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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)
      2021年, 第61卷, 第12期 上一期    下一期
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    专题:能源动力领域传热与热系统研究
    航天飞行器热防护相变发汗冷却研究进展  收藏
    胥蕊娜, 李晓阳, 廖致远, 胡皓玮, 祝银海, 姜培学
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1341-1352.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.044
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (15534KB)
    随着航天飞行器飞行速度与时间的提高,气动、燃烧等带来的超高温、大热流使得飞行器部件温度远超材料耐温极限,高效可靠的热防护技术成为制约航天飞行器发展的重要瓶颈之一。发汗冷却技术自20世纪40年代提出以来,被认为是一种具有极高冷却效率的主动热防护技术,可实现航天飞行器超高温/大热流表面的有效热防护。该文对国际、国内主要研究团队和作者研究团队近年来相变发汗冷却的研究进行了综述,阐述了亚声速和超声速主流中相变发汗冷却流动与换热规律,提出了仿生自抽吸自适应相变发汗冷却方法及其优化结构,给出了发汗冷却在航天飞行器典型热端结构中的应用和优化方法。结合先进材料的发展探索非均匀热流、过载等条件下相变发汗冷却的流动换热规律是未来相变发汗冷却发展的重要方向,从而为航天飞行器跨越式发展提供可靠的技术支持。
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    蒸气冷凝传热强化研究进展  收藏
    温荣福, 杜宾港, 杨思艳, 刘渊博, 李启迅, 程雅琦, 兰忠, 马学虎
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1353-1370.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.002
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (27261KB)
    蒸气冷凝传热强化对于实现能源系统的高效化与集成化具有重要的科学意义,在众多工业过程中有广泛的应用,如电力能源、石油化工、电子工业、建筑节能、食品加工、海水淡化等领域。其中,利用界面结构调控凝液的形成、输运与移除是强化冷凝传热的重要手段和关键科学问题。近年来,随着微纳加工技术和新材料的快速发展,研究者开发了大量的功能结构表面,并发现了许多新的界面传递现象,从新视角拓展了蒸气冷凝传热机理和强化技术。该文从蒸气冷凝中气-液-固界面间热量传递的基本过程出发,首先介绍了冷凝传热的关键控制因素和强化原理,然后总结了近年来在界面调控方面强化冷凝传热的新策略和典型的代表性工作,最后讨论了强化传热表面在工业应用中面临的挑战和未来的发展方向。
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    相变储热型太阳能甲醇重整反应器稳态及动态制氢特性的实验研究  收藏
    马朝, 程泽东, 何雅玲
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1371-1378.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.002
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (8653KB)
    太阳能热化学制氢是生产清洁能源的重要途径。针对太阳辐射波动性大,易造成太阳能甲醇重整制氢反应器温度剧烈变化,不利于反应器稳定运行等问题,该文利用相变材料对太阳能甲醇重整制氢反应器进行热管理,以提高反应器的制氢效率和运行平稳性。首先,提出了2种相变储热型热化学反应器结构;其次,实验探究了甲醇重整制氢反应器内部的传热特性及制氢特性,分析了反应器表面热流密度大小对反应器反应产物成分及甲醇转化率的影响规律;然后,研究了相变材料的添加位置对化学反应器稳态制氢效率的影响机制;最后,分析了在非稳态工况下,不同结构的相变储能型热化学反应器甲醇转化率的动态变化情况。结果表明,在反应器制氢特性方面,当反应器表面热流密度达到7 kW·m-2时,反应产物中H2占比为0.713,甲醇转化率为0.956,且随着热流密度的增大,热化学反应器的甲醇转化率不断增加。将相变材料分别填充在反应器壳侧和管侧后,稳态工况下,催化剂用量分别减少了66.0%和13.5%,反应器的甲醇转化率仍较高,单位体积催化剂的反应速率更高;动态工况下,热化学反应器的甲醇转化率变化幅度分别缩小了23.4%和13.7%,有效提高了反应器的热惯性,使反应器运行更加平稳。
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    双波长闪光拉曼热扩散率测量系统研发及应用  收藏
    樊傲然, 马维刚, 王海东, 张兴
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1379-1388.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.034
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7490KB)
    纳米材料热传递特性的高精度原位测量,是传热学研究中亟待解决的关键问题。拉曼光谱法是目前最理想的纳米尺度非接触式原位测量方法之一,但现有的瞬态拉曼光谱法时间、空间分辨率较低,显著影响了测量精度。该文研发了时间分辨率可达100 ps、空间分辨率可达100 nm的双波长闪光拉曼测量系统:搭建一束较强的脉冲激光加热样品,使用另一束波长不同的、无加热效应的脉冲激光作为探测光,激发待测样品和基底的拉曼光谱,借助拉曼峰位偏移同时测定样品和基底温度。通过调整探测脉冲和加热脉冲之间的时间差,可高时间分辨率地获得样品和基底的温度变化曲线,进而测定纳米材料热扩散率。通过改变探测激光与加热激光的光斑中心距,可高空间分辨率地获得样品温度空间分布,从而进一步提高瞬态测量灵敏度,并可实现对有基底支撑纳米材料与基底之间接触热导的测量。基于上述测量系统,该文测量了有基底支撑双层石墨烯的热传递特性,并与文献结果进行了对比,分析说明了此系统的测量优势。
