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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10期 上一期    下一期
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    防灾减灾
    化工多米诺事故中物理效应间的耦合作用  收藏
    沈锴欣, 贺治超, 翁文国
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1559-1570.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.021
    摘要 ( 20 )   HTML    PDF (12434KB)
    为了完善多米诺事故风险定量评估方法,该文针对现有多米诺事故研究中的不同类型事故物理效应(热辐射、泄漏的有毒气体)及环境风速风向间的耦合作用展开研究,通过经验模型分析耦合作用机制,对实验装置模型采用计算流体动力学(CFD)软件数值模拟火灾与有毒气体泄漏事故的耦合情形。模拟结果表明,物理效应间的耦合作用会放大事故后果严重程度。以某危险品库发生过的多米诺事故为案例进行风险定量评估,发现物理效应耦合作用会显著放大个人风险,而根据具体情况不同,环境风速风向既可能放大个人风险,也可能对风险起到抑制作用。结果表明,在多米诺事故风险定量评估过程中应当考虑事故物理效应间的耦合作用。该研究可为提升多米诺事故风险定量评估方法的准确性提供重要参考。
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    基于情景构建与推演的新能源电力设备运行风险评估  收藏
    任建强, 王璐阳, 吴家浩, 倪顺江, 翁文国
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1571-1578.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.008
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1731KB)
    新能源电力设备运行环境多变、系统结构复杂,导致新能源电力系统安全问题日益突出。该文提出了一种基于情景构建与推演的电力设备运行风险评估方法。首先,分析了新能源电力系统运行过程中存在的安全风险问题;其次,构建了新能源电力设备运行风险评估模型;最后综合采用交叉影响分析法和解释结构模型法推演了新能源电力设备的不安全状态对电力系统故障的影响程度,并提出了相应的预防和改进措施。研究结果表明:该方法评估电力设备故障对电力系统运行造成的风险程度合理可行,对电力系统应急管理决策具有重要的指导意义。
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    城市复杂灾害"三层四域"情景分析方法及应用  收藏
    巴锐, 张宇栋, 刘奕, 张辉
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1579-1590.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.029
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4846KB)
    随着城市化进程的不断加快,城市面临的灾害风险日益复杂,自然灾害、事故灾难、社会安全事件、公共卫生事件等各类风险因素耦合叠加。城市复杂灾害的防控应急亟需从综合性多维度、跨领域大数据开展融合分析。该文提出了"规划-策略-操作"三层面、"信息-物理-社会-认知"(cyber-physical-social-cognitive, CPS-C)四域合一的融合分析系统,并构建了基于"三层四域"的城市复杂灾害情景分析方法,建立了"目标-情景-任务-资源-响应-评估-决策"应急管理流程框架。以城市内涝应急管理为例,通过基于典型案例分析的规划层面目标制定和基于灾害成因分析的操作层面问题剖析,对策略层面城市内涝的应急防控过程和关键要素进行了系统分析,并对内涝灾害的全周期应急管理进行了推演。通过开展台风-暴雨-内涝灾害下城市场景的人机虚实交互情景模拟演练,对所提出的方法进行了应用,结果表明所提出的方法可以为城市复杂灾害的应急管理提供理论和方法支撑。
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    基于情景模拟的城市洪涝交通影响评估  收藏
    邵薇薇, 刘家宏, 王开博, 苏鑫, 邵蕊, 梅超, 李泽锦
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1591-1605.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.012
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (41843KB)
    为分析城市洪涝对于交通路网的间接影响,采用一二维耦合的水动力模型对极端降雨情景下的城市洪涝进行模拟。以广东省前山河流域为研究对象,采用开放街道地图(OSM)与百度地图应用程序接口(API)获取交通路网及实时车速数据,通过通行速度衰减模型分析了城市洪涝对道路交通的影响。结果表明:城市各个等级道路的通行速度在工作日均存在明显的"交通潮汐"现象,且晚高峰交通拥堵现象更为严重;在设计暴雨条件下,高等级道路在不同降雨情景下通行速度降低的绝对值大于低等级道路,三级路受影响路段的长度最长,快速路受影响道路长度占比最大,三级路单位距离通行时间最长。暴雨重现期由20a一遇增加到50a一遇时,受影响路段增加的数量最多。该研究评估了极端暴雨和洪涝对城市交通的影响,可为城市洪涝治理与灾损评估提供理论依据。
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    基于情景模拟的洪涝灾害经济损失动态评估  收藏
    苏鑫, 邵薇薇, 刘家宏, 蒋云钟, 邵蕊, 王开博
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1606-1617.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.040
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (15465KB)
