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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)
      2022年, 第62卷, 第3期 上一期    下一期
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    机械工程
    基于AVL-EXCITE的发动机连杆轴承空化特性模拟  收藏
    李新新, 杜祥宁, 李远哲, 曹恒超, 田煜
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 385-390,399.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.21.022
    摘要 ( 4 )   HTML    PDF (8087KB)
    空化现象在流体动压润滑中常见而又重要,空化的产生通常会造成润滑膜的破裂,影响润滑性能,甚至引起气蚀。这在柴油发动机连杆轴承中尤其需要关注,因此对其空化特性进行准确模拟具有重要意义。该文基于AVL-EXCITE软件平台,建立了发动机的柔性多体动力学耦合弹性流体动压润滑(EHL)仿真模型。结果表明,连杆大端轴承在做功冲程中空化区域在出口区,呈"手指形"分布,并且轴径油孔快速经过空化区域,可能会导致空化区域内的气泡破裂,发生气蚀。这为气蚀位点的预测提供了一种潜在的方法。此外,还考察了润滑油黏度和供油压强对空化特性的影响,指出适当提高润滑油黏度及供油压强可减缓空化效应。
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    基于模型和数据驱动的机器人6D位姿估计方法  收藏
    刘志, 陈恳, 徐静
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 391-399.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.008
    摘要 ( 14 )   HTML    PDF (4738KB)
    提高运动精度是机器人执行精密操作的基础。该文针对重载操作造成的机器人末端结构变形问题进行位姿补偿研究。首先,提出了基于模型和数据驱动的机器人末端6D位姿估计方法,该方法利用基于Gauss过程回归的机器人运动学误差模型获得部分目标点空间位置的预测值;然后,提出了基于测量平差的位姿修正方法,对目标点位置的实测值和预测值进行修正,以提高位姿的估计精度。实验结果表明,该文提出的位姿估计方法能够精确地补偿重载操作引入的结构变形误差。
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    平面电机散热器热流建模与尺寸拓扑并行优化设计  收藏
    赵家琦, 张鸣, 朱煜, 成荣, 李鑫, 王磊杰, 胡楚雄
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 400-407.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.007
    摘要 ( 7 )   HTML    PDF (3884KB)
    为了提高平面电机水冷散热器热流性能,该文构建了散热器热流模型并开展了"结构尺寸-流道拓扑"并行优化设计。首先,构建了散热器3层热流模型,该模型囊括了盖板与流固混合层的流动/传热耦合效应以及散热器厚度方案对热流场的影响。其次,基于3层热流模型,引入孔隙度域来描述流道拓扑,构建了包含流道拓扑变量与层厚变量的连续伴随结构优化模型,并提出了相应的散热器层厚与流道拓扑并行优化方案。最终,数值案例部分评估了3层热流模型准确性及计算效率、"层厚-流道拓扑"并行优化设计结果热流性能和"尺寸-拓扑"并行优化方案。结果表明:相较于全3D热流模型,所构建的3层热流模型仅需少于10%的计算时间获得了近乎一致的温度场;相较于基准设计,所优化的散热器结构新颖且展现出高达30.82%的目标性能改善;相较于离散优化方案,所提出的并行优化方案高效且取得了具有竞争力的设计。
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    基于碰撞反馈的冗余机器人避障规划算法  收藏
    李亚昕, 王国磊, 张剑辉, 田鑫亮, 安静, 陈恳
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 408-415.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.022
    摘要 ( 21 )   HTML    PDF (8153KB)
    针对复杂封闭类管道零件喷涂过程中避障的需求,该文提出了一种基于碰撞反馈的冗余机械臂避障算法,该算法利用投影相交法进行碰撞检测,将碰撞类型分为可规避碰撞及不可规避碰撞两类:针对可规避碰撞,提出了关节权值动态调整算法,通过加强对碰撞关节的运动限制,同时放宽对其他关节的约束,实现自运动优化避障;针对不可规避碰撞,提出了基于"杠杆原理"的调整方法,通过调整目标点的姿态实现避障。最后,通过设计关节加速度的优化函数对轨迹进行优化以减少机器人的冲击惯性。通过仿真实验,验证了上述算法的可行性。
