相似理论（精选7篇）
相似理论 篇1
标准化的本质形式是统一,而且是尺度上的统一。事物的标准化是以事物的统一化或一致化来认定的,统一化是标准化的本质关系,是确认标准化
的根本依据。事物的统一有量化关系的统一,也有非量化的形式关系的统一。
在实际中,除了尺度统一外,还有相似统一的现实和需求。相似统一是一种形式或形状关系的统一,是对形式关系按比例缩放的统一。当我们看到一系列相似关系时,会自然地与标准化关系相关联,或者说,某种标准化的感觉油然而生。对于这种状态,作者把这种相似统一化命名为相似标准化,由此建立标准化的又一个新概念。相似标准化与分形有许多共同的属性,在分形数学的启示下,作者将相似标准化的概念与分形相关联,并借鉴分形理论研究,建立了相似标准化的类型和理论关系。本文研究和讨论了相似标准化的应用方法,为相似标准化的推广应用提供指导。
1 分形的概念
美国数学家曼德勃罗(B.B.Mandelbrot)于1975年在法兰西学院讲课时首次提出“分形”一词,并于1977年创立了分形几何,提供了研究不规则几何对象的思想、方法和技巧。
分形有两个关系的定义,定义1:“以非整数维形式充填空间的形态特征”。定义2:“分数维是大于拓扑维的几何性质”。由分形的定义可看出,分形是一种非整数维的形态。
分形的一个重要关系是自相似。自相似是总体与部分,部分与部分间结构或性质的相似性,或局部体现整体的特征的现象。自相似性既有空间的自相似,也有时间的自相似,是系统的某类结构或过程的特征在空间尺度或时间尺度都是相似的。
分形几何反映了某些自然规律的关系和可用于表达某些关系,分形几何在物理和信号处理领域得到了重要应用。分形的形式相似性使你不自觉地联想到它与标准化存在某些关系,吸引你去探索它的标准化属性。
2 相似标准化的概念和理论
相似标准化是一种形式统一,不是完全统一。相似标准化的概念为:“在一定的时域和空域中,按形式关系约定实现形式统一化的状态。”相似统一可以存在于时域中、空域中和时空域中。相似标准化的统一目标是“形式关系约定”,这个约定是形式的或形状的,是非等值约定,是成比例约定。
相似标准化的数学模型为:
式(1)中:f为图形表达函数;r为图形函数的自变量;k为图形的缩放比例系数;α为分维数。相似标准化的数学模型反映的是变量按某比例缩放的函数值等于函数按某比例的缩放值。式(1)表达的是图形相似性的关系,是对各维形状关系缩放的表达。
相似标准化有一维相似标准化、二维相似标准化、三维相似标准化、高维相似标准化等。相似标准化表达相似性的维度可以是几何关系的维度,如线、面、体等,也可以是特征关系的维度,如第一种性能关系、第二种性能关系、第三种性能关系、第四种性能关系等。对于几何相似标准化关系:一维相似可以是直径相等和性能相同的不同长度线段或实体,这些线可以是几何线、自然纤维纺线、合成纤维线、金属线等,实体可以是材料、直径、螺纹形式、螺头相同的螺栓或螺钉等;二维相似可以是平面形状或平面图案的相似,如正方形、三角形、棱形等;三维相似可以是体形状或体结构的相似,如立方体、球体、三角体、产品结构体、雕塑体等。对于实物对象,特征关系的维度或性能的维度通常是关联着几何关系或结构关系的,即使是一维性能,它的相似变化将带动实物对象几何形状或结构关系的相似变化。例如:某种类型的钻床,其能加工的最大直径形成了系列钻床,系列各钻床只是在加工直径上和功率上不同,钻床的整个设计结构关系没有必要改变,因此,钻床的直径系列是形状和结构关系相似的系列,其相似性如图1所示。相似标准化相似对象间的变化差异可以有等差变化、等比变化、指数变化等。对于相似标准化,是以某些一致性关系或完全标准化为基础的,或者说相似对象间是具有混合的标准化关系的,对象在某些特征上是完全标准化的,在另一些特征上是相似标准化的。
相似标准化有系列相似标准化、自相似标准化、自仿射相似标准化。系列相似标准化是指相似标准化对象间的差异关系是按一定的数值规律建立的,系列对象间是分离的,不是在一体上的相似关系,它们是一系列相互独立存在的相似对象,相似关系的形成是对别的对象关系的模仿制作,如相同形式的不同直径的一系列钻头或图1中的一系列钻床等,它们是分离式的系列相似标准化形式。自相似标准化是相似关系发生在一体上,一体上的局部与整体相似,局部的局部与局部相似。自仿射相似标准化是一种新生长关系与母体关系的相似性,它可以是在一体上的生长相似,也可以是出自一体再分离生长的相似,类似于基因遗传式的生长关系相似,自仿射相似标准化在晶体生长、植物生长、动物生长中都有体现,自仿射的相似关系如图2所示。图2是树生长的自仿射的相似关系,树上每一层次的树枝的生长是对其上层次形态的自仿射,这种自仿射的生长在植物的生长中是一普遍关系。系列相似标准化对象和自仿射相似标准化对象都存在着分离式的相似形态,而两者的差异在于前者的相似来自于对首件的模仿制作,后者的相似来自于母体遗传的信息。
相似标准化也是遵循标准化的4个基本公理。相似标准化的对象的形式或形状是容差性统一的,统一的形式或形状间是可以存在差异的,只要形式或形状的差异在容许范围内就是相似标准化的。相似标准化的对象的形式或形状统一的结果是概率性关系的,在统一的范围内的形式或形状可能有变异发生。相似标准化的对象的形式或形状的统一是泛元性的,形式或形状的统一关系可能有多个关系,不一定是单一的;相似标准化的对象的形式或形状的统一是非量性的,形式或形状的统一数量不是标准化标定的依据。
相似标准化为系列化的标准化属性提供了依据。通用化、系列化、模块化(简称“三化”)的标准化属性一直是个有争议的问题,问题出在对于“三化”学科归属缺乏支撑的理论依据。有理性标准化的概念和相似标准化的概念,“三化”的标准化属性问题有了全面、充分的理论支撑。通用化是一致性统一的标准化,系列化是形式或形状相似性统一的标准化(相似标准化),模块化是功能划分统一和接口统一的标准化。
相似是对同形式具有比例缩放差异对象的感觉。相似在形式关系上是完全相等或在形式关系上大部分是相等的,而在尺寸上是不完全相等的或在尺寸上是有差异的。许多事物的类别划分是以相似为依据的,如动物的科类和植物的科类等。
标准化既是一种客观存在,也是一种思维存在,标准化有客观形成的统一关系,且有人类设计和构建的统一关系。相似标准化也是一种客观存在,也是一种思维存在。相似标准化的关系在自然界比比皆是,如同科的植物、动物、同类晶体、自然现象的雪花等。人们在材料规格、设备型号等方面设计了许多相似标准化的关系,满足了各种用途的需要,避免了大量的重复技术设计工作的投入,节省了时间和经费,且有效控制了不必要的品种规格的增长。
3 相似标准化的应用
相似标准化可以按三种类型来应用,它们分别是系列相似标准化、自相似标准化和自仿射相似标准化。系列相似标准化可应用于指导工业产品的品种发展等;自相似标准化可应用于图形设计、装饰图案等;自仿射相似标准化可应用于植物物种、动物物种培育和发展等。
系列相似标准化是在对象形式关系统一的基础上,使对象的尺寸按一定的数值规律形成系列,由此形成形式统一的不同对象尺寸系列。在工业设备、工具等的制造中,存在着设备、工具等功能相同,而做功能力、承受能力不同的需求。这种状况实际上是一种设备、工具等形式关系保持相同,尺寸大小按适合的使用能力大小改变的需求,这对应了系列相似标准化关系,或对应了设备、工具等的形式统一而尺寸不同的需求。工厂使用的车床、铣床、钻床等机床都是按满足加工各种大小的工件要求设计制造成系列相似标准化关系的,尺寸的变化通常以主参数来确定。系列相似标准化中的主参数的变化规律一般选用具有等比关系的优先数系,主参数也可看作为设备、工具等的缩放尺因素。式(4)中的k相当于是系列关系的形式或形状函数归一化后的系列优先数系值。日常生活中的螺丝刀、扳手等也是制造成系列相似标准化关系的。相似标准化的关系在紧固件、轴承、管路件、泵、支承件、齿轮、密封件、电器元件、电器接插件等标准件方面被广泛应用。相似标准化应用的内容是同一系列中的对象形式关系统一,同系列中的对象尺寸按规律化关系形成差异。系列相似标准化应用于产品的系列化发展,它使产品系列内对象继承了统一的优势形状或形式,使其系列中的不同尺寸对象的形式关系来自于比例缩放,有利降低产品的设计和制造成本。相似标准化继承了设计结构形式,只用标注缩放比例就能完成设计;相似标准化简化了制造的工艺装备设计,继承工艺方案;相似标准化可继承试验方法,避免了试验方法的重新建立。
自相似标准化实物形关系在自然界中有多种存在对象,如海岸线、雪花等,但在人造实物方面的需求还是不突出的。自相似标准化人为的应用目前比较多的是在图案设计和装饰方面。自相似的图形往往能给人带来新的视觉效果,延伸人们对图形关系想象的无限空间。
自仿射相似标准化是相似因素来自于母体的方式,不是靠人为来建立统一的形式,是靠人为来利用形式统一的因素。对于培育相同的植物苗种,可选择一种母体,取其基因元素,植于培育苗体中进行培育,或在母体中进行多苗生长培育,由这些苗生长起来植物就成为了自仿射标准化的植物。对于动物的物种培育,也可应用以上方式,生长起来的物种是自仿射相似标准化的关系。
相似标准化对合理控制产品发展品种规格、降低发展成本、保证品种质量、提高品种发展效率等都有重要的理论价值和实际指导意义,将会是标准化未来发展的一个重要方面。
摘要：分形作为一门新兴的学科,在数学、物理、化学、生物、工程技术等学科得到了广泛应用和发展。本文分析和讨论了分形的概念和算法,在分形的启示下,提出了相似标准化的理论构想。本文建立了相似标准化的概念和数学模型,建立了系列相似标准化、自相似标准化和仿射相似标准化三种类型的相似标准化的类别关系,给出了三种相似标准化的应用对象、应用方法等,引导相似标准化应用发展。相似标准化作为标准化的一种新理论关系,将有利于拓宽标准化的发展空间。
关键词：相似标准化,分形,概念,创建,理论
参考文献
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[2]谷超豪等.分形几何理论与应用[M].杭州:浙江科学技术出版社,1998.
