动能量不同转换机制, 可以将振动能量俘获系统分为静电式、电磁式、压电式、磁致伸缩式、摩擦起电式以及它们的混合式. 其中压电和电磁振动能量转化机制由于结构简单、容易组装、能量转换性能高等优点, 已被广泛应用于各种工程领域中. 受极端环境干扰, 工程中容易出现宽带、低频等振动, 迫使振动能量俘获技术向非线性方向迅猛发展, 进一步吸引了诸多学者对振动能量俘获系统的结构和电路进行优化设计研究. 本文首先综述了非线性振动能量俘获技术近十年来的研究进展, 主要包括设计技术基础、非线性结构设计、动力学分析等方面的研究现状. 其次, 重点阐述了振动能量俘获与振动抑制一体化的主要研究成果, 包括非线性准零刚度和非线性能量汇在振动能量俘获领域的应用. 最后, 总结了振动能量俘获外接电路和主动控制策略的优化设计, 分析了进一步提升非线性振动能量俘获效能的有效方法.      

爱因斯坦与核能--解读A.Einstein伟大的预见E=mc2

阐述了能源对人类及我国的重要性以及探索新型能源的迫切性，只有核能才能根本解决这一巨大难题，而爱因斯坦早在100年前就预示了核能的巨大潜力，从而开辟了原子能时代——利用裂变能与聚变能。随后，介绍了可供利用核能的途径，详细介绍了聚变能实现的要求、发展的历程、世界的现况（包括磁约束与惯性约束）。托卡马克是当前进展最好的途径，国际热核实验反应堆（ITER）的建造是聚变研究发展的重要舞台和里程碑，最后对我国能源发展进行了展望．     

基于能量原理确定系泊碰撞载荷的有限元法

准确地确定出船舶系泊时的撞击载荷, 对船舶及海洋平台的强度研究都是极其重要的. 提出了通过能量原理和有限元分析确定系泊撞击载荷的方法. 碰撞时, 动能和变形能满足能量守恒, 动能是包括附连水质量在内的船体总动能, 此动能在撞击时转化为变形能, 根据变形能与载荷的关系, 求出碰撞载荷. 通过具有碰撞载荷理论解的梁的验证, 表明该方法是完全可行的. 为实际工程提供了确定护舷撞击力的理论依据和计算方法.     

钛基纤维炸药水下爆炸性能的初步分析

通过爆炸压力时程曲线分析含钛纤维炸药的压力峰值、水下比冲击波能、比气泡能、质量能量及能量密度变化趋势,通过对所得能量结果分析钛纤维炸药的化学反应过程。结果表明:含钛纤维炸药的压力峰值、比冲击波能随钛纤维含量的提高而降低,比气泡能随钛纤维含量的提高而增大,质量能量及能量密度都随钛纤维含量的提高而增大。随距离的增大,钛纤维炸药压力峰值衰减比RDX的慢,而不同钛纤维含量的钛纤维炸药的比冲击波能、比气泡能在不同距离处随钛纤维含量变化趋势基本一致。根据炸药反应释放的总比能量进行理论分析,得出钛纤维炸药爆炸反应方程式。     

动静组合加载下岩石破坏的声发射实验

在霍普金森(SHPB)实验系统上进行了动静组合加载下岩石破坏的声发射实验,获得了动静组合加载下花岗岩声发射能量的变化规律。结果表明,动静组合加载下声发射能量规律呈现出2种明显不同的特征:I型,声发射峰值能量之后,能量迅速衰减,到加载末期,能量出现一定的回升,产生了拐点;II型,声发射峰值能量之后,能量衰减相对I型较慢,且不出现拐点。分别讨论了轴向静载和动载应变率对声发射能量的影响:声发射峰值能量随轴向静载增大而减小;当轴向静载位于岩石弹性段时,峰前声发射能量随静载缓慢增大,当轴向静载超过弹性段时,峰前声发射能量随轴向静载增大而急剧增大;声发射峰值能量和峰前能量均随动载应变率增大而减小。本研究对于重新寻求动静组合加载下岩石破坏的声发射前兆规律具有理论和实践意义。 更多还原     