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    高速高负载并联机器人设计  收藏
    孟齐志, 谢福贵, 刘辛军, 袁馨, 薛龙
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 416-426.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.005
    摘要 ( 5 )   HTML    PDF (13109KB)
    食品和日化等领域存在大载荷桶装或袋装产品的两移动自由度搬运和装箱作业,降低了机器人自由度要求,但在机器人负载能力上提出了新的挑战。如何在构型综合层面实现机器人从无到有?如何在性能评价层面保障机器人从有到优?上述问题是研发高性能高速并联机器人的两大核心难题。该文围绕高速并联机器人的闭环支链优势特征,提出支链间耦合策略,建立了基于耦合策略的线几何图谱化高速并联机器人构型综合方法,实现了闭环支链型高速并联机器人构型设计;针对所设计的功能相同、结构近似的不同机器人构型,基于功率系数概念提出构型优选指标TSI(type selection index),实现了高速并联机器人的构型优选;根据上述研究指导了样机研发,并开展了实验研究与应用验证,测试表明:所研发的TH-UR2并联机器人具备高速高负载品质,在50 kg负载下其标准行程周期可达1.76 s,满足应用需求。
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    国内外燃料电池汽车商业化示范运营评价方法对比  收藏
    仇斌, 梁宏毅, 董国华, 应梓浩, 刘亚辉
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 427-437.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.014
    摘要 ( 8 )   HTML    PDF (1573KB)
    在调研中国、欧洲、美国、日本等国家和地区燃料电池汽车示范运营活动开展情况的基础上,详细分析了国内外燃料电池汽车示范运营活动的组织情况和评价方法。通过对比研究找到中国在燃料电池汽车示范运营活动组织和评价方法等方面的不足。结合中国即将开展的国家燃料电池汽车示范应用项目,在示范运营活动的统计评价方法等方面提出了一些改进建议。
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    基于LPV/H鲁棒控制的重型商用车自动循迹  收藏
    董晴, 季学武, 刘玉龙, 陶书鑫, 刘亚辉
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 438-446.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.011
    摘要 ( 9 )   HTML    PDF (5882KB)
    在重型商用车自动循迹过程中,外部干扰的不确定性和系统状态的非线性通常会降低轨迹跟踪精度,为控制器的设计带来很大挑战。该文提出了一种新型重型商用车线性参数时变(linear parameter varying,LPV)/H鲁棒控制器,解决了道路曲率的不确定性和纵向车速的时变性带来的轨迹跟踪精度降低的问题。对系统性能指标进行加权,利用增广的商用车四自由度动力学模型和轨迹跟踪模型设计了重型商用车横向H鲁棒控制器;针对车辆纵向速度时变的问题,设计了改进的梯形多胞体LPV控制器。最终,通过联合仿真和硬件在环实验,验证了该控制算法的有效性和实时性。研究结果表明:该LPV/H控制算法改善了原有控制算法的保守性,在保证重型商用车自动循迹稳定性的同时,能够显著提升轨迹跟踪精度。
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    车路协同环境下行车风险场模型的扩展与应用  收藏
    田野, 裴华鑫, 晏松, 张毅
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 447-457.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.034
    摘要 ( 12 )   HTML    PDF (12402KB)
    车路协同(i-VICS)环境下,行车风险场是一种评估网联自动驾驶汽车(CAVs)行驶安全性的有效手段。目前主流的行车风险场模型未考虑车辆几何特性和航向角等影响行驶安全的信息,且忽视了自车因素对行车风险的影响,在安全评估的准确性上有待进一步提升。该文提出了一种行车风险场的扩展模型,将碰撞时间(TTC)融入风险场模型,引入自车物理属性和运动状态,有效提升了模型的准确性,同时引入车辆几何特性与航向角信息,扩展了模型的适用范围。将风险场模型应用于典型交通场景,结果表明所提出的扩展模型可有效克服已有研究的不足;将扩展模型用于车辆轨迹规划问题求解,结果表明该模型可有效完成复杂场景下的车辆轨迹规划任务。
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    人体下肢运动协调模型  收藏
    张羽中, 柳世强, 张俊昌, 朱荣