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[4]麦绿波.标准化基本公理的创建[J].中国标准化,2011,(8).
相似理论 篇2
关键词：相似理论；机械工程；应用价值
中图分类号： O415.5 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）21-144-2
0 引言
相似理论起源于20世纪，它一开始出现在人们的视野里是在物理现象当中，每个学者都清楚，在自然界里，存在很多的相似的物理现象，或者现象不同，而其实验本质相同。正因为这些现象或本质的相似性，引起了科学家的极大注意，于是在20世纪初形成了独特的学科：相似理论。从它的名字我们就可以知道，它研究的主要对象是生活中的物理现象会出现相似状况的各项必要的因素以及这些现象其中的相似性质。随着时代的发展，相似理论及其应用也得到了可观的进步和完善。近些年，也有很多学者根据这些理论知识提出了很多定理，并写出了相应的论文，得到了社会各界的广泛关注和认可。比如上世纪前苏联学者发表了《相似原理》，其中的“相似三定理”是相似理论的理论基础，也是现代应用开展的必要理论定理。除此之外，还有我国发表的《相似工程与成组技术》和《相似工程》两篇论文，这些都在社会上产生了良好的反响，被科学界视为新的血液。在我国的现代化机械工程领域当中，相似理论起着越来越重要的作用，它被广泛地应用到各项工程的进展以及机械操作的问题当中，同时作为很多工程开展的基础理论知识，它可以有效较好的解决很多机械工程中的难题。为了促使相似理论能够在机械工程领域得到更全面的发展和应用，需要各位学者对相似理论的内容进行不断探讨，并切实地把相似理论与工程实际中的技术结合起来，如成组技术、人工智能和模型试验等，以充分实现相似理论的价值。
1 相似理论的特点
如上所说，相似理论是对生活中和自然界中相似的物理现象和本质进行相应的研究的学科，它最大的特点就是模拟和仿真，通过对一些现象的研究，得出其实际原理，然后进行仿照、对比，并运用到各行各业当中。在现代的机械工程领域当中，相似理论大都被应用于指导工程的各项进程的模拟，并对其加以探索，从而确定相关的策略以及对问题的解决方案。如今的社会，计算机科技不断发展，相似理论已经不仅仅止步于对物理现象的研究当中，它不但成为很多机械工程设计方案的理论基础，同时也广泛的应用到了人们的生活当中。相似理论的概念也随着时代的发展不断获得新的进步和扩充，它在不同的领域中也演绎着各式各样的角色，核心内容也越变越广，同时它也需要我们对其进行进一步的完善和推广，使它在各行各业都充分的发挥更大的作用。
相似理论一般是通过对物理现象发生所需具备的条件出发，对其中的各项内容进行研究，并通过各种数学公式进行分析，最后得出结论，然后将之应用到很多领域当中。相似理论最主要的特点是具有很大的抽象性，这个特点源于它对物理现象的研究所采用的方式，其中大部分采用的都是科学的设计分析与数学理论的规划计算，也就很大方面地导致了它的抽象性太强。其次，它还有一个特点就是适用范围十分广泛，除了机械工程领域，其他工业领域以及各种电力系统等都结合并运用了其理论内容。相似理论的核心功能在于指导实践方面，很多时候，要对工程方面出现的问题进行模拟实验和分析，在这其中，相似理论就充当着导火线的作用，连接着整个实验进程。并且，相似理论在很大一方面是用来处理工程当中所遇到的比较棘手的问题，因此，它的价值也很明显的体现在了机械工程的整体进程当中。
2 相似理论在机械工程当中的应用
相似理论在机械工程当中又有一个新的名词：相似工程学。它表明了该理论在机械工程当中的重要作用以及宽广的操作领域。在机械工程当中，它最为显著的应用项目主要包含了工程系统相似设计、相似虚拟制造、成组技术、相似模型技术和机械系统相似设计等。在这些应用当中，目前最受关注的是成组技术，它已经得到了社会各界的支持和广泛应用。最为科学化的应用是相似模型技术，由于在工程当中，其中的某一环节很容易出现问题和缺陷，就需要进行各种模拟、仿真，进而进行分析和对比，因此，该应用的主要操作是相似模拟与系统仿真，做完这两步之后，就可以对工程进行系统有效的规划和分析，并通过相似性来对整体的进程提出相应的方案，同时对工程当中的问题进行解决。由这些可以看出，在机械工程的进展当中，相似理论起到了不可忽视的重要作用，而且，在机械工程当中，相似性分析可以对整体的系统起到良好的分析改善效果，对工程的进展有着重大的意义。相似系统理论在实际应用中，显得极为重要。
在机械工程领域的零件设计当中，相似性的系统分析也可以赋予到零件最初的设计当中，把相似理论与各部位零件进行融洽的结合，从而配合整个机械工程的运作，使整体的机械系统变得合理有序。现代的机械工程，越来越看重整体系统的运转，同时要保证各部分机械的稳定运作，一旦出现了某方面或某部位的问题，就要通过相似理论进行有效的分析与研究，以获取解决方案。因此，在零件的相似性理论制造方面，也应该加强重视度，只有全面地将相似系统运用到零件的制作过程当中，才可以使整体的机械进程更加稳健顺利。
相似理论在机械工程当中核心的价值在于对机械工程整体的设计规划分析以及对所出现的问题能及时地规整出新的方案和解决办法。在机械工程的开展当中，具体的相似性设计步骤分为三步：首先是对整体机械系统的运作模式进行分析。在这里，首先要收集系统的资料，然后对资料进行合理的整理，再通过相似性理论将各部分进行模拟或仿真，最后进行分析，得出操作的具体流程和方法。对整体的机械系统的相似性分析要从由不同的方面开始，如传动方面、整体控制方面等。每个方面不仅仅是整体的一部分，也有自己独立的整体，需要运用相似性理论对各个方面进行全面合理的分析。其次，由于在对整体机械工程的系统分析量太大，导致模型数目众多，因此需要恰当地简化模型。相似性理论要求，对模型中的参数要以具体要求为基准，不能盲目而立，同时要有特定的模型基础，不可以简化掉重要部位。最后要对产生的数据进行分析得出结论。通过对机械工程系统的模型模拟和简化，可以得到很多相关的数据以及记录，我们要对其中的重要结论与现有的或目标当中的进展方案进行对比分析，检查是否存在着不足，如果确实存在缺陷，则应该立马对系统进行重新的分析，规划更加合适的模型，对其中的各项内容也进行合理的分析，更改不一样的对照参数。
3 结束语
随着时代的发展，相似理论在机械工程领域的发展已经不再局限于理論知识基础，它的各项设计与方法在机械工程进程当中的各个方面都得到了广泛的发展。如在基础的零件设计方面、模型设计方面、成组技术以及整体的机械工程系统模拟分析方面。相似理论本身的理论基础也被很多行业所接纳，在这其中，最为主要的还是机械工程领域的成就。随着年代的改革，相似理论不断地得到了充分且有效的发展，它在机械工程领域的价值也越来越突出。但是，目前相似理论在机械工程整体的运作发展当中，并没有完全发挥其重要作用。因此，为了我国的机械工程能够不断获得新的进步与发展，相关的学者与科学家要对相似理论这门独特的学科不断进行创新和探讨，实践出其核心理论价值，使它充分地发挥其在机械领域的重要作用。
参 考 文 献
[1] 姬书得，张利国，刘雪松，方洪渊，于东媛.基于相似理论解决水轮机转轮数值分析困难的方法[J].机械工程学报，2010（08）.
