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ISSN 1000-0054
CN 11-2223/N
创刊于 1915 年 (月刊)
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  • 清华大学学报(自然科学版)
      2019年, 第59卷, 第12期 上一期    下一期
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    水利水电工程
    非饱和亲水性和疏水性砂的剪切行为  收藏
    陈宇龙, 孙欢
    清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (12): 961-966.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.027
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1608KB)
    弯月面水膜的存在会影响非饱和土的抗剪强度。土的亲水性和疏水性影响着其物理-力学行为、接触角和毛细压力。在非饱和土力学领域,迄今积累的岩土技术知识多局限于亲水性土。该文利用人工合成的疏水性砂,研究了弯月面水膜的存在对疏水性和亲水性非饱和砂剪切性能的影响,讨论了基质吸力对剪切强度的作用。结果显示:弯月面水膜对非饱和状态砂的剪切行为存在较大的影响。亲水性砂的剪切强度和剪胀性均大于疏水性砂。对于疏水性砂,砂中水分并非以弯月面水膜的形态存在,而是以水珠的形态存在于颗粒表面,初始饱和度对剪切强度影响较小,但对剪胀性影响较大。对于亲水性砂,剪切强度随着初始饱和度的减小而增大。
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    堆石骨料对混凝土层面剪切性能影响的试验研究  收藏
    任明倩, 安雪晖, 谭妮, 李鹏飞
    清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (12): 967-974.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.029
    摘要 ( 3 )   HTML    PDF (1421KB)
    堆石混凝土层间界面上露出的块石棱角与周围自密实混凝土的相互作用决定了堆石混凝土的层间抗剪性能。该文设计并完成了24个堆石混凝土施工缝小型直剪试验,通过在施工缝上布置不同抗剪堆石骨料,研究了堆石骨料露出高度、数量和强度以及竖向荷载对堆石混凝土施工缝抗剪性能的影响。试验结果表明堆石骨料对堆石混凝土施工缝抗剪性能有显著影响。试验出现了2种典型的破坏模式:堆石骨料周围混凝土的挤压塑性破坏和堆石骨料直接剪切破坏。堆石骨料露出高度、数量和强度以及竖向荷载的变化会引起施工缝的抗剪性能和破坏模式变化。参考普通混凝土裂缝剪力传递理论,提出了堆石混凝土层间界面抗剪承载力公式,该方法考虑了外露堆石的几何特征,能够体现出不同的破坏模式。利用试验结果对所提出的公式进行验证,验证结果表明所提出的方法能够有效评估堆石混凝土的层间抗剪性能,为今后堆石混凝土层间抗剪能力的设计提供了有益的参考。
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    面向逐日产沙模拟的SWAT模型封闭与检验  收藏
    李二辉, 王冰洁, 傅旭东
    清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (12): 975-980.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.025
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (2516KB)
    针对SWAT(soil and water assessment tool)模型逐日产沙模拟中含沙量-流速关系的尺度匹配问题,给出了日尺度产沙模拟的最大含沙量封闭关系。该文采用黄河中游砒砂岩区9个水文站长系列实测水沙资料,确定日输沙率-日流量的幂函数型关系曲线,提供了SWAT模型日尺度最大含沙量的封闭关系。并将封闭的SWAT模型用于皇甫川流域水沙产输过程模拟,采用空间嵌套的皇甫站和沙圪堵站实测资料进行模型验证。结果表明:皇甫站率定期和验证期日输沙过程的Nash-Sutcliffe效率系数(Nash-Sutcliffe efficiency coefficient,NSE)分别为0.70和0.66,决定系数R2分别为0.74和0.68;沙圪堵站率定期和验证期NSE分别为0.78和0.72,R2分别为0.78和0.74;未进行封闭模型的沙圪堵站率定期和验证期NSE分别为0.36和0.26,R2分别为0.39和0.26。表明封闭后的SWAT模型显著提高了模拟效率,能够用于黄土高原砒砂岩地区泥沙逐日过程模拟。
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    西北典型节水灌溉技术综合性能的层次分析与模糊综合评价  收藏
    蒋光昱, 王忠静, 索滢
    清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (12): 981-989.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.015
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (910KB)
    中国西北地区幅员辽阔但水资源短缺,生态环境脆弱,节水灌溉发展迅速。合理评价节水灌溉技术的综合性能对其可持续发展十分必要。该文综合考虑西北地区生态环境脆弱性、经济发展水平、气候地理特性、灌溉发展趋势和劳动力成本等因素,提出节水灌溉技术在西北干旱半干旱地区的综合性能的评价指标体系,以生态性、经济性、适应性、精量性和智能性为准则层,共23个评价指标,通过层次分析法和模糊综合评价法确定评价指标的权重和等级阈值,并对滴灌、喷灌和小畦灌3种典型节水灌溉技术的综合性能进行了评价。结果表明:节水灌溉技术综合性能的优先序为经济性、适应性、生态性、智能性、精量性,各准则层权重最大的指标分别为亩均工程投资、水量适应性、地下水超采抑制程度、省工率和灌溉水利用系数;滴灌、喷灌和小畦灌在西北地区的综合性能评级分别为优异、一般、一般。该评价方法和结果可为当地节水灌溉技术的合理评价与选择应用提供参考。
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    泥沙输移对山洪特征值时空分布的影响——以北京“7.21”山洪为例  收藏
    宋云天, 曾鑫, 张禹, 安晨歌, 马美红, 傅旭东
    清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (12): 990-998.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.023
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (3692KB)