面向压电振动能量俘获的电能管理电路综述

随着物联网(internet of things, IoT)技术的高速发展, 传统的电池供电方式已经不能满足其供电需求. 利用压电能量俘获技术将机械能转换为电能, 可为IoT提供持久的电能, 具有广阔的应用前景. 本文在讨论压电振动俘能器的电学特性基础上, 全面总结了面向压电振动俘能器的电能管理电路的最新研究成果. 电能管理电路通常由AC-DC变换和DC-DC开关变换器(包括控制算法)两部分组成, 前者用于将压电振动俘能器输出的交流电转变为直流电, 后者用于提高能量俘获效率. 首先, 针对AC-DC变换, 分析了全桥整流器、电压倍增器、同步开关电感电路和同步开关电容电路的工作原理和优缺点. 接着, 重点讨论了用于压电振动俘能器的典型开关变换器电路, 包括电感式、全电容式和变压器式DC-DC开关变换器以及AC-DC开关变换器, 分析了它们的特点和适用场合. 最后, 针对压电振动俘能器的特点, 分析了实现最大能量俘获的几种典型控制算法, 包括最大功率点跟踪、阻抗匹配和同步电荷提取控制算法. 本文通过对面向压电振动俘能器的电能管理电路的全面分析和综述, 揭示了该领域目前存在的瓶颈问题, 并展望了其未来发展方向, 对压电能量俘获自供电系统的研究和开发具有重要的参考价值.      

自由场空泡溃灭过程能量转化机制研究

综合应用实验与数值模拟方法, 深入讨论了自由场空泡溃灭过程中的能量转化机制. 在实验研究中, 应用纹影法记录了空泡溃灭的演变过程, 提取了空泡在溃灭过程中的半径, 溃灭速度等数据, 结合空泡势能和动能方程, 描述了空泡能量的转化过程. 在开展数值模拟分析时, 运用弱可压缩流体质量守恒方程和动量方程, 建立了三维数值模型用以模拟空泡在自由场中的溃灭过程, 并且由结果中获取了空泡溃灭过程中的压力及速度变化规律, 揭示了空泡在溃灭过程中能量转化机制. 研究结果表明: (1) 自由场空泡在溃灭过程中, 空泡势能与空泡半径具有相同的演化趋势, 空泡动能与势能变化趋势相反; 当空泡达到最大半径处时, 空泡势能最大, 流场动能为零. (2) 溃灭后期在空泡周围会形成高压区域, 该区域的压力梯度与速度梯度较高, 随着空泡收缩, 高压区域面积逐渐减小. (3) 空泡在自由场中发生溃灭时, 空泡势能不断转化为流场动能, 在溃灭时刻可以明显观察到冲击波现象, 空泡的大部分能量会在此时转化为冲击波的波能.      

New Principles of Work and Energy as Well as Power and Energy Rate for Continuum Field Theories

Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ1 999ｉｓｔｈｅ 90ｔｈａｎｎｉｖｅｒｓａｒｙｏｆｔｈｅｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＥ .Ｆ .Ｃｏｓｓｅｒａｔ’ｓｂｏｏｋ“ＴｈｅｏｒｉｅｄｅｓＣｏｒｐｓＤｅｆｏｒｍａｂｌｅ”[1],ｗｈｉｃｈｗａｓｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓｔｏｎｅａｎｄｎｏｗｉｓｓｔｉｌｌａｇｕｉｄｉｎｇｍｏｎｏｇｒａｐｈｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄｃｏｎｔｉｎｕｕｍｆｉｅｌｄｔｈｅｏｒｉｅｓ.Ｈｏｗｅｖｅｒ,ｉｔｗａｓｎｏｔｔｉｌｌｔｈｅｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐａｐｅｒｓｏｆＥｒｉｃｋｓ…     

基因芯片纳米挠度和表面应力的解析预测

本文利用能量法解析分析了无标记生物检测中基因芯片的纳米力学行为.首先,考虑微悬臂梁机械能和基因层静电能、水合能和构型熵,建立了基因芯片能量模型,并采用泰勒级数展开法.获得了能量势的一阶近似式.其次,利用能量最小原理,得到了芯片稳态弯曲的曲率半径、纳米挠度和表面应力的解析表达式,从而克服了求解多极值能量泛函数值解的困难.最后,预测了DNA的链长和种植密度对芯片纳米力学行为的影响,同时将表面应力的解析预测结果与有关实验数据进行了比较,证明了本文方法的可靠性.