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[3] 胡冬奎，王平.基于相似理论的双螺杆磨浆机螺杆参数化设计[J].天津科技大学学报，2009（06）.
[4] 陈荣盛，张礼达，任腊春.基于相似理论的风力机力特性分析[J].水力发电，2008（06）.
相似理论及其在机械工程中的应用 篇3
1 相似理论的实质与特点
相似理论其实质为对实际生活中各种类似现象进行分析解释的学说。也就是对相似现象的共同点加以研究的理论。而该理论在模型构建上有着极为重要的作用, 可以借助现有计算机模拟技术以虚拟的形式, 根据模型原型的预定功能、结构等, 以相似理论为指导完成对应模型的构建。相似理论发展的基础为: (1) 对自然界作用现象的合理定义; (2) 对应现象所涵盖的物理原理符合于某一客观规律, 不存在偶然性; (3) 不能凭借主观臆断完成对现象中各个物理量的测定, 它是客观事实。现今, 相似理论已经不仅仅是对物理问题进行探究, 还成为了机械工程设计的基础, 并得到了广泛的运用。伴随着现今科学技术高速发展的趋势, 相似理论在今后必定随之不断吸纳全新技术与理论概念, 进而在各个适用的领域中都可以发挥出它的重要作用。
相似理论通常是以物理作用现象产生的前提条件为入手点, 对每一项条件及其所对应的现象进行深入探究, 同时借助现有的数学算法对其进行系统的研究, 进而以函数关系的方式得出相应的研究结果, 在进行充分验证之后实现推广应用。相似理论的研究及其成果较为抽象, 由于大多只是通过理论分析和数学运算的方法来得到结论, 所以所得的结论大多只能给以研究者一个理论的研究方向。同时, 由于其研究的物理作用范围极为广泛, 因此在各个领域都有着一定的应用, 不光是在机械方面, 还在别的工业生产研究中有着极为重要的指导作用。相似理论在应用于机械工程领域时, 能够有效的为所出现的问题给以一定的指导, 在解决各类复杂工程问题时, 起着切入点的重要作用, 在处理实践问题上有着极大的应用价值。
2 相似理论在机械工程中的应用
就我国机械工程的发展而言, 相似理论起到了极为关键的促进作用, 同时在各类机械研发、修理中也起到重要的指导作用。相似理论, 又被称之为相似工程学, 以一个独立学科来表示这一理论就充分说明其对于工程研究的重要作用。而就相似理论在机械工程的实践应用而言, 涵盖了工程系统相似设计、成组技术、相似模拟制造、相似仿真以及机械相似模拟设计等等。其中现今最受瞩目的就是成组技术, 它的实质也就是借助实物之间的相似性质, 根据原来所存在的一定规则分门别类, 对相同作用性质采用统一模式进行研究的方式。目前, 依托于国内电子信息技术的不断发展, 该技术已经和自动控制工程等相关技术进行了有效结合, 已经初步实现了信息化生产。而就工程领域而言, 在设计以及制造的各个环节中也得到了极为广泛的应用。而相似模拟技术则是借助对仿真电路中电流以及电势差等相关物理参数的合理控制, 进而实现逻辑运算的目的。但是, 该技术在实际应用的过程中过于依赖研究人员的经验, 很难对系统运行的结果加以及时控制。而借助现有的数字化技术, 能够有效地改善这一缺点。
在机械工程零件设计的过程之中, 相似理论也有着极为广泛的应用。首先, 在对机械零件继续设计的过程中, 可以预先对其需要实现的工程进行预估, 借助相似理论对能够实现该功能的现有零件结构进行分析, 初步模拟出零件的构造。进而通过仿真模拟整个机械系统的运转情况, 对不合理的结构加以适当的修正, 并再次进行仿真。依托于相似理论, 在多次仿真之后就可以在实践中对零件的性能、结构以及完成预定功能的能力进行测试, 并合理结合相似三准则的内容, 不合理的地方加以修正, 进而保证整个系统能够安全、高效的投入到运营环节中。
相似理论在机械工程中最为重要的作用在于研究方向指导、机械问题研究切入点以及对系统整合分析等。在实际的机械工程中, 借助相似理论可以对机械整体的运转方式加以详细分析, 并合理结合相似的相关机械对其运行特点以及预定功能进行合理划分, 并借助相似性对其进行模拟。其基本步骤与零件设计环节类似。但是由于在对整个系统进行相似性分析时, 所涉及的数据量以及各类专业理论与实践知识过于庞大, 一旦出现失误将会造成极大的人力物力资源浪费。因此, 在进行模型仿真的时候, 可以对其适当的简化, 先对模型的整体框架进行构建。进而按照预定的功能, 填充能够完成相似功能的各个组件, 并且及时的对模型整体运作参数进行记录分析, 对不合理的地方加以适当的调整, 最终实现整个机械系统模型的构建。于此之后, 则可以在实践测试之后投产使用。
摘要：理论研究是推动科技发展的基础。自改革开放以来, 国内的机械工程已经取得了翻天覆地的变化。就机械工程的发展而言, 相似理论无疑起到了极为重要的促进作用。相似理论也就是充分发挥理论知识的导向作用, 并以此为基础进行建模, 同时参照理论对构建出模型的实际操作步骤加以初步确定, 进而为机械工程中不可预计因素的处理提供一定的参考。近年来, 相似理论已经在工程领域中得到了极为广泛的运用, 代表着我国机械工程发展的重要方向。文章首先对相似理论的实质进行了简要分析, 进一步对其在机械工程中的实际应用加以说明, 一方面作为作者的学习总结, 另一方面也希望能够为相似理论应用范围的推广贡献自己的绵薄之力。
关键词：相似理论,机械工程,应用
参考文献
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[2]宋, 张贵文, 党星海.相似理论内容的扩充与分析[J].兰州理工大学学报, 2004 (05) .
[3]易刚, 龚代瑜.试论结构模型设计中的相似理论[J].国外建材科技, 2004 (05) .
[4]迟世春, 林少书.结构动力模型试验相似理论及其验证[J].世界地震工程, 2004 (04) .