    该文以北京房山红螺谷沟"7.21"洪水为例,计算分析了泥沙输移、河床冲淤对最高洪水位、最大流速、峰现时间等山洪特征值的影响。通过动床模型与不考虑泥沙输移的定床模型结果对比分析,发现在"7.21"洪水条件下,水-沙-河床的相互作用导致断面最高洪水位较定床情形普遍抬升,最大抬升约1.5 m,局部河段受淹致灾的可能性显著增大,淤积受淹断面淹没时间显著延长,但最大流速有所下降;在河床冲淤影响下,自上游至下游沿程各断面达到最高水位的时间并非单调递增,进而说明不能以个别监测点位的水位变化结果判断整个河段的洪水涨落趋势。该结果对山洪灾害的风险分析、监测预警与工程防治具有参考作用。
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    明渠湍流对数律的诊断函数分析  收藏
    钟强, 郑枫川, 杨宇晨, 邓兆宇
    清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (12): 999-1005.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.036
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (4231KB)
    明渠水力学的传统观点认为,明渠湍流平均流速分布的对数律是与Reynolds数和Froude数无关的普适律。由于Karman常数与摩阻流速难以分离,且平均流速分布与对数律的偏离是一个渐进过程,因此导致目前对对数区的范围以及Karman常数的取值存在较大争议。该文引入诊断函数分析了高频粒子图像测速系统(PIV)测量所得光滑明渠恒定均匀湍流数据。当平均流速分布严格满足对数律时,诊断函数为常数。分析结果表明,在该实验的Reynolds数条件下,诊断函数在全水深都不存在水平段,即平均流速分布没有严格意义的对数区。根据实验和直接数值模拟的结果趋势推测,随着Reynolds数增加,流速分布将会出现严格意义的对数区,并且其范围会逐渐增大。当Reynolds数足够大时,明渠湍流的Karman常数将落在0.334和0.415之间,对数区范围将小于76 < y+ < 0.5 Reτ
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    水力模拟云平台HydroMP的模型集成方法  收藏
    王开, 刘荣华, 魏加华, 刘启, 王光谦
    清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (12): 1006-1015.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.034
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4065KB)
    实现动态的模型集成与管理是水力模拟云平台HydroMP建设的关键需求,其关键技术包括平台对模型的驱动、平台与模型的数据交换、平台对模型运行的实时控制以及平台对模型的动态管理。为实现水力模拟云平台中不同类型模型的集成,以满足不同用户的需求,设计了具有通用性和"热插拔"的模型集成方法。提出了不改变模型程序原有运行方式的可执行程序(EXE)集成方法和实现模型进程与平台实时通信的可交互集成方法。EXE集成方法无须更改源代码,只需开发数据转换文件即可实现模型集成;可交互集成方法采用标准通信接口程序对模型组件进行封装并生成新的模型程序,然后在平台中注册实现模型集成,可交互集成的模型进程在运行过程中能与云平台实时通信及数据交换。将两种集成方法应用于水动力模拟云平台(HydroMP),实现了不同类型遗产模型的动态集成和管理。
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    机械工程
    爬行器驱动轮与套管管壁斜压过程分析  收藏
    孙可平, 杨东超, 常旭, 朱衡, 鲁沛昕, 陈恳
    清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (12): 1016-1028.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.035
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (2972KB)
    轮式水平井爬行器驱动轮与套管管壁接触过程中会在管壁上留下塑性变形压痕,该压痕形貌对爬行器的运动性能影响较大,而轮齿与管壁材料的斜压接触过程非常复杂,目前还没有相应的理论模型来分析该过程。该文详细分析了正压力和转矩同时作用下,轮齿斜压管壁时不同载荷条件下压痕形成的规律,将载荷分为6个不同的作用区域。利用滑移线理论,分析计算了每个区域轮齿不同接触状态下的压力分布,建立了轮齿载荷与压痕形貌之间的力学计算模型。在此基础上,分析和计算了各作用区域间的临界载荷,并介绍了理论模型的正向和逆向应用方法。最后对4个稳定作用区域的理论模型从压深、滑移量、压痕形貌和接触面上压力分布等4个方面进行了仿真验证,并进行了压痕验证试验。仿真和试验结果均表明:对轮齿载荷作用的分区及所建立的理论计算模型是合理的。为今后爬行器载荷控制策略的优化以及驱动轮多齿牵引力的建模与优化奠定了基础。
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    基于3P(4R)S主轴头的五轴混联机床的参数辨识算法  收藏
    胡从军, 于广, 王立平
    清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (12): 1029-1038.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.031
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4574KB)
    旋转刀轴中心控制(rotational tool center point,RTCP)精度是评价五轴混联机床的重要考核指标。该文以一台基于3P(4R)S主轴头的五轴混联机床为研究对象,对该机床终端的位置和角度精度进行标定,以提高混联机床的RTCP精度;提出了一种参数辨识算法,与最小二乘法、岭估计法相比,该算法缩短了辨识运算的时间。标定实验结果表明:该算法辨识得到的参数能有效提高机床的精度,验证了该算法的有效性,为五轴混联机床的铣削加工奠定了基础。
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    基于AOV和广义表的梯形图转指令表的转换算法  收藏
    王炜新, 周凯, 毛飞龙
    清华大学学报(自然科学版). 2019, 59 (12): 1039-1044.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.028
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (2044KB)
    梯形图是IEC 61131-3标准定义的4种可编程逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)编程语言之一,但因为梯形图无法被处理器直接执行,所以大多数商用PLC编程系统都会将梯形图转换为类似汇编语言的指令表,便于生成机器指令。该文提出一种基于AOV(activity on vertex)图和广义表的转换算法,相比基于广义表的现有算法,重点解决了多线圈输出问题。此外,该文提出了遍历带有输出标志位的广义表的深度优先搜索算法,以生成对应的指令表。算法时间复杂度最佳情况为On),最差为On2)。
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