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ISSN 1000-0054
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第十四届“清华大学-横山亮次优秀论文奖”暨2017年度“清华之友—日立化成学术交流奖”颁发
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  2018年, 第58卷, 第10期 上一期   
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土木工程
基于等效单轴应变的平面模型及其在密肋复合墙板中的应用  收藏
孙静, 王昆鹏
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 865-871.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.044
摘要 ( 9 )   HTML    PDF(2992KB)
为了解决密肋复合墙板中填充砌体在受到循环荷载作用时的平面数值分析问题,该文基于等效单轴应变原理,建立了一个宏观砌体平面材料模型,并将该材料模型与平面应力单元相结合,开发了相应程序。最后,将平面模型与纤维模型相结合对密肋复合墙板进行了模拟分析。结果表明:该模型在模拟处于平面应力状态下的密肋复合墙板时具有较为理想的效果,在满足计算精度的同时,又能充分体现砌体构件的宏观现象,可较为直观地获得砌体结构的应力分布云图,验证了该模型的正确性和适用性。
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煤层干式钻孔粉尘运动及粒径分布的数值模拟  收藏
张福宏, 陈举师, 高杨, 汲银凤
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 872-880.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.046
摘要 ( 5 )   HTML    PDF(15121KB)
为有效地减轻煤层干式钻孔粉尘污染,改善现有粉尘防治效果,运用SolidWorks联合DesignModeler建模,采用Fluent对煤层干式钻孔粉尘运动进行数值模拟。研究发现:粉尘颗粒自孔底产生后,在环状狭缝射流及钻杆持续转动的双重作用下,向孔口方向高速喷出。随着粉尘颗粒在钻场内不断运动,粉尘扩散速度逐渐降低,粉尘质量流率不断减小,R-R分布指数缓慢增大,粉尘中位径及R-R特征粒径先增大后减小。粉尘质量浓度随时间推移先逐渐增大至最大值,而后围绕该最大值小幅波动;沿程先迅速上升至最大值,而后急剧降低至较小值,再逐步缓慢降低。该研究可为煤层干式钻孔粉尘控制装置结构参数的设定提供指导。
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基于SIFT的中厚板表面缺陷识别方法  收藏
周鹏, 徐科, 杨朝霖
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 881-887.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.037
摘要 ( 4 )   HTML    PDF(6678KB)
中厚板在生产过程中,由于各种因素难免会产生压痕、辊印、划伤等缺陷,严重的缺陷会对下一道轧制工艺产生不良的影响,因此在包含氧化铁皮背景中准确识别出真实缺陷对提高钢铁企业的产品质量至关重要。该文采用尺度不变特征转换(scale-invariant feature transform,SIFT)算子来提取具有尺度旋转不变性的特征向量,并采用Euclidean距离相似性判定度量实现图像匹配,进而识别出中厚板表面缺陷。该文通过大量实验分析并确定各参数取值,最终将SIFT算法应用到中厚板表面缺陷识别,实验结果表明:该算法对辊印、压痕等缺陷的识别率较高,能够达到95%,尤其是对连续出现的缺陷检测效果明显,从而验证了SIFT方法较好的光照不变性、旋转不变性和仿射不变性。
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航空航天与工程力学
面齿轮副扭转振动建模与分析  收藏
冯光烁, 黄旭东, 兰旭东, 周明
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 888-898.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.047
摘要 ( 3 )   HTML    PDF(13590KB)
面齿轮副在航空领域和汽车领域具有重要的应用前景。扭转振动问题是面齿轮副的核心问题之一。该文研究了面齿轮副扭转振动的建模与分析方法。建立了单输入单输出面齿轮副扭转振动模型,该模型包含非对称时变啮合刚度、间隙非线性、静态传动误差等因素。基于加载接触分析,提出面齿轮副扭转啮合刚度的计算方法,并对某型面齿轮副的非对称时变啮合刚度进行了计算。通过与Abaqus有限元动力学计算结果进行对比,验证了扭转振动模型的有效性。基于所建立的模型,分析了面齿轮副设计状态时的动态特性,研究了啮合刚度、啮合间隙、静态传动误差、扭矩波动等因素对面齿轮副动态特性的影响,以及面齿轮副蕴含的非线性动力学响应。结果表明:所提出的面齿轮副扭转振动建模方法是有效的,所建立的模型能够用于研究面齿轮副的啮合特性、动态特性,指导以及校核面齿轮副的设计。