相似理论 篇4
下面本文将先对相似理论进行简单的介绍, 再以连续流动的圆筒内的均相一级反应为例, 根据相似理论进行分析, 从而探讨和分析相似理论在化学工程中应用的局限性。
1 相似理论概述
在解决力化学工程内的一些问题时, 很难找到具体的数学方法和数学模型, 需要通过实验的手段来进行研究。但是直接进行实验也存在一定的局限性, 一方面是实验时在特定条件下进行的, 不具有普遍性。另一方面, 有些问题直接实验的难度比较大, 比如研究飞机时的吹风实验, 因为飞机体型巨大, 实验难以进行。此时就可以将飞机缩小, 得到适合实验的飞机模型。为了保证缩小前后实验数据的准确性, 就需要保证在缩小过程中严格按照相似原理进行。
相似原理中, 实验模型的每个要素都必须与原型的对应要素相似。具体的相似要素有初始条件、几何条件、物理条件以及边界条件等。相似理论中主要有三个相似定理。第一相似定理中, 对于能够用方程表示的具体规律, 必须具有完全相同的物理方程, 而且对应的相似准则必定数值相等。第二相似定理中, 如果某个系统有x个物理量和y个基本量纲, 则可以用 (x-y) 个独立的相似判据之间的函数关系式来表示n个物理量。第三相似定理中, 如果某类事物单值条件相似, 而且由单值量组成的相似准则在数值上相等, 则事物之间必定相似。
2 相似理论在化学工程中应用的局限性
相似理论虽然可以解决化学工程中的一些问题, 但是也存在一定的局限性。对于某些问题, 该理论行不通。下面将以连续流动的圆筒内的均相一级反应为例, 根据相似理论进行分析, 对相似理论在化学工程中应用的局限性进行探讨和分析
在该例子中, 产物S用a A来表示, 其中, a代表反应中分子的计算系数。
根据连续均相相反系统可以写出物料的衡算式, 即:
式中, C表示反应物的浓度, t表示反应时间, γ表示反应速度, E表示圆筒内流体的流速, F表示扩散系数。
如果我们忽略X向和Y向的流动, 只考虑Z向一维流动, 则上式可以简化为:
上式中, 左边一项表示反应系统中任何一处组分A的变化率;-αγ表示由于化学反应而引起的A的变化;右边后面三项以此分别表示由于Z向浓度的变化、Z向流速变化以及分子扩展而引起的A的变化。
用Da表示达姆勾勒准数;Da1、Da2、Da3和Da4都是表示含有速度γ的准数, 也就是代表化学反应的相似准数, 他们具有不同的物理意义。Da1表示因反应而引起分子数改变和因流动而引起分子数改变的比值。Da2表示因反应而引起分子数改变和因分子扩散而引起分子数改变的比值。Da3表示系统反应中放出热量和流动带走热量的比值。Da4表示系统反应放出热量和传导带走热量的比值。
在同一个物系中, 即计算系数和物性常数一定, 如果将一个小模型放大为大模型, 则大模型的处理能力能够达到小模型的好几倍, 并且能够保持浓度不变。
如果以下标1表示小模型, 下标2表示大模型, 则有:
如果两者具有相似的流体力学状况, 系统满足几何相似, 则大小模型的圆筒长度与直径之间是存在着正比关系。
如果系统满足反应相似, 则大小模型的Da1和Da2都相等;如果系统反应满足热相似, 则大小模型的Da3和Da4都相等
再根据流体力学相似就可以得到:
通过上面的详细分析, 我们可以知道:如果想将大小不一的两个装置达到完全相似的程度, 反应器的直径和长度都应该增加n倍, 流速则需要减少为原来的1/n, 反应速度则需要减少为原来的1/n2, 那么反应器的体积需要增大n3倍。
由此, 我们可以看出这个方案是不合理的。如果想要保证合理的反应器容积和相同的反应速度, 就必须放弃流体力学相似和几何相似这两个条件。而且流动状态的变化会影响到反应器容积以及反应速度。所以, 相似理论不能解决该问题。
对于纯粹的扩散过程, 其实可以不考虑反应相似问题的, 只需要保证流体力学和传热相似就可以了。当扩散速度非常快的时候, 化学反应速度能够决定总的速度, 此时只要保证反应准数相似就可以了。这个就是局部相似模拟法, 它只能够解决个别问题。
3 结语
总的来说, 相似理论虽然在解决许多问题中具有很好的效果, 但是也存在一定的局限性。在处理存在化学反应的化学工程问题中, 难以保证多个相似条件, 达不到预期的处理效果。所以在化学工程中应用相似原理时, 需要考虑应用的可行性, 根据实际情况进行针对性的应用, 不能没有依据的进行盲目应用。
摘要：将相似理论应用到化学工程中可以有效的解决部分问题, 但是也存在着一定的局限性。本文介绍了相似理论的相关概念, 重点探讨了相似理论在化学工程中应用的局限性。
关键词：相似理论,化学工程,局限性
参考文献
[1]秦正龙.因次分析在化学工程中的应用[J].徐州师范大学学报, 1995.
相似理论 篇5
关键词：相似系统,装备研制,MPT,DMPTRAS
0 引 言
人力、人员及训练是装备综合保障要素之一,是装备保障资源的重要组成部分。人力和人员是指装备系统寿命周期内平时和战时使用与维修装备所需人员的数量、专业及技术等级。而这里的人力需求和人员需求又有所区别,人力需求表示按技能区分的使用和维修武器系统的人数;人员需求表示为人力需求提供保障的人员来源及补充人数,必须大于或等于人力需求。当确定了人员的专业技能要求之后,可通过人员训练来弥补需求与实际技能之间的差距。训练需求是指训练装备使用与维修人员的活动与所需的程序、方法、技术、教材和器材等。作为综合保障的一项重要内容,MPT需求分析对于装备研制与使用、保障资源规划及保障系统的建立具有直接影响和决定性作用。以相似理论为指导的装备研制人力人员及训练需求分析系统(EDMPTRAS),能够在装备研制早期提供人力、人员和训练资源的需求信息,一方面使设计人员及时了解在研装备对人员的要求,改进装备设计;另一方面使部队及时规划人员与训练,保证人员配置与装备研制同步,使装备快速形成战斗力[3]。
1 基于相似理论的装备比较模型
由于装备之间存在继承性和相似性,装备研制MPT分析的基本思想就是利用相似系统理论,对新研装备与现有装备在结构组成、功能方面进行比较,利用相似程度最高的现有装备所提供的成熟数据,确定新研装备人力、人员和训练资源的需求信息。相关概念如下:
(1) 相似元 相似元是指系统间具有共同属性和特性,而在数值上存在差异的组成要素构成的单元,简称相似元。当系统A中要素ai与系统B中要素bj为对应的相似要素时,用相似元描述,记为 uij(ai,bj)。如果A、B系统具有n个相似元,用u1,u2,…,un表示,记为U={u1,u2,…,un}。根据装备应用需要,相似元可以是零部件、组件、单体,也可以是设备或子系统等。
(2) 相似系统 当两个系统间存在相似性要素和相似特性时,则两个系统称为相似系统。显然两个系统间相似元越多,相似元的值越大,两个系统的相似程度就越高。
(3) 系统相似度 设系统A由k个要素组成,系统B由l个要素组成,相似要素为n个,q(ui)表示相似元的值,βi为每个相似元的权重系数,系统间的相似度定义为[2]:
式中
(4) 新系统NS 是处于设计阶段和改进状态的系统,是MPT需求分析的对象,可以是整个装备,也可以是其组成部分。分析人员需要不断地收集其相关的设计和保障性文件,如NS的任务范围分析、使用和编制计划以及后勤保障计划等。因此它的建立伴随着其研制过程(从“方案”到“成品”)的深入不断精确化。
(5) 原系统OS 是目前执行NS部分功能的,将被NS替代或需要改进的现役系统,在现实中已经存在,能够提供最成熟的数据。
(6) 基准比较系统BCS(Baseline Comparison System) 现有系统或分系统的组合,它具有最接近于新研装备的设计、使用与保障的特性[1]。BCS在OS的基础上建立,它的组成部件全部来源于现行使用系统,可以提供成熟的数据,但与OS相比,BCS与NS更相似。但是BCS是现行使用系统在设计上的组合,是虚构的,不能提供使用人员的实际操作环境,也就不能用来分析使用人员的配置与任务分工,因此OS的作用是不可替代的。
(7) 建议系统PS(Propose System) 当新系统采用了新技术,在现役系统或其他可比系统中找不到满足要求的部件时,可以设计满足NS要求的“方案部件”组合成一个完全反映新系统设计特性的系统,这就是建议系统。PS是完全反映NS设计、使用及保障特性的建议性方案系统、分系统、设备、组件或部件组合成的分析框架,PS的部分数据是由试验或BCS推导得到的,存在一定的风险[1]。