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 458-462.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.027
    摘要 ( 26 )   HTML    PDF (5039KB)
    人体在行走、奔跑等运动时,在运动神经中枢的支配下,下肢运动存在一定的协调关系。这种协调性是生物进化和后天学习的结果,它使人体运动更加灵活、高效。研究健康人体的下肢运动协调性对于中风病人的康复治疗、足式机器人的步态规划、外骨骼机器人等助力设备的人机协同控制等领域具有重要意义。目前人体下肢协调性的研究仍比较初级,多停留在现象分析和理论表述,缺少准确实用的建模方法。该文利用可穿戴运动捕捉系统对人体下肢在行走和奔跑时的运动协调性进行测量和分析,基于神经网络模型提出大小腿运动协调性的建模方法。实验结果证明了大小腿运动协调模型的存在,基于该模型,可根据小腿的运动信息准确预估大腿和膝关节的运动信息。该研究结果可应用于康复医疗、机器人步态规划、智能助力设备等领域,将积极促进相关领域技术进步。
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    自适应迷宫密封仿真及实验研究  收藏
    赵炬颖, 徐乙人, 祝天一, 祁志浩, 李永健
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 463-469.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.21.035
    摘要 ( 8 )   HTML    PDF (3930KB)
    为了解决传统迷宫密封在恶劣工况环境下存在的碰磨问题,提出了一种自适应迷宫密封结构。通过仿真分析发现,浮起力的产生主要是由于密封径向间隙压力分布不均匀。对于气体密封,由压差引起的流体静力效应是本研究所用条件的主导因素,而不是流体动力效应。该模型还分析了偏心率、槽宽及入口段节流长度对自适应迷宫密封浮起力和泄漏率的影响。实验结果表明,该自适应迷宫密封性能比传统迷宫密封性能提高了2.3~3.1倍。此外,自适应迷宫密封的密封环在0.05~0.30 MPa的压差下均能浮起,具有响应速度快的特点。
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    晶向对摩擦发光影响的实验研究及机理分析  收藏
    李娜, 徐学锋
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 470-475.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.019
    摘要 ( 4 )   HTML    PDF (5181KB)
    由于摩擦发光在人们生产生活的诸多领域都有着广泛的应用前景,国内外学者对这一现象进行了大量的研究。但迄今为止,摩擦发光机理仍未十分清楚。为进一步探索摩擦发光机理,促进摩擦发光的应用,该文利用自行研制的摩擦发光探测装置,实验研究了SiO2晶体不同晶向的摩擦发光特性,实验结果表明晶向对摩擦发光有显著影响。通过测量摩擦发光光谱,发现摩擦发光来自于摩擦起电引起的气体放电,并进而利用功函数的差异解释了不同晶向摩擦发光强度的不同。
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    铁基激光熔敷层搭接与非搭接区摩擦性能  收藏
    吴影, 刘艳, 陈文静, 陈辉
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 476-481.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.021
    摘要 ( 11 )   HTML    PDF (7884KB)
    多层多道激光熔敷涂层的组织呈周期性变化规律,总体分为搭接区和非搭接区。为研究涂层中不同区域的摩擦磨损性能,该文采用线性往复摩擦试验,分别设定5和25 N的压力,150和300 s的摩擦时长对铁基涂层的搭接区与非搭接区的摩擦磨损性能进行研究,并结合不同区域的组织和物相的分析,讨论了摩擦性能与组织之间的关系,及摩擦过程中组织的演变规律。研究结果表明:在低压力下,抗磨损性能受组织影响较大,搭接区由于组织粗大、α-Fe含量较少,其抗磨损性能较差;而非搭接区组织细密、α-Fe含量较多,其抗磨损性能较好。在高压力下,抗磨损性能受组织影响较小,搭接区与非搭接区的抗磨损性能相似。在摩擦试验过程中,磨痕浅表层产生剪切变形层,其厚度、硬度及等效应变量随压力和摩擦时长的增加而增加,其中搭接区硬度增加速率高于非搭接区。
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    考虑热膨胀影响的脂润滑高速角接触球轴承热特性分析  收藏
    张长, 田继胤, 郭丹, 牛青波
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 482-492.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.015
    摘要 ( 21 )   HTML    PDF (9123KB)