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连续旋转爆震涡轮发动机热力过程与性能分析  收藏
计自飞, 张会强, 谢峤峰, 王兵
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 899-905.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.26.040
摘要 ( 2 )   HTML    PDF(1201KB)
该文提出一种完整的连续旋转爆震涡轮发动机(continuous rotating detonation turbine engine,CRDTE)系统方案,建立了其主要工作过程的数学模型以及参数化整机性能分析模型。研究了压气机总增压比、涡轮前总温等设计参数对发动机总体性能的影响。结果表明:随着压气机总增压比的增大,发动机的比推力和循环热效率先增大后减小,耗油率单调增大,而涡轮前总温越大,发动机的比推力和耗油率越高。与同参数传统燃气涡轮发动机进行了总体性能比较研究,表明CRDTE在全工作范围总体性能具有优势,并揭示了其获得性能增益的原因。与现役先进航空燃气涡轮发动机F119相比,在相同循环参数条件下,CRDTE的比推力显著提升,同时耗油率稍有降低。该旋转爆震涡轮发动机方案合理、可行,为其工程化应用提供了依据。
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水利水电工程
道路在城市排涝中的作用及影响因素定量评价  收藏
吕恒, 倪广恒, 曹雪健, 田富强
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 906-913.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.041
摘要 ( 0 )   HTML    PDF(1700KB)
道路在城市超标雨水排除中有着重要作用。该研究构建了强化汇流过程的精细城市雨洪模型(REDUS),以清华园南门主干道和东门主干道为对象,评价了典型暴雨情景下道路的排涝作用,以及降雨、道路纵坡和地下管网条件的影响。结果表明:在北京“721”暴雨中,道路排涝流量占比峰值达到了50%,在管网达到最大排水能力后,道路排涝占比显著增大;道路排涝作用受降雨的影响显著,与最大30 min累积降雨量之间有较好的相关关系;对于配有支路管网的道路,其排涝效果并不随着纵坡坡度单调提升,表明道路纵坡的影响与地下管网结构有关。该研究结果为海绵城市建设中如何充分考虑道路排涝作用提供了科学依据。
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垂向基于谱方法的三维弯道水流模型  收藏
杨飞, 傅旭东
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 914-920.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.26.032
摘要 ( 1 )   HTML    PDF(3150KB)
传统平面二维水动力模型模拟弯道水流时,将流速垂向分布固定化,不能随边界变化和二次流发展进行调整,而垂向完全自动调整的三维水动力模型计算效率低。该文采用谱方法将平面流速的垂向分布用正交多项式表示,通过加权余量法建立简易三维模型,对流项采用基于Gauss点的半Lagrangian法(semi-Lagrangian scheme,SLS)计算。由急弯弯道水流试验验证可知,多项式阶数大于1时模拟结果较好。弯道主流线位置预测整体误差不超过7%,精度和传统的三维水动力学模型相当。对涡黏性系数简单求解,但考虑了垂向和水平方向的差异性,能够得到合理的弯道水流结构。垂向基于谱方法建立的三维模型,无垂向网格离散,计算量明显减少,获得了与平面二维模型相当的计算效率。
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机械工程
复杂应变路径下Q&P980超高强钢的非弹性回复行为  收藏
韩飞, 操召兵
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 921-928.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.26.038
摘要 ( 1 )   HTML    PDF(4009KB)