以新研装备作为新系统,对其设计要求和功能进行分析,并按照系统、分系统、设备、部件这样自上而下的层次结构,建立新系统的通用“设备”(指分系统、设备或部件)组成。由于相似元的选择要针对特定层次,即相似元存在层次性,并存在多级相似元。在研究新系统和相似系统(OS、BCS和PS)的相似程度时,对于不同层次的相似元,会选择不同的相似设备或部件,很可能确定的相似系统就不同。以某自行火炮为新系统(图1所示),确定火力系统、底盘、火控系统等分系统为1级相似元,组成火力系统的自动机、炮塔总成、供弹装置、吊篮等设备可以作为2级相似元,组成炮塔总成的炮塔体、弹药架和两用机枪等部件作为3级相似元,由此还可以进一步分解以构成完整的相似比较模型。相似系统理论指出,系统相似性大小与系统组成要素多少及其特性相关,与系统相似要素和相似要素的相似程度大小相关[2]。根据相似比较模型,既可以对新系统、OS、BCS和PS之间的相似程度进行定性分析,也可以对系统相似程度进行定量计算(式(1)),系统相似度计算方面的知识可参见相关资料,这里不再赘述。
2 系统需求
装备研制MPT需求分析系统(EDMPTRAS)主要根据新研装备和现有装备的任务、功能要求及结构信息,按照相似原理,建立装备相似比较模型,即构建新系统NS、原系统OS、基准比较系统BCS和建议系统PS,通过NS与OS、BCS、PS的反复比较和修整,确定新研装备的使用和维修要求,从而获得装备使用和维修人力、人员及训练需求信息,并通过影响和权衡分析解决MPT分析过程中存在的问题。因此,装备研制MPT需求分析主要包括以下过程[4]:①建立装备相似比较模型;②确定新装备使用和维修要求;③人力需求分析;④人员需求分析;⑤训练需求分析;⑥影响和权衡分析。
根据装备MPT需求分析的输入和输出(见图2),EDMPTRAS应具有以下主要功能:
· 生成新研装备结构及组成信息;
· 选择和构建OS、BCS、PS;
· 推算新装备使用和维修工作量;
· 提供人员类型和数量;
· 提供人员专业、技术等级和补充量;
· 提供人员训练内容和要求;
· 提供人员训练资源类型和数量;
· 确定MPT分析过程中的问题(MPT需求超过预期);
· 对MPT需求超过预期的问题进行权衡。
3 系统设计与实现
3.1 总体框架设计
系统总体[5]如图3所示。
(1) 信息层由装备研制信息和装备使用、维修所需人力人员及训练信息组成,主要包括两个方面,一是装备设计相关信息,如装备结构及组成、使用与维修要求等信息;二是规划装备人力和训练的相关信息,如使用和维修人员专业、岗位和数量,训练资源等信息。信息层是有关装备设计、人力与训练规划的MPT数据视图。
(2) 分析层以装备相似比较模型为基础,确定新研装备的使用和维修要求,如工作量、工作类型等;通过工作量分配,确定人力需求信息;根据人力需求信息和现有人员状况信息,确定使用和维修人员定性描述(技能水平、等级、考核结果等)和补充量;由人力需求信息、人员需求信息和现有训练大纲,确定训练需求信息,主要包括训练内容(训练课目)和训练资源(器材、设备、工具和场地等)。此外,本系统还要对相似比较模型建立、工作量确定、人力需求分析、人员需求分析和训练需求分析的结果进行审核,找出异常结果(超过预期的需求)并确定其原因,对异常结果进行权衡分析,确定权衡对象、类型并给出解决问题的建议。分析层是将现有装备MPT数据处理、推导并转化为新研装备MPT需求信息的过程。
(3) 数据层主要由“装备MPT数据”和“装备结构功能数据”组成,为建立装备相似比较模型和确定装备使用与维修要求提供数据基础。通过MPT需求分析,新研装备的结构组成和MPT数据将分别存入“装备MPT数据”和“装备结构功能数据”。
3.2 功能设计
EDMPTRAS主要面向装备研制部门,在装备研制同时确定其使用和维修人员及训练要求,通过前面的系统需求分析,EDMPTRAS的主要功能包括(如图4所示):
· 建立相似系统 根据新装备的结构和功能信息,选择和建立新装备的原系统、基准比较系统和建议系统,同时可确定新装备各部分相应的结构及功能要求、使用与维修要求,可靠性和维修性数据等,为MPT分析提供基础数据。
· 确定使用和维修工作量 根据新研装备的设计信息以及相似系统的使用、维修数据,确定新装备各组成部分的使用和维修工作类型,并推导和计算其使用和维修工作量。
· 确定人力需求 进行工作量分配,确定新装备各组成部分具体的使用和维修人员信息,包括人员专业、岗位、技术等级、有效工时、分配的工作量及人数等。
· 确定人员需求 对现有人员进行定性和定量描述,包括人员教育水平、考核情况、基本专业知识和技能、体能和心里状况及相关职责等;定量描述包括人员提升、减员、调动和受训的比率,统计人员的平均流动率,计算各类人员的补充量。
· 确定训练需求信息 主要确定训练内容和训练资源,训练内容包括训练课目、时间、受训人数、承训单位和训练要求等;训练资源包括场地、教材、器材、设施和工具等。
· 影响分析 对各步骤的分析结果进行审核,确定资源需求过大或超出预期需求的结果,并分析和确定其原因。
· 确定权衡分析信息 对MPT需求分析结果进行优化,确定减少新研装备的MPT需求的可用权衡方案。
· 数据维护 提供对装备结构功能数据和装备MPT数据的维护。
· 报表统计 按照用户要求提供新研装备结构组成和MPT数据的统计、报表生成。
· 帮助功能 从系统的完整性考虑,为用户提供对系统功能和使用方法的查询功能。
3.3 数据库设计
本系统采用SQL Server 2000建立了一个关系型数据库,其具体设计分为基本数据字典和表。系统建立了多个基本数据库字典,如人员岗位字典、训练项目字典、训练设施设备字典等,用以存储现有装备人员和训练基本信息;表的设计按其存储信息可分为:装备组成信息、使用和维修人员信息、训练需求信息、影响分析信息、权衡分析信息等,各表之间通过主关键字段和外部关键字段进行关联。数据库表和字典相互关系如图5所示。
3.4 实现与应用
EDMPTRAS是基于WINXP环境下开发的,主要包括建立相似系统、人力需求信息、人员状况信息、训练需求信息、影响分析和权衡分析六个模块组成。数据库采用Microsoft SQL Server 2000,并结合ADO组件实现数据库访问,前端开发使用Delphi 7.0设计和实现主系统和各模块的图形界面。本系统已成功运用于某自行火炮的研制过程,图 6为主系统和“建立相似系统”模块的界面,在确定新研装备结构与组成时,可通过 “新装备结构及组成”树形视图来完成,该视图可使用右键菜单,进行添加、删除、重命名等操作,使用户构建完整的装备树,树中各节点的顺序、层次、类型及名称等信息均被存入后台数据库中。装备树建立完毕后,选中树的某一节点(即装备的某一组成部分),可为其建立相似系统(原系统或BCS)、确定R&M(可靠性和维修性)数据、输入结构与功能要求及维修和使用要求等信息。
4 结 论
本文针对装备研制早期确定其使用和维修人力人员及训练需求的问题,提出了基于相似理论和新系统、原系统、基准比较系统、建议系统的装备MPT需求分析思想和方法,建立了装备相似比较模型,设计和开发了装备研制MPT需求分析系统,其中的关键问题是相似系统建立和现有装备MPT数据真实可用。EDMPTRAS的实现和应用将装备研制和装备使用有效结合,辅助研制部门根据现有人员状况改进和优化装备设计,同时为部队及时规划、组织训练,建立和完善保障系统,尽快发挥装备军事效能提供决策信息。
参考文献
[1]David Herlihy,Jane Bondaruk,Guy Nicholas,et al.Hardware vs.Man-power Comparability Methodology(System Analysis)[R].U.S.Army Research Institute for the Behavioral and Social Sciences,1990.
[2]周美立.相似性科学[M].北京:科学出版社,2004.
[3]徐英,杨军,陶凤和.装备人力、人员及训练需求分析方法及应用[R].石家庄:军械工程学院,2003.
[4]杨军,薛芬.装备研制人力、人员及训练需求分析技术[R].石家庄:军械工程学院,2003.