    高速机床主轴轴承常采用脂润滑角接触球轴承,其在高速运转下过高的温度升高会严重影响轴承工作精度,导致精度丧失和使用寿命降低。该文建立了包含热膨胀影响因素的角接触球轴承载荷平衡方程,针对脂润滑条件,生热计算应用基于局部热源的局部法,热分析采用多节点热网络法,理论计算得到了热网络中各节点温度。在此基础上分析了热膨胀对轴承动态特性及温升的影响,并以试验验证了理论模型计算结果。结果表明:采用考虑热膨胀影响的分析模型计算得到的轴承外圈温度与试验测试温度值吻合较好,误差在10%以内,验证了该文所提出的模型预测脂润滑高速轴承温升的可靠性。
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    专题:智能交通
    智能网联汽车架构、功能与应用关键技术  收藏
    崔明阳, 黄荷叶, 许庆, 王建强, Takaaki SEKIGUCHI, 耿璐, 李克强
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 493-508.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.026
    摘要 ( 14 )   HTML    PDF (10523KB)
    智能化技术与网联化技术的快速进步促进智能化车辆由驾驶辅助到无人驾驶、由单车智能到多车协同的方向发展。智能网联汽车技术能提升交通安全与效率,但也面临着来自真实交通环境的复杂挑战。该文基于智能网联汽车架构、功能与应用3方面关键技术,对用于单车自主式驾驶与网联协同式驾驶的智能网联汽车研究进行分析。首先,针对系统架构设计,分析了有关智能车辆平台架构与车-路-云一体化架构的研究;其次,面向人-车-路多因素耦合的真实交通环境,重点分析了感知、决策、控制3种关键功能技术的发展现状、面临挑战与前沿探索;最后,阐述了不同等级智能网联汽车技术的产业落地情况和特点,并对其未来发展趋势进行展望。
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    智能交通管理系统发展趋势  收藏
    李瑞敏, 王长君
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 509-515.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.023
    摘要 ( 10 )   HTML    PDF (3077KB)
    数十年智能交通管理系统的发展依然存在效能不足的问题。该文聚焦城市交通系统的社会技术属性和特征,对智能交通管理系统的发展方向进行了探索,提出了智能交通管理系统发展的三大趋势:在技术基础上应以信息物理社会系统为基础,在建设目标上要实现能力的本质提升,在管理机制上要实现数据支撑的综合驱动。在分析信息域、物理域、社会域三者之间关系的基础上,提出了基于信息物理社会系统的智能交通管理系统体系框架,阐述了三大趋势的具体内涵及未来发展的建议,以期对我国智能交通管理系统的发展提供借鉴。
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    基于Fast-MCD的自适应建模探索轨道不平顺劣化  收藏
    杨雅琴, 徐鹏, 吴细水
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 516-522.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.044
    摘要 ( 28 )   HTML    PDF (2641KB)
    掌握轨道不平顺劣化模式是实现预测性维修的基础,根据维修作业日期划分轨道不平顺劣化过程是探索其劣化模式的前提。作者之前提出了一套算法实现轨道不平顺劣化自适应分段建模,为提高该算法的效率和准确度,该文基于Mahalanobis距离提出了双层快速最小协方差行列式(fast minimum covariance determinant,Fast-MCD)估计法,并依托于昌福高速铁路2013-2020年的动态检测数据确定模型参数。经实例验证,经双层Fast-MCD估计法改进后,算法整体运行效率提升了近50%,识别维修作业日期的精确度提升了近45.3%。为进一步探索轨道不平顺劣化模式,根据改进后算法识别出的每个线路基本单元的维修作业日期,将每个线路基本单元的左/右高低不平顺劣化过程划分为多个维修周期,最终得到近6 000个维修周期。基于每个维修周期对比分析线性、指数、对数函数的拟合效果及预测能力,认为线性函数更贴近轨道高低不平顺劣化模式。
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    基于改进遗传算法的车身板件厚度优化  收藏
    周伟, 李敏, 丘铭军, 张西龙, 柳江, 张洪波
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 523-532.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.045
    摘要 ( 23 )   HTML    PDF (8937KB)