板材成形过程中复杂加载路径的改变会影响其弹塑性流动行为。以超高强钢淬火—配分(quenching&partitioning,Q&P)980钢为研究对象,在室温下沿着轧制方向的不同角度进行2步拉伸实验,得到不同应力状态下的应力—应变曲线,并根据单位体积塑性功相等原则,确定了板材不同等效塑性应变(0%、1%、4%、6%)下的实验屈服轨迹。结果表明:在应变路径变化上,初始流动应力显著降低,特别在45°和90°方向上,瞬时时段之后的流动应力存在持续的偏移,较大应变条件下各向异性比较明显。实验屈服轨迹呈外凸性,部分屈服轨迹不对称,随变形程度的增加,屈服轨迹向外扩大。通过对比简单加载和循环加载,分析其弹塑性行为,并建立各自的卸载弦数学模型,指出弹性模量随应变的增加而降低,降低到一定程度后趋于平缓。在相同塑性应变下,循环加载时弹性模量的变化值比简单加载时要大。
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具有间隙反射膜的稀疏SiPM阵列PET探测器性能评估  收藏
魏清阳, 王粉花, 许天鹏, 贾超, 江年铭, 谷宇, 马天予, 刘亚强
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 929-933.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.040
摘要 ( 7 )   HTML    PDF(6559KB)
正电子发射断层成像仪(positron emission tomography,PET)通常采用模块化闪烁探测器,由闪烁晶体阵列耦合光电传感器阵列构成。近年来硅光电倍增管(silicon photomultiplier,SiPM)广泛应用于PET。虽然SiPM紧密排列可以获得较好性能,但是稀疏排列可以有效降低成本,获得较高性价比。该文采用SensL公司MicroFB-30035-SMT芯片自主拼接了一款8×8的稀疏SiPM阵列,阵列面积为33.7 mm×33.7 mm,SiPM芯片尺寸为3.16 mm×3.16 mm,即阵列间隙面积比例为44%。基于该稀疏SiPM阵列,开发了一款具有作用深度信息的双层错位LYSO晶体PET探测器模块。SiPM间隙为探测死区,将造成光损失。该文评估了在SiPM间隙粘贴增强型镜面反射膜(enhanced specular reflector,ESR)后对探测器性能的影响。在室温下采集了有无间隙反射膜2种情况下的泛场图像。开发了定量评估方法,评估了探测器的光电峰、能量分辨率和晶体响应均方根误差。结果表明:SiPM间隙粘贴反射膜提高光收集量25.5%,将探测器的能量分辨率由13.48%优化到12.80%;泛场图像质量也有了提升,即改善了探测器固有空间分辨率。
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核能与新能源工程
圆柱水箱中水平多孔挡板对液面晃动影响的数值模拟研究  收藏
张展博, 李胜强
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 934-940.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.21.023
摘要 ( 1 )   HTML    PDF(1481KB)
液体晃动是一种常见的现象,可能造成飞行器失稳、箱体结构损坏、液面监测困难等危害。因此对液体晃动的抑制受到了广泛深入的研究,其中最常用的方法就是在箱体内部布置挡板。基于Darcy定律的多孔介质模型为模拟多孔挡板提供了简单易行的方法,该文在对比实验结果验证数值模拟方法可靠性的基础上,研究了低频大幅晃动条件下水平多孔挡板不同浸没深度对液面晃动的影响,发现了波峰和波谷变化的规律以及在特殊情况下挡板导致波峰高度增加的现象,并对其机理进行了简要分析。挡板的阻碍对液面造成了扰动,导致液面围绕无挡板情况下的液面位置振荡运动,在特定情况下可能会出现更高的波峰,使得液面晃动看起来更加剧烈。
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经济与公共管理
城市住宅基准地价的三维可视化与空间形态分析——以武汉市中心城区为例  收藏
张祚, 卢新海, 罗翔, 周敏, 金贵
清华大学学报(自然科学版). 2018, 58 (10): 941-952.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.26.039
摘要 ( 1 )   HTML    PDF(16810KB)
为了探索城市住宅用途基准地价的空间形态复杂性与多维度空间可视化表达,采集武汉市中心城区的住宅用途基准地价数据,利用数字高程模型与基于地理信息系统(geographic information system,GIS)的探索性空间分析,实现以基准地价为代理变量来更好地理解城市空间特征与空间结构。结果表明:反距离加权法更适合基准地价“层级梯田状”空间形态的表达;地理中心与“到中心的距离”作为刻画空间的经典变量仍具有不可替代的作用;各侧视角的空间形态与“价格天际线”、从内到外沿环线土地价格分布变化、各典型方向价格拟合曲线反映的梯度都呈现出明显的“中心-边缘”各圈层逐渐下降的趋势,以及城市各扇区间的空间异质性;坡度与坡向特征也进一步印证了土地基准地价高层模型“梯田型”与“环状放射型”的空间形态。
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