相似理论 篇6
岭南建筑学派继承了岭南文化勇于进取和敢为人先的优良传统,体现出开放兼容、务实创新的精神特质。基于一代代岭南建筑师的设计探索,以及华南理工大学建筑设计研究院孜孜不倦地创作实践,何镜堂院士归纳形成的“两观三性”建筑理论,是岭南建筑学派创作思想和设计理论的当代发展和集大成者,具有重要的理论价值和指导意义。“两观三性”关注环境与能源等当今发展的建筑理论问题,突出全球生态环境观念和建筑道德责任,重视当代建筑科技、生态节能技术的综合运用,强调建筑与自然、社会、城市之间具有复杂而动态的相似融合关系,突出建筑功能与型体、技术、文化、审美、经济等和谐统一的整体性,以及建筑发展的可持续性,体现了建筑的地域特点、文化归属和时代精神。从分形理论审视,建筑设计与地域气候、环境和文化相结合,与时代精神一致,本质就是相似与接近,属于自相似性的分形设计思想。
分形理论的核心是体现事物整体与局部的自相似性,这种自相似可以呈现出并置性或者是嵌套性的相似,又称之为相似性对称——跨越不同尺度的对称。建筑分形表现在其空间、形态与文化、审美等各个方面,最为直观是建筑空间和图形所表现出的重复、递归关系,或者是图形套图形,空间套空间的嵌套重复相似关系。在分形模式下审视复杂性的建筑空间,可以从构成建筑功能的基本功能单元入手,如重庆工学院花溪校区教学楼的教室和楼梯(图1),都属于简单规则的建筑迭代空间单元(空间元)。这种空间元通常遵循简单的分形迭代规律,即空间元经过有限地反复迭代,或者简单地缩放重复和叠加(也是一种简易线性迭代),再根据功能要求与造型需求进行并置或嵌套组合,就可以组合出复杂的空间形态,从分形成长规则看来非常简单。
“两观三性”理论提出的建筑整体和谐、可持续发展和建筑“三性”统一,正是分形理论自相似对称的体现:建筑整体观提出建筑是一个和谐统一整体,单体建筑与建造地点、城市和自然环境的相似一致,并形成建筑——城市嵌套、相似统一体;建筑可持续发展观突出建筑永续发展思想,建筑与自然生命周期及生态规律相似或一致;建筑地域性主张设计创作从地域环境、本土文化和技术中去寻根,挖掘有益的“基因”,形成与基于地域“基因”相似的创新点,构建神似而形新的地方特色;建筑文化性提炼地域建筑独特的文化特质,发展传统建筑文化合理的内核,去粗取精,去伪存真,是传统建筑文化的相似性提升;建筑时代性强调传统建筑与时代精神的关系,传承是基础,创新是关键,从分形理论角度审视,传承是将传统的合理内核相似地继承,创新是与现代设计观念和科学技术相似一致,时代性是传统与现代复合相似的分形对称体现。
1 分形迭代与建筑空间排列组合
岭南建筑学派创新性思维基于具体的基地环境和规划设计关联,以及新设计思想和新技术的融入,关联和融入本质上讲是一个迭代的过程,建筑设计因受到实用功能等影响而表现出简单地分形迭代形式。用分形迭代来描述建筑空间排列组合,或者空间序列的生成与评价具有量化的科学意义。
分形迭代是图形生成的一个重要方法,迭代实质是一个连续反馈函数系统,即把得到的结果“输出”,又作为“输入”条件引入反馈系统之中。如将输入称作“因”,输出称作“果”,则所构成的过程就是:因→果→因→果……因→果,循环往复,直至无穷。
用数学方法表示迭代:xk+1=f(xk) ,k=0,1,2,3……
由上式反复计算可得到一个迭代数列:x0,x1,x2,……,xk,这个数列可以代表建筑空间的排列组合,也可以运用这个数列对建筑空间及序列进行量化分析。
(1)等比例迭代空间生成
图1所示重庆工学院花溪校区教学楼建筑中的教室作为基本的设计空间元,通过空间迭代并置进行排列组合,其空间数列可以近似看作xk+1= xk的相同数列的空间迭代并置:1,1,1,1,1……。在这个数列中,1代表教室这个空间元。当然,这个空间元可以根据功能需要适当放大或者缩小。如果再在教室中间迭代插入楼梯和其它辅助用房,就可以迭代生成教学楼,这种人工生成方法就是常见的建筑空间组合,这个过程也可以通过计算机辅助迭代设计。教学楼、旅馆、办公楼、病房楼和公寓楼等具有标准单元的建筑,都可以通过等比例迭代空间生成。
(2)线性缩放迭代空间生成
大量城市与建筑空间因为功能、结构与审美要求,尺度会发生变化,空间上呈现几何缩放的比例关系。在建筑空间迭代组合上以功能、结构要求为基础,以人体尺度和建筑师的审美经验进行。如伯拉孟特设计的圣彼得大教堂平面构成(图2),就是一种不等比例迭代空间,xk+1= mxk,其中m通常是一个根据使用需求而确定的数值。对一些经典建筑分析,这个数值接近0.618这个黄金分割的数值,或者其倍数的数值。大量性建筑呈现出这种线性缩放空间分形迭代,因为自相似重复、变化而生成优美的节奏与韵律。
城市广场或者一些纪念场所空间通过开阖变化强化人的空间体验效果,通常是扩放与收缩重复交替使用,对称排列,通过空间尺度的变化,达到影响受众审美情绪跌宕起伏的效果。这种设计理念可以运用于计算机辅助设计,以及空间序列的设计比较、分析和评价,并具有学术价值和应用前景。
2 嵌套相似的建筑整体
岭南建筑学派注重设计的整体统一性 , 并把建筑整体性扩展到人与自然的相似协调以及科技与文化的和谐。分形的嵌套相似对称与“两观三性”理论的整体观具有异曲同工之妙,均强调构成建筑的各个要素之间的整合,这种整合过程并非各建筑空间的任意拼凑,而是围绕设计所要表达的中心空间及其主题,嵌套迭代生成,形成向心的、有凝聚力的有机和谐体,并扩展到建筑与自然、地域环境自相似协调。嵌套迭代空间生成从城市整体、群体协调、建筑内外空间和细部构造的不同层次和角度,对各功能空间围绕整体或中心进行镶嵌叠加,围绕主题,把握总体,以相似性的整体思维贯彻始终。
3 嵌套迭代空间生成的洛阳博物馆
4 与自然地理相似迭代的映秀震中纪念馆
5 迭代岭南地域与气候的华南理工大学逸夫人文馆
建筑整体观在空间形态上表现为镶嵌迭代或者非严格意义的相似迭代,这种迭代统一既是简单的同一与相似,又是在相似中求层次与变化,形成韵律和秩序逻辑。嵌套相似结合具体环境和条件,类似而变化,在相似中作到丰富多彩。岭南建筑学派重视建筑与整体环境的关系,作为城市的有机部分,建筑是一个系统工程 , 包含着整体与局部的构成原则,这也是相似性对称方法。洛阳博物馆总体设计(图3)符合分形嵌套迭代空间生成的规则,圈层式的嵌套相似迭代,形成极为向心力和凝聚力的和谐统一体;此外,博物馆协调建筑与周边环境的关系 , 思索建筑与社会、经济、文化和科技相似点或结合点,把城市设计、风景园林和建筑设计整合起来,在综合和统一中创作。
3 与自然演变对称的建筑发展
“两观三性”理论提出建筑可持续发展观,体现了岭南建筑学派既敢为人先,也善于反思与总结的格物致知之风尚。可持续发展观倡导建筑回应地形地貌的特征与基地中的特殊属性,顺应地势,避免对原有自然环境的破坏,对高消耗与对自然有损害的建筑加以改进,使建筑无害低碳,保护环境并融入到环境之中,达到自然相似同步的效果。建筑分形于自然,对自然环境中的各种因素如植被、山体、水系等充分尊重,表现出建筑与自然的和谐。这种回应自然地理、与自然一体本身就是建筑与自然相似性一致的显现,属于建筑与自然的自相似对称。
可持续建筑师法自然,采用相似于自然的策略,如就地取材、利用可降解、可循环自然资源和地方技术策略;同时,融合气候条件,组织自然采光与通风,与自然融为一体,遵循自然规律,采用被动式能源措施和太阳能、生物能源,借鉴大自然可降解、可循环的新陈代谢理念。
岭南建筑学派早在20世纪50年代,夏昌世先生就提出了岭南建筑结合气候环境的可持续设计思维。夏先生对微气候、遮阳技术、架空通风技术处理都是基于岭南气候因素,是适应气候的非常经济而可持续的一种分形相似性的设计手法。他的建筑空间概念强调实用,建筑和园林结合自由,不拘一格,结合环境与气候,非常自然。他的建筑形式,从过去传统的比较封闭、厚重的风格转到岭南建筑轻逸、通透、明朗的风格,这样就奠定了大家对岭南建筑的基本理念。1)