    为了在车身设计阶段降低车内噪声,以HyperMesh软件建立的车身声固耦合模型为研究对象,提出一种改进的遗传算法优化车身板件厚度。采用Hammersley实验设计方法,建立白车身一阶整体模态、车身质量、车内目标点最大声压级响应面。以目标点最大声压级为性能指标,改进的遗传算法用于车身板件厚度优化。目标点声压级最大值降低4.0 dB,相对遗传算法、全局响应面法、自适应响应面法和可行方向法优化车内噪声的结果,改进的遗传算法分别提高了2.2%、2.2%、2.3%和2.5%。结果表明:对遗传算法的改进,提升了遗传算法的稳定性和寻优能力,改进的遗传算法可用于设计阶段的车身板件厚度优化。
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    新型导向运输系统路权优先策略及适应性  收藏
    郇宁, 姚恩建, 沈昊
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 533-539.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.012
    摘要 ( 14 )   HTML    PDF (9966KB)
    新型导向运输系统是一种面向车路协同环境、非轮轨接触式的中高运量道路公共交通方式,为保障其在公共路权下的优先通行权,该文提出一种前端无侵入式的路权优先策略,并设计与之适配的动态信号优先控制策略,从路段和交叉口两个层面实现导向车辆全运行过程的路权保障。通过算例对比了无路权优先、全时与间歇专用道、前端无侵入4种策略在不同路段交通条件下的适应性,以及与动态信号优先控制策略的协同效应。结果表明:前端无侵入策略适用于导向车辆行车间隔大于300 s的非密集运行状态,前端无侵入区间的长度应根据交通量确定;在"前端无侵入+动态信号优先"的组合策略下,导向车辆平均运行时间缩短13.24%,人均运行时间降低6.29%。
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    专题:吸气式发动机及空天动力技术
    基于Hilbert-Huang变换的液体火箭发动机涡轮泵故障分析  收藏
    杨懿, 陈文丽, 王永鹏, 唐钻坚, 赵净, 郭焕琳, 郭亚男
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 540-548.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.033
    摘要 ( 12 )   HTML    PDF (2308KB)
    涡轮泵是液体火箭发动机(liquid rocket engine,LRE)推进系统的重要组成部分。涡轮泵故障也是LRE故障的主要来源。Hilbert-Huang变换(Hilbert-Huang transform,HHT)具备良好的自适应精确分析非平稳数据的能力。通过对真实的LRE试验数据的分析表明:采用信号包络非闭合镜像延拓的方法能有效解决经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)分解过程中出现的端点飞翼问题;采用HHT分析方法,对本征模态函数(intrinsic mode function,IMF)进行Hilbert变换得到时频域的Hilbert能量分布频谱图以及对IMF函数进行重构后的时间-幅值图能在时域和频域内自适应精确分析液氧涡轮泵振动数据,对涡轮泵的故障进行诊断与分析。该方法在火箭发动机和其他组合件试验数据分析和故障定位中具有重要的应用和推广价值。
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    基于ANSYS的涡轴发动机压气机设计  收藏
    闫慧慧, 周伯豪, 李豪, 张煜洲, 兰旭东
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 549-554,580.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.037
    摘要 ( 12 )   HTML    PDF (5438KB)
    与涡扇发动机和涡喷发动机相比,涡轴发动机具有体积小、质量轻、轴系短等显著特点,且由于其良好的高空性能和较宽的功率范围,活塞发动机在无人直升机的应用中逐渐被涡轴发动机取代。但由于成本问题,在小型无人直升机上航空活塞发动机仍占有绝对优势,因此对小功率涡轴发动机的研究十分有必要。该文基于Gas Turb对300 kW级的涡轴发动机进行总体设计与性能计算,Gas Turb是一款能够快速分析燃气轮机性能的软件,可以用于燃气轮机的热力学设计和总体性能计算,此外,利用ANSYS的叶片造型模块对离心压气机的叶轮和叶片进行造型设计,进一步完成了离心压气机的三维数值模拟,验证了所设计的离心压气机模型的可行性。
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    内转式TBCC组合动力进气道设计方法研究进展  收藏
    左逢源
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 555-561.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.029