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    光谱选择透过性对聚光太阳能热化学循环性能的影响  收藏
    林鹏翥, 娄佳慧, 李建兰, 郝勇
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1389-1396.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.038
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (5018KB)
    太阳能高温热化学反应分解水或二氧化碳是制取太阳能燃料的重要途径,通常以热化学循环的方式进行。鉴于太阳能热化学循环反应腔体温度显著低于太阳表面温度,可以通过光谱选择性透过膜抑制腔体向环境的二次辐射,从而达到显著降低不可逆损失、提升集热效率、降低聚光集热成本的目的。该文对选择性透过膜的特征参数截止波长及其对热化学循环性能的影响进行了系统的研究,进而在氧化铈热化学循环分解二氧化碳实验基础上,分析了选择性透过膜对太阳能-燃料化学能效率的影响。最后,对聚光集热成本相对于选择性透过膜成本的敏感性进行了讨论。结果表明,对于最高温度为1 773 K的太阳能热化学循环,最佳截止波长为1 350 nm,与太阳能光谱(AM1.5)的水蒸气、二氧化碳吸收峰重合。选择性透过膜可以将黑体腔理论集热效率提升34.7%~85.2%,可以较为明显地提升热化学循环分解二氧化碳的太阳能-燃料化学能效率上限。选择性透过膜对缩短还原反应的升温时间和减少辐射损失分别为13.7%和36.7%。当选择性透过膜的单位成本低于碟式聚光镜的单位成本的330倍时,使用选择性透过膜可以有效降低聚光集热成本。
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    过冷盐溶液流动沸腾传热预测关联式  收藏
    顾君苹, 刘琦, 吴玉新, 王庆功, 吕俊复
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1397-1404.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.012
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (5761KB)
    为保证以含盐溶液为工质的蒸发换热设备内的水动力及传热安全,要求能够对盐溶液在受热管内的传热特性实现准确预测。该文开展了垂直上升受热管内NaCl溶液传热实验,获得了盐溶液管内强迫对流及过冷流动沸腾传热系数实验值。基于实验结果,校验了现有传热预测关联式对盐溶液不同传热阶段的传热预测准确性。结合公开报道中的盐溶液及纯水的传热数据进行分析,获得了可用于表征盐溶液过冷流动沸腾传热变化的主要参数及影响规律,据此建立了适应于盐溶液的过冷流动沸腾传热预测关联式,该关联式的预测准确性高,对指导和优化此类换热设备的设计、提高工业生产安全具有重要价值。
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    专栏:关键核心技术
    航空柱塞泵关键摩擦副表面改性与性能增强  收藏
    李玉龙, 何永勇, 雒建斌
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1405-1422.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.023
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (5701KB)
    柱塞泵是液压系统中最核心、技术难度最大的组成部分,在航空航天中应用广泛。航天器和飞机性能的不断提高,对航空柱塞泵的压力、转速、效率、安全性和可靠性等技术及性能指标提出了更高的要求。柱塞泵中三大关键摩擦副的润滑和摩擦磨损性能又是柱塞泵性能和服役寿命的决定性因素。该文在回顾柱塞泵发展历程和设计方法的基础上,主要对柱塞泵关键摩擦副的润滑理论及试验进行了总结,着重对航空柱塞泵关键摩擦副表面改性和性能增强技术及方法进行分析和阐述。最后,对未来重点的研究方向进行了探讨和展望。
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    面向未来燃气轮机的先进燃烧技术综述  收藏
    李苏辉, 张归华, 吴玉新
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1423-1437.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.001
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (6806KB)
    为满足日趋严格的环保法规和减少碳排放的需求,燃气轮机的技术发展呈现出低排放、高参数、多燃料和宽工况灵活运行的趋势。现有的单一旋流贫预混燃烧技术已经不能适应这些新的变化。因此,该文挑选了10种有潜力的先进燃烧技术展开综述,首先简要介绍其原理和发展现状,然后针对燃气轮机未来发展趋势,从技术成熟度、污染物排放等方面分析其应用前景和可行性,并提出下一步需要突破的技术瓶颈和关键问题。在此基础上,提出了一种评价方法,分析和比较各技术的综合性能和实施难易程度,为技术路线和攻关方向的筛选提供参考依据。
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    新型冠状病毒
    新型冠状病毒等病原体空气消毒技术综述  收藏
    郭云涛, 张东荷雨, 张丽阳, 彭思琦, 罗海云, 帖金凤, 王新新
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1438-1451.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.004
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (3727KB)