建筑可持续发展观提倡城市的集约型发展,节约城市用地,防止城市蔓延式发展。映秀震中纪念馆(图4)设计道法自然,与建筑地点的地形地势演绎一致,用场地地形规律迭代生成建筑,构筑地景式建筑。设计注重建筑与自然环境之间的结合和协作,用最少的资源产生最大的环境效益。纪念馆叠加了生态适宜技术,循环使用当地的砖石,以及可再生的地方性建材。建筑空间采取与地势走向相似一致的布局形式,将建设对基地环境的破坏降至最低,最大化利用了自然资源,保护原生态的震中地基地环境。
4 与地域、文化和时代相似迭代的建筑“三性”统一
建筑设计由于受到实用功能、技术经济等各种因素制约,大量性建筑均表现出一种简单的线性重复(迭代)关系。尽管成长规律简单,仍然可以演绎出复杂的建筑形体(图1),不仅建筑空间形态如此,结构技术、材料建构和建筑文化甚至地方风貌都表现出明显的“自相似”的分形特点,并以此形成地域建筑风格。
4.1 分形迭代的地域性
建筑“三性”之中的地域性是基于不同自然环境、气候、地形地貌和地方建造技术,加上不同的民族风情、历史文化和风俗习惯,而形成的浓郁乡土特色,这种特色就是建筑的地域性,她既表现出同地域自然地理相似一致,也展示出与地域人文地理相似迭代。建筑地域性实质是建筑与建造地点环境的相似一致性,属于建筑与自然环境和文化环境的相似迭代。建筑地域性首先受到地理区域和气候条件的影响。如炎热地区与寒冷地区的建筑不同,山区建筑与滨河建筑形态各异。其次 , 建筑的地域性是建筑与建造地段的地形地貌和周围环境相似性迭代,使影响和制约建筑空间和竖向设计的重要因素成为了建筑与地段环境相似和谐的契合点。
岭南建筑学派基于岭南气候条件和文化,形成与之相似一致的建筑风貌。岭南气候潮湿、炎热,日照时间长,高温多雨,所以所有这个地区的建筑,它必须考虑遮阳隔热、通风防潮,不论何种建筑都受到地域气候条件的影响,并在建筑中反映,形成一种气候相似性建筑——亚热带雨林的岭南建筑风格。岭南建筑空间开敞通透、轻巧明快,因为与中原文化、海洋文化的碰撞与交流,建立起了中西合璧的岭南建筑文化相似性。
华南理工大学逸夫人文馆 ( 图5)设计考虑到亚热带的气候特点和濒临东湖和西湖的特殊地域特点,以自然水环境和人文环境为依托,结合亚热带海洋性气候 , 将这些设计影响因素迭代于人文馆建筑空间之中,形成相似于岭南气候与场地特色的建筑空间:建筑轻巧通透,滨水庭院空间内外贯通,开敞的通廊和飘逸的遮阳板既起到隔热、通风和挡雨作用,又形成大小不等的公共空间和屋顶花园。人文馆吸取了岭南传统建筑与园林布局的精华,并运用现代建筑的技术加以表达,创造了当代岭南建筑的清新语言,体现了教育建筑的文化品位和时代特征。
4.2 相似叠加的建筑文化性
一个地区人民长期生活积淀的历史文化传统和风土人情,必然会影响到建筑形象,形成地域特色的建筑文化。建筑文化与空间的演变具有相同的尺度和一致性,分形理论认为文化的演进也存在迭代现象,这就是文化传播中的相似性与迭代性。地域文化被吸收、溶进地域建筑之中,这就是文化的迭代。建筑文化经过该场地环境的创造而得以弘扬,建筑文化的分形维度与场地文化是相似一致的,各种隐含的、深层次的地方文化会被沉淀,并延续下来。譬如在处理场地文化、城市文化与外来文化的关系,就表现出文化的分形迭代,迭代的结果就是三者的融合,并构成不同文化之间相似维度的融合体。
建筑文化随着历史的发展而发展,有其新陈代谢的规律。对待传统建筑文化,不能以静态的观点去观察,而要以动态的、发展的眼光看问题,应努力寻求传统文化与现代生活的“结合点”,不断探索传统建筑逻辑与现代建筑逻辑,传统技术与现代功能,传统审美意识与现代审美意识的结合方式。2)地域建筑文化在一定的条件下可以转化为国际性文化,国际建筑文化也可被吸纳、融合为新的地域性建筑文化。
对于传统建筑文化的继承发扬,涉及到建筑文化迭代,以及相似度问题,岭南建筑学派采取扬弃的灵活手法,吸其精华,去其糟粕,不停留在大屋顶等传统建筑文化符号的简单模仿,特别是照搬照抄(直接迭代),而是深入发掘传统建筑文化的合理内核并加以演绎迭代。岭南建筑学派在处理建筑文化演变上重情知礼,以人为本,强调设计整体维度。建筑环境自然化,自然环境人文化。建筑文化迭代与建筑空间序列、院落空间之中,并与自然山水相结合。中国藏学研究中心 ( 图6)的规划与建筑创作中,通过发掘、借鉴西藏地域建筑特色和传统建筑设计精华,在藏文化地区的传统建筑中寻根,发掘相似而提炼的文化形式和建筑色彩,并与现代科技文化结合,使现代建筑地域化,地区建筑现代化;建筑文化空间化,空间环境人性化,营造了一个融于藏学、充满现代气息的文化建筑。
4.3 多维迭代的时代性
建筑创作要处理好弘扬传统建筑与体现时代精神的关系,弘扬包含了传承与创新两重属性,传承是传统建筑自相似性迭代,而创新是迭加时代科学文化,即改良传统中的落后成分,吸收外来优秀文化,因而基于传统文化根基的创新具有地域性与可识别性,是维系世界建筑多元化的重要保障。岭南建筑学派是基于岭南文化的建筑创新团队,他们延续了传统岭南建筑精髓,吸收了中原建筑与海洋文化的积极成分,由此迈向建筑的可持续发展道路。
分形理论认为时间没有固定的衡量尺度,本质上是人的一种主观内在体验,尤其难以用线性时间多少来描述。作为人的内在体验,当置身于城市或建筑空间中时,时间必定是分形地展开,也就是在同样的直线时间段里,人的性格、学识修养和经历等方面的差别,将导致人体验建筑的内部时间以不同的分形方式展开,具有不同的分形维数,因而在同样的时空系列中,不同的人有不同的时间感受。3)
现代建筑地域化与地域建筑现代化本质上讲是时间维度的分形迭代:地域性建筑代表过往时间与传统维度,将其现代化是迭代当代时空与现代技术;现代建筑代表时代精神与当代思维,将其地域化是迭代传统精髓与可识别的过去时间维度。因而,现代化的地域性建筑具有过去与现在两重时间维度,既可以将居者引入历史空间画卷,又可以将人们回到当代时空环境,加上建筑场所事件、建筑空间题名、书法、诗、画等迭代,更时间多维展示在人们面前,使其获得多维时间丰度感受。由此可见,建筑时代性具有多维度时间迭代的属性。
安徽省博物馆(图7)通过各种时间维度和途径合成一个“历史之城,文化璀璨”的多维复合空间,时代性叠加了传统建筑与现代思想。博物馆入口大门相似抽象于徽派建筑的牌坊,博物馆内部空间入口相似迭代了徽派宅院的门楼,同时,二者都迭代了现代设计思维和当代技术,反映安徽历史文化和当代成就,获得时间的丰度感和文化的感染力。
5 结语
应用分形自相似和迭代理论与方法,描述建筑空间生成机制,解析“两观三性”建筑理论,具有量化的科学意义与实用价值。建筑分形体现在建筑整体与局部的自相似性,呈现出并置性或者是嵌套性的相似,表现在其空间、形态与文化、审美等各个方面,最为直观是建筑空间和图形所表现出的重复、递归关系,或者是图形套图形、空间套空间的嵌套重复相似关系。复杂性的建筑空间关系,从分形成长规则看来非常简单:由构成建筑功能的基本功能单元——建筑空间元,根据功能要求与造型需求,经过有限地反复迭代,或者简单地缩放重复和叠加、并置或嵌套组合,就可以组合出复杂的空间形态。
相似理论 篇7
气体绝缘母线GIB (Gas Insulated Bus) 在电力系统中应用广泛, 其温升特性是GIB设计领域的重要研究内容[1,2,3,4]。温升模拟试验作为一种重要的验证方法, 对于研究不同环境温度和负荷电流下的GIB温升特性具有重要意义和工程应用价值。
温升模拟试验包括原型模拟试验与相似模拟试验, 其中, 原型模拟试验采用原型模型进行温升试验, 存在试验成本高、试验周期长及试验条件不易控制等不足[5,6,7,8]。相似模型以其良好的经济性和实用性, 常用来代替原型模型, 间接地模拟设备的热性能, 得到广泛应用[9,10,11]。但传统相似模拟方法难以直接对复杂的温升现象进行综合模拟, 文献[12]建立了航天器的相似模型, 并模拟了对流和辐射传热现象, 但由于对流与辐射传热量相似比不同, 必须对相似模型进行热流补偿, 增加了试验的复杂性。
针对上述问题与研究现状, 本文将相似模拟方法运用于GIB的热设计, 分析了GIB温升现象的相似特性, 通过引入准则关联式解决了电磁场与温度场的综合模拟问题, 设计了一种相似模型, 该模型几何尺寸较小, 且仅需较低的负荷电流与内部压力, 克服了原型温升试验的不足。