    摘要 ( 8 )   HTML    PDF (9200KB)
    吸气式推进系统是实现高超声速飞行的基石,随着对宽Ma范围内高速飞行器的需求日益迫切,涡轮基组合循环(turbine based combined cycle,TBCC)发动机等已成为国内外研究的焦点,而高效压缩的进气系统是其重要组成部分和关键技术之一。该文主要分析了宽Ma范围内高速飞行器对进气系统的特殊要求,回顾了国内外关于内转式TBCC进气道的研究进展,重点介绍了以TriJet为代表的内转式TBCC进气系统的设计方法。总结了内转式TBCC进气道所面临的主要挑战,着重介绍了这类进气道面临的独特的锥面激波/边界层干扰问题,可为后续的研究工作提供参考。
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    边界层燃烧在超燃冲压发动机内的摩擦减阻特性  收藏
    何鑫, 薛瑞, 郑星, 张骞, 龚建良
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 562-572.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.009
    摘要 ( 9 )   HTML    PDF (9574KB)
    以模型超燃冲压发动机为研究对象,该文设计了一种边界层燃烧装置,基于考虑边界层转捩的四方程Transition SST湍流模型,化学反应动力学模型采用9组分27步反应的氢气/氧气反应模型,对边界层燃烧在超燃冲压发动机内的摩擦减阻特性进行数值模拟研究。结果表明:引入边界层燃烧可以使超燃冲压发动机燃烧室壁面摩擦阻力得到大幅度降低。发动机下壁面采用扩张型面会抑制燃烧室内的边界层燃烧,不利于燃烧室内的壁面摩擦减阻,但尾喷管段的减阻效果更为明显;而当发动机流道下壁面向主流收缩时会增强燃烧室内的边界层燃烧,进而增大燃烧室内的减阻效果,但不利于尾喷管段的减阻,若能保持燃烧室下游的边界层燃烧火焰,采用收缩型面构型的发动机减阻效果最优。
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    遥感卫星对区域目标可见窗口的半解析快速算法  收藏
    张众, 鄂智博, 黄丽霞, 李俊峰
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 573-580.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.020
    摘要 ( 7 )   HTML    PDF (5608KB)
    遥感卫星对区域目标的可见窗口计算是卫星观测任务的重要基础,高精度、高效率的求解算法对卫星观测任务规划具有重要意义。该文提出了一种针对区域目标快速计算可见窗口的半解析方法。该方法利用空间几何关系,将所有卫星视场投影与区域目标的边界描述为大圆弧或普通圆弧,得到区域边界相交判定方法;针对圆锥和矩形视场,得出解析判断可见性的条件;利用该解析判断条件,可快速判断卫星在每个离散时间步长下对区域目标的可见性;最后利用二分搜索快速计算精确的区域目标可见窗口。数值算例表明:该算法具有高精度与高效率,相较于商用软件STK,可见窗口持续时间相对误差在0.1%量级;在计算速度上,较传统传播算法提升105倍,较现有快速算法平均速度提升近1 000倍。
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    水利水电工程
    基于结构方程模型的蒸散发归因分析  收藏
    杨文静, 赵建世, 赵勇, 王庆明
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 581-588.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.031
    摘要 ( 4 )   HTML    PDF (10126KB)
    地表蒸散发是评估气候变化对区域水热循环作用的关键过程。然而,在气候变化和人类活动的双重影响下,植被对蒸散发的定量影响较难衡量。该文利用时间序列分析法探求2001至2019年植被变化的趋势,并利用遥感数据产品和气象要素驱动数据集在海河流域建立了结构方程模型,分离气候变化和植被变化对于蒸散发的影响。结果表明:研究时段内植被叶面积指数显著增加,平均每年增加0.014 m2/m2,植被变化对蒸散发的影响程度显著大于气候变化对蒸散发的直接影响程度,气候因素通过植被间接对蒸散发产生较强的影响。该研究可为该地区的水资源评估和综合管理提供基础。
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    跨境淡水冲突与合作研究综述  收藏
    郭利颖, 田富强, 魏靖, 芦由, 倪广恒
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 589-600.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.025
    摘要 ( 10 )   HTML    PDF (1497KB)