    重症急性呼吸综合征冠状病毒(severe acute respiratory syndrome coronavirus,SARS-CoV)、中东呼吸综合征冠状病毒(Middle East respiratory syndrome coronavirus,MERS-CoV)和新型冠状病毒(SARS-CoV-2)等病原体引发的相关疾病已经多次给全球人类造成灾难。气溶胶是这些病原体传播的重要途径,快速高效的空气消毒对切断病原体传播至关重要。低温等离子体消毒技术是一种新型消毒技术,已被证明可灭活多种细菌、真菌、病毒、孢子等微生物,由于其高效消杀能力及环境友好性,受到越来越多的关注。根据消毒技术中的关键因素,可将其分为物理消毒技术、化学消毒技术和综合消毒技术,该文总结了各种消毒技术的消毒机理、适用场景、研究现状和特点,以及各种技术应用于新型冠状病毒等病原体消毒的最新研究进展,重点分析了等离子体消毒技术用于中央空调空气消毒的关键技术和应用前景,最后以清华大学工字厅为例,证明了本研究团队研发的面放电等离子体消毒技术的实用性,为进一步拓展应用奠定了基础。该技术的实际应用对于当前疫情防控及今后构建国家生物安全体系有重要意义。
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    新冠疫情发生城市仿真模型及防控措施评价——以武汉市为例  收藏
    丁莹, 张健钦, 杨木, 宫鹏, 贾礼朋, 邓少存
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1452-1461.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.043
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7083KB)
    疫情防控对城市运行具有重要的影响,针对现有传染病模型难以精细化模拟评价防控措施的问题,以武汉市为例构建基于Agent的新型冠状病毒肺炎(corona virus disease 2019,COVID-19)疫情城市仿真模型,复现武汉疫情的传播过程。对疫情期间政府管控措施与医院诊疗水平进行量化描述,分析不同强度防疫措施下的感染情况及空间分布特征。并在此基础上模拟了复工后核酸检测的主动防疫效果。结果表明,该智能体建模方法能够高精度复现武汉疫情的时空传播过程,可以对政府管控措施与实施的诊疗方案进行仿真评价,为传染病预防控制部门提供科学的辅助决策信息。
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    环境科学与工程
    秸秆直接还田与燃烧后还田对冬小麦田NO排放的影响  收藏
    苏媛媛, 王艳强, 梅宝玲, 姚志生
    清华大学学报(自然科学版). 2021, 61 (12): 1462-1471.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.039
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1347KB)
    为减少秸秆燃烧所造成的大气污染,国家鼓励农民施行秸秆直接还田措施。但是,秸秆还田会改变多种土壤理化因素,引起碳氮生物地球化学过程发生变化,进而可能改变环境污染性气体一氧化氮(NO)的产生和排放。为了探究秸秆不同还田方式如何影响冬小麦田NO排放,该文依托紫色土农业生态试验站的秸秆不同还田方式长期试验平台(2005年—),采用静态暗箱-化学发光法对农民常规施肥(NPK)、常规施肥+秸秆直接还田(NPK+SR)和常规施肥+秸秆燃烧后还田(NPK+SB)以及不施肥对照(CK)处理下的NO排放通量及辅助因子进行了一个完整生长季(2016年10月至2017年5月)观测。结果表明,各施肥处理下较高的NO排放均出现在施肥后1~2周内,与土壤无机氮含量变化趋势基本一致。在整个小麦生长季,土壤无机氮,尤其铵态氮(NH4+)浓度是NO季节变化动态的关键控制因子,二者呈显著线性正相关关系。与NPK相比,NPK+SB并未明显影响NO季节排放量,而NPK+SR却显著抑制了NO季节排放量的49.0%。基于施肥处理与CK处理之间NO排放量的差异,NPK、NPK+SB和NPK+SR处理的NO直接排放系数分别为0.33%、0.32%和0.15%。此外,与NPK相比,NPK+SB和NPK+SR提高了作物的氮肥利用效率,从而分别增加了小麦籽粒产量的18.9%和15.8%。依据土壤NO排放和小麦产量相结合的指标(即NO排放强度),NPK+SB比NPK显著降低了NO排放强度的19.7%,而NPK+SR比NPK+SB又进一步显著减少了NO排放强度的45.6%。因此,对于紫色土冬小麦田来说,秸秆直接还田处理是一种较好的优化施肥管理方式,可以同时满足保障粮食安全和减少大气环境污染性气体NO排放。
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» 2023年度优秀论文、优秀审稿人、优秀组稿人评选结果
  2023-12-12
» 2022年度优秀论文、优秀审稿人、优秀组稿人评选结果
  2022-12-20
» 2021年度优秀论文、优秀审稿人评选结果
  2021-12-01
» 《清华大学学报(自然科学版)》2020年度“优秀论文奖”和“优秀审稿人奖”颁发
  2020-11-03
» 2020年度优秀论文、优秀审稿人评选结果
  2020-10-28
» 第十六届“清华大学—横山亮次优秀论文奖”暨2019年度“清华之友—日立化成学术交流奖”颁奖仪式
  2020-01-17
» 热烈祝贺清华2018年度国家科学技术奖获奖创历史新高!
  2019-01-09
» 第十五届“清华大学-横山亮次优秀论文奖”暨2018年度“清华之友—日立化成学术交流奖”颁发
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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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» 第十三届清华大学-横山亮次优秀论文奖暨2016年度清华之友—日立化成学术交流奖颁发
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