1 GIB温升机理与相似模拟
GIB由载流导体和金属外壳构成, 内部充满SF6气体, 其温升过程是包含涡流、气体流动以及传热的复杂物理现象。当GIB通以工频电流时, 导体中会产生焦耳热损耗Pc, 并在外壳中产生涡流损耗Pt, 二者之和称为功率损耗。焦耳热损耗产生的热量通过辐射传热Qr1和自然对流传热Qc1与外壳进行热交换, 功率损耗产生的热量则通过辐射传热Qr2和自然对流传热Qc2耗散至环境空气中, 引起导体和外壳温度逐渐升高, 如图1所示。
GI B相似模拟是指在相似理论的基础上, 通过建立GIB相似模型间接地对原型的特性进行试验研究的方法和过程。相似模拟的理论基础是相似三定理[13]:定理1, 即对于相似的现象, 其同名相似准则的数值相等;定理2, 即现象中的物理量可表示成相似准则之间的函数关系式;定理3, 即对于同一类物理现象, 如果同名相似准则在数值上相等, 则现象相似。
GIB温升相似模拟流程见图2。首先, 根据电磁场和传热学相关知识, 建立描述GIB温升现象的数学模型;其次, 根据定理2对温升所涉及的物理现象进行相似分析, 基于此, 综合分析GIB温升的相似特性, 运用方程分析或量纲分析法推导多物理场的相似准则;再次, 依据定理1进行相似模型的参数设计;最后, 运用定理3判断模型GIB与原型的温升相似程度, 检验相似模型的准确性, 若相似程度较低, 则返回检查数学模型是否准确、相似分析是否完善及参数设计是否合理, 并进行修改, 否则表明相似模拟有效, 所设计的相似模型可用于温升试验。
2 GIB温升相似分析
2.1 电磁场相似
为描述导体的焦耳热损耗与外壳的涡流损耗, 采用A, φ-A法建立涡流场分析的数学模型。根据麦克斯韦尔方程组, 涡流场控制方程可表述为[14,15]:
其中, A为矢量磁位;φ为标量电位;μ为磁导率;σ为电导率;Jt、Je与Js分别为总电流、涡流及源电流密度;t为时间;T为温度。
涡流损耗与焦耳热损耗计算公式分别为:
其中, V为体积。
在式 (1) — (4) 的基础上, 运用方程分析法[9,13]推导出GIB的电磁场相似准则, 为了方便表示, 统一利用l表示几何特征参数, 如式 (5) 所示。
2.2 温度场相似
由对流传热的质量守恒、动量守恒及能量守恒方程知, 要实现流体温度场的完全相似, 必须保证强制对流的流体场与 (或) 自然对流介质的密度场相似。与研究对象为流体的传统对流传热相似问题不同, 对GIB温升相似模拟而言, 需较准确地模拟导体与外壳的定性温度, 而不必刻意保证流体的流速与温度分布完全相同。因此, 本文借助准则关联式进行对流传热的相似分析, 此处的准则关联式仅需明确其基本形式及部分参数的取值, 分析如下。
a.封闭母线中的导体与SF6的对流传热属于有限空间自然对流传热, 将有限空间的自然对流传热近似等效为热传导, 通过引入当量导热系数λe计算导体和SF6的对流传热量Qc1[7,16]:
其中, L为母线长度;Dti与Dco分别为外壳内径与导体外径;Tc、Tt与Tf分别为导体、外壳及SF6 (空气) 的开氏温度;C1为未知常数;Gr与Pr分别为格拉晓夫数和普朗特数;λf为SF6 (空气) 导热系数;g为重力加速度;αv为体胀系数;Le为SF6 (空气) 特征尺度;ρf为SF6 (空气) 密度;Cp为SF6 (空气) 定压比热容;μf为SF6 (空气) 动力粘度。
b.外壳与壳外空气的对流传热因热边界层的发展基本不受干扰, 属大空间自然对流, 采用对流传热系数h计算对流换热量Qc2[17]:
其中, Nu为努塞尔数;Dto为外壳外径;C2为未知常数;Ta为环境空气的开氏温度。
假设SF6不参与热辐射, 母线导体对外壳的面-面辐射传热量Qr1与外壳对环境空气的辐射传热量Qr2分别计算如下[7,17]:
其中, δ为斯忒藩-波尔兹曼常数, 其值为5.67×10-8;εco、εti、εto分别为导体外表面、外壳内表面以及外壳外表面的发射率。
导体与SF6、外壳与环境空气交界面的热平衡方程组为:
综合分析对流传热、辐射传热以及热平衡的相似性, 推导得到GIB的温度场相似准则如下:
3 模型设计与分析验证
3.1 模型设计
综合分析电磁场与温度场的相似准则, 即式 (5) 与 (16) , 在不改变材料特性和表面状态的前提下 (相似比为1) , 推导出各传热量的相似比与几何相似比Kl的关系如下:
由式 (17) 可知, 当SF6气体压力、源电流幅值以及电流周期相似比分别取Kρf=Kl、KI=Kl1.5、Kt=Kl2时, 可使得相似准则Π1—Π14完全满足、相似准则Π15近似满足, 较好地实现了温度场的相似, 且无需任何热流补偿措施, 各传热量的相似比如式 (18) 所示。
Kl作为自由设置的相似比, 可针对不同结构与尺寸的GIB灵活选择, 本文以Kl=4为例, 所设计的1/4相似模型与原型[7]的尺寸参数如表1所示, 部分物理量的相似比计算如下:
mm
3.2 仿真分析与试验验证
分别建立原型GIB与1/4相似模型的有限元模型, 导体与外壳材质均为铝合金, 部分仿真参数如表2所示。利用有限元分析软件ANSYS 12.0进行了GIB的稳态热分析:首先通过电磁场分析计算焦耳热损耗和涡流损耗, 根据流体力学理论, 采用流体多组分传输模型计算母线温度场分布, 通过单元映射方法实现了涡流场、流场以及温度场的间接耦合[18,19]。模型的求解域与边界如图3所示, 对于空气层外边界Γ1施加恒温边界条件, 即指定空气层外边界处的温度为环境温度, 母线外表面Γ2与母线内部流-固交界面Γ3上分别施加大空间热辐射边界条件与面-面热辐射边界条件, 整个求解域流-固交界面上施加无滑移边界条件。模型的基本假设如下:GIB足够长, 简化为二维问题;电磁分析时, 忽略位移电流的影响;源电流为正弦电流;SF6气体与空气的对流换热方式均为自然对流;忽略SF6气体本身的辐射换热因素;假设SF6和空气均为理想气体, 导热系数与动力粘度均与温度相关且满足Sutherland定律, 比热为常数。
图4给出了原型与相似模型负荷电流分别为5 000 A和625 A时GIB的电流密度分布。可以看出, 原型电流密度不仅在数值上为相似模型电流密度的1/2, 且与相似模型呈现完全相同的分布规律。根据电流密度分布, 得到单位长度的焦耳热损耗与涡流损耗如表3所示, 计算结果表明功率损耗的相似比同样得到了很好的满足。
W·m-1
将功率损耗计算结果映射至温度场进行稳态热分析, 导体与外壳外表面的对流传热系数如图5所示, 其中θ为表面所在位置与水平面所成的角度。导体外表面的对流传热系数相似比为1, 如图5 (a) 中虚线所示, 外壳外表面的对流传热系数相似比为0.87, 经折算后如图5 (b) 中虚线所示。通过与原型对流传热系数进行对比, 可以看出相似模型的对流传热系数在数值上与原型接近, 仅在分布上存在一定误差, 误差产生的原因在于没有针对气体本身的流速和温度分布进行相似处理。图6、7分别对比了原型和相似模型中导体与外壳的稳态温度分布, 分析表明, 虽然在相似分析时将对流传热进行了等效处理, 忽略了流体本身的部分相似性, 但相似模型的导体和外壳温度分布规律仍与原型基本保持一致, 验证了等效处理的有效性。
为进一步验证所提方法的正确性, 将不同负荷电流下原型和相似模型的温度计算值与文献[7]中的试验测量值进行对比, 如表4所示。分析结果表明, 相似模型的导体与外壳温度与原型吻合较好, 所设计的相似模型能够代替原型开展温升模拟试验。
℃
4 结论
针对GIB原型温升模拟试验的不足, 提出了基于相似理论与准则关联式的电磁场-温度场综合模拟方法。借助准则关联式等效地模拟了导体与SF6、外壳与空气之间的对流传热, 结合电磁场和传热方程, 推导出GIB温升现象的相似准则, 并设计了温升相似模型, 解决了传统对流-辐射相似模拟中对流与辐射传热量相似比不同的问题。仿真与试验结果表明所设计的模型具有与原型相似的温升特性, 该综合模拟方法为GIB热设计提供了新的试验思路, 实现方便且能够降低试验成本。