    水资源数量的有限性和用途的广泛性决定了水资源利用的多种不同主体之间不可避免地存在矛盾,这在涉及不同国家与地区的跨境淡水系统中尤为突出。在缺乏有效的全流域治理体系的情况下,跨境淡水系统的管理很容易陷入"公地悲剧"的境地,而其冲突与合作的状态关系到流域可持续发展、区域安全与稳定,以及域内外国家的外交工作,该研究具有重要的理论意义和实践价值。该文提出了跨境淡水冲突与合作研究的分析框架,将国内外学者的研究按演绎法与归纳法2种研究范式进行归纳,对研究思路、3个主要研究问题(水冲突与合作状态的定义与量化,水冲突与合作的驱动因素,水冲突与合作的演化规律)以及代表性研究进行了综述,指出现有跨境淡水冲突与合作研究的不足及可能的发展方向。未来的研究需要将演绎法与归纳法相结合,着眼于揭示水冲突与合作动态变化的全球规律及其驱动机制,跨境水资源与非跨境水资源的内在联系,在此基础上探讨跨境淡水资源管理如何应对经济社会发展与气候变化带来的机遇与挑战。
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    经济与公共管理
    “稳地价”调控、地方政府土地供应与土地成交量价表现  收藏
    吴淑萍, 张莉, 杨赞
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 601-613.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.032
    摘要 ( 5 )   HTML    PDF (2653KB)
    近年来,以"稳地价"为前提的长效机制建设成为我国城乡建设工作的重要目标之一,地方政府作为重要的责任主体,面临着保障地价稳定和房地产市场健康发展的政治压力。该文基于2007-2017年的地级市-年度面板数据,突破性地将土地流拍数据纳入土地供给研究中,检验"稳地价"调控对地方政府计划供应的土地数量,以及土地成交率、溢价率以及成交价格的影响。研究发现,在供给端,"稳地价"调控压力使地方政府显著提高了计划供应的居住用地规模,特别是在"稳地价"调控效果对地方官员晋升影响更大的城市。但在需求端,"稳地价"调控没有降低用地企业对居住用地的价格预期,因此并未显著降低居住用地成交率、溢价率和成交价格。最终,"稳地价"调控下的土地供应增加只提高了居住用地成交数量和地方政府实现的土地出让金收入,尚未能有效降低土地成交价格。
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    基于面板数据回归模型的家庭水-能消费时空特征与影响因素  收藏
    王春艳, 张景翔, 龙洁, 刘毅
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 614-626.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.021
    摘要 ( 2 )   HTML    PDF (3527KB)
    采用描述性分析、相关性分析以及针对面板数据回归的随机效应模型分析,基于中国家庭追踪调查数据集,以2014-2018年追踪的4 269户家庭为样本,根据其月度家庭用水量、用电量以及家庭属性数据对家庭水-能消费特征和影响因素开展定量研究。结果表明:家庭用水量、用电量随时间逐渐增大,相比于2014年,2018年的月用电量、用水量分别提高了21%和12%;地区差异性显著,其中华南地区用水量、用电量最高,西北地区户均用电量最少,华北地区户均用水量最少。家庭用水量、用电量存在正向相关性,相关系数为0.49;不同地区用水量和用电量的相关性差异较大,华南地区相关性最强,华中地区相关性最弱。家庭经济属性变量、居住属性变量对用水量、用电量存在显著影响;家庭规模、住房市价对用水量、用电量存在正向影响,其中家庭规模每增加1人,用电量提高7.5%,用水量提高7.1%;住房市价每提高1倍,家庭用电量提高1.3%,家庭用水量提高1.2%;价格对用水量存在负向影响,价格每上升1.0元,用水量降低13.9%。
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    物理与工程物理
    利用自旋回波小角中子散射技术分析胶体系统的结构  收藏
    宋璟, 孙光爱
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (3): 627-632.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.033
    摘要 ( 8 )   HTML    PDF (2336KB)
    该文总结了中子表征技术中自旋回波小角中子散射(SESANS)的基本理论分析方法,并讨论了其在分析胶体系统结构中的应用。通过对实空间的密度涨落关联函数进行Abel变换得到SESANS的空间关联函数。进一步分析了球形粒子不同多分散度对SESANS空间自关联函数的影响,SESANS空间结构关联函数则通过引入热力学自洽的闭合关系求解Ornstein-Zernike方程对分布函数进行计算。将SESANS的理论计算应用于同时具有短程吸引和长程排斥相互作用势的胶体系统,结果显示:与传统小角散射相比,SESANS理论计算结果更加直观地反映了系统随着体积分数增加由分散相进入逾渗相的转变。SESANS作为一种能在实空间对材料进行表征的散射技术,可以有效地揭示胶体系统的结构和相变。
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