基于地源热泵的岩土热物性不确定性问题研究

岩土的导热系数、比热容等热物性参数是设计地源热泵土壤换热器数量的关键参数，其可靠的现场测试方法对地源热泵应用非常重要。本项目提出了新的岩土热物性测试不确定性方法。分析了岩土热物性参数的不确定性特征，建立了改进的复合线热源模型、复合圆柱源模型及三维瞬态传热模型，提出了可处理不稳定功率或断电情形下热物性测试的新方法。研发了新型岩土热物性测试仪，建立了实验系统；研究了不确定条件下的热物性参数概率分布。揭示了地下水、测试功率等不确定性因素对热物性及其测试的影响机理。提出了地源热泵系统逆向建模方法—度日数G函数法, 该方法只需要少量的实测参数，适用于对住宅建筑的地源热泵空调系统的逆向分析。建立了地源热泵地埋管换热器多极理论模型，可分析求解复杂形状与边界的温度。研究发现：地源热泵埋管换热器向地下的排热可降低钻孔壁附近土壤的水分含量。土壤初始水分含量较低时，湿传递对土壤热物性影响较大。测试功率对热物性结果有小幅影响。提高回填材料和土壤的导热系数、提高地下水流速均可提高地埋管换热器能效。本项目成果拓展与深化了对岩土热物性不确定性因素的认识，为解决长期困扰的岩土热物性测试结果可靠性问题提供了新途径。 2100433B

岩土的导热系数、比热容等热物性参数是设计地源热泵土壤换热器数量的关键参数，其可靠的现场原位测试方法对地源热泵应用非常重要。针对基于地源热泵的岩土热物性由于受变热流、地下水等多种因素影响而具有复杂不确定性，目前测试却基于确定性方法的局限，提出新的岩土热物性测试不确定性方法。研究基于地源热泵的岩土热物性参数的不确定性特征，建立三维瞬态传热模型及非定常多变量反演模型，建立准实际工况岩土热物性测试系统；提出随机方法与反演结合进行分析的热物性参数辨识方法。研究并揭示地下水渗流等不确定性因素对热物性及其测试的影响机理。在现有研究基础上，拓展与深化对岩土热物性不确定性因素的认识，实现岩土热物性研究方法由确定性向不确定性转变、热物性结果由单一确定解向区间与概率分布转变。为解决长期困扰的岩土热物性测试结果可靠性问题提供新途径，为地源热泵空调系统设计提供科学依据与技术支撑。

传统的飞行器热防护设计一般是基于冗余设计的思想，常常通过增加一定的安全系数来考虑实际存在的一些不确定性因素的影响。但给出的热防护设计对于飞行器的结构效率和可靠性而言可能不是最优的方案，究其原因主要是对于设计中的一些不确定性因素认识不清。本研究将深入分析热防护设计中的不确定性因素，通过试验和数值方法研究参数不确定性的表征方法，分析不确定性的来源与形成机制，建立基于参数不确定性的热防护表征模型，研究不确定性对热防护热响应的影响机制，基于试验测试研究热防护可靠性分析理论和方法，研究考虑不确定性的热防护优化设计方法。从而充分认知热防护设计中的不确定性，给出一种新的热防护设计方法，为有效提高我国飞行器热防护的整体设计水平和可靠性评价奠定理论基础。

第1章 不确定性问题理论概念解析

1．1 不确定性研究现状

1．2 不确定性问题的分类与内涵

1．3 不确定性问题的数学表达

1．4 岩土与结构工程中的不确定性问题

第2章 基于随机理论的工程应用

2．1 随机理论的概念

2．2 岩土与结构工程随机分析方法

2．3 随机理论在岩土与结构工程中的应用现状

2．4 应用实例

第3章 基于灰色系统理论的工程应用

3．1 灰色系统理论的概念

3．2 灰色系统元素及建模

3．3 灰色系统理论的岩土与结构工程应用研究现状

3．4 应用实例

第4章 混沌理论的工程应用

4．1 混沌理论的概念

4．2 混沌理论的岩土与结构工程应用

4．3 应用实例

第5章 基于模糊数学理论的工程应用

5．1 模糊数学理论的概念

5．2 模糊数学产生的动力因素

5．3 模糊综合评判

5．4 模糊数学理论的岩土与结构工程应用

5．5 应用实例

第6章 基于人工神经网络的工程应用

6．1 人工神经网络的概念

6．2 人工神经网络基本原理和模型

6．3 人工神经网络理论的岩土与结构工程应用

6．4 应用实例

第7章 遗传算法理论的工程应用

7．1 遗传算法概念

7．2 遗传算法基本原理

7．3 遗传算法理论的岩土与结构工程应用

7．4 应用实例

第8章 其他不确定性理论的工程应用

8．1 粗糙集理论

8．2 突变理论

8．3 不确定性问题耦合理论

参考文献2100433B

传统的飞行器热防护设计一般是基于冗余设计的思想，常常通过增加一定的安全系数来考虑实际存在的一些不确定性因素的影响。但给出的热防护设计对于飞行器的结构效率和可靠性而言可能不是最优的方案，究其原因主要是对于设计中的一些不确定性因素认识不清。本项目在热防护系统中创新性的引入不确定性进行设计方法的研究，在理论和方法方面取得了如下主要成果： （1）热防护不确定性参数的表征与传播分析模型。针对热防护设计中客观存在的不确定性及引起的系统响应不确定性问题，建立了较为系统的不确定性表征与量化框架，建立了包含不确定性因素的热防护热力耦合响应分析模型，建立了近似展开方法、抽样方法两类不确定性传播分析方法，实现了热防护系统热力耦合响应不确定性的量化分析。 （2）热力耦合复杂失效模式下系统失效概率分析方法。针对热力耦合条件带来的热防护系统响应高度非线性及失效模式复杂问题，建立了分离式蒙特卡洛模拟与高阶可靠度分析方法，建立了多失效模式耦合下的系统失效及可靠度分析方法。 （3）热防护热力响应不确定性敏感性分析与降维方法：为研究不确定性对热防护热力耦合响应的影响机理，建立了系统响应不确定性对输入参数的局部与全局敏感性分析方法，研究了不同时刻下系统响应对参数的敏感性，实现了高维不确定性的参数降维。 （4）基于试验结果的模型不确定性修正方法。针对统计数据不足及模型假设等带来的认知非确定性因素，基于贝叶斯概率理论建立了模型不确定性及参数不确定性修正方法，实现了基于试验结果的模型校正与有效性评价。 （5）非确定性下热防护结构参数优化设计方法。采用概率约束替代确定性约束，建立了非确定性条件下热防护系统参数优化设计方法，建立了基于可靠度指标的双重循环优化设计方法，实现了多失效模式下的一体化热防护优化设计，在保证结构效率的同时提升了结构安全性。 研究工作为有效提高我国飞行器热防护的整体设计水平和可靠性评价奠定了理论基础。 2100433B