    洪涝灾害损失评估是进行洪涝灾害管理的重要手段,对于防灾减灾具有重要意义。鉴于当前研究存在多以静态评估为主、缺少高分辨率的国民生产总值(GDP)空间分布数据、产业关联损失评估对象较为单一等问题,该文模拟了设计暴雨情景下的城市洪涝过程,基于土地利用数据、兴趣点数据(POI)和随机森林回归模型得到了高分辨率的GDP空间分布数据。在Python环境下利用Arcpy库将城市洪涝演进过程与社会经济数据进行空间拓扑叠加,获取了洪涝灾害直接经济损失的发展过程,再利用投入产出模型量化了由于产业间关联造成的间接经济损失。以位于广东省中山市和珠海市交界处的前山河流域为研究区,对50 a一遇设计暴雨情景下洪涝灾害造成的直接经济损失进行了动态评估,并量化了相应的产业关联经济损失。结果表明:洪涝灾害经济损失在不同行业的发展规律存在差异,积水量与积水深度最大的时刻并不一定是经济损失最大的时刻,间接经济损失在洪涝灾害损失中所占比例约为47%,部分行业间接经济损失甚至超过了直接经济损失,应该引起足够的重视。该研究可以丰富洪涝灾害损失评估方法,为防灾减灾的决策部署和灾后产业结构的调整提供技术支持。
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    隧道火灾全尺寸实验中温度测量误差  收藏
    陈俊沣, 程辉航, 魏旋, 温亲玮, 吴乐, 刘畅, 钟茂华
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1618-1625.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.003
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (12504KB)
    在某大断面公路隧道开展火灾全尺寸实验,评估实验中的温度测量误差。利用同一工况的多次重复实验获得了火灾场景下隧道内的温度分布,随后利用统计学方法量化评估了隧道不同区域、不同时间的纵断面温度数据的误差。结果表明:隧道火灾全尺寸实验中温度数据误差最大可达到±20℃,最大相对误差可达40%。自然风和火源功率波动是影响温度数据不确定性的2个重要因素,并直接导致了烟气前锋到达阶段和火源功率衰减阶段温度数据标准差的显著增大。火源的上下风向区域温度数据的标准差存在较大的差异。上风向烟气扩散容易受到风速波动干扰,温度数据相对误差可达到20%。研究结果可为隧道全尺寸实验数据准确度评估和误差分析提供支撑。
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    基于微博数据的自然灾害应急救助需求评估  收藏
    周义棋, 田向亮, 钟茂华
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1626-1635.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.046
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4669KB)
    结合实时更新的社交媒体数据进行应急救助需求分析,有助于提高灾害应急救助过程中的时效性和准确性。为掌握受灾区域的实际救灾需求,该文从应急救援及指挥保障需求、灾后紧急救援需求、基本生活保障需求和公共基础设施保障需求4个方面构建应急救助需求紧迫度分级评估指标体系,提出了基于组合赋权法和灰色改进逼近理想解排序法(TOPSIS)的受灾区域应急救助需求紧迫度分级评估模型。以台风"利奇马"为例,对受灾省份各地级市的应急救助具体需求进行评估,结合灾害损失数据验证了所提出的分级评估模型的有效性。
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    核能与新能源技术
    电容式棒位测量传感器的解析模型及验证  收藏
    李彦霖, 秦本科, 薄涵亮
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1636-1644.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.25.004
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (6542KB)
    针对两电极电容式棒位测量传感器,以有限元方法建立了该传感器的计算模型,开展了静态特性实验与模型验证,表明有限元模型计算结果与实验结果符合良好。以保角变换法和电容器的串并联积分计算方法为基础,建立了传感器内有/无被测杆的解析模型。通过添加修正因子对该解析模型进行了修正,利用计算模型对解析模型进行了分步验证。结果表明在该解析模型的适用范围内,解析模型与计算模型的整体误差小于8%。研究结果为电容式棒位测量传感器的理论分析和优化设计打下了基础。
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    流化床-化学气相沉积颗粒包覆过程数值模拟  收藏
    陈猛, 陈昭, 刘荣正, 刘兵, 邵友林, 唐亚平, 刘马林
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1645-1659.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.26
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (13339KB)
    利用流化床-化学气相沉积(fluidized bed-chemical vapor deposition, FB-CVD)技术制备包覆燃料颗粒是高温气冷堆燃料元件生产过程中的关键工艺之一,该文首先分析了FB-CVD颗粒包覆过程的特点,并综合流化床中的速度场、温度场、浓度场及CVD模型建立了CFD-DEM-CVD多物理场多尺度耦合模型用于颗粒包覆过程的研究。然后从多个方面优化包覆模型,分别提出了CRF模型用于模拟物质的分解和沉积过程, PBM模型用于求解沉积组分的尺径分布及IBP模型用于求解包覆颗粒密度的改变。将该文提出的包覆模型用于实际的案例计算发现,模拟结果和实验结果吻合较好,验证了模型的可靠性和准确性。该文建立的颗粒包覆模型可以作为一种基础理论模型拓展颗粒学学术研究范畴,还可用于颗粒包覆过程的研究,为实际的工业生产提供理论指导。
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    空间堆闭式Brayton循环回热器传热-阻力耦合特性  收藏
    马文魁, 杨小勇, 王捷
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1660-1667.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.042
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7713KB)
    空间堆Brayton循环动力系统具有能量密度高、寿命长、运行稳定等优点,能满足未来大功率航天器的电力需求。回热器通过回收涡轮排气废热减小堆芯吸热量,是提高闭式Brayton循环性能的关键设备。该文基于Reynolds比拟理论,建立回热器传热和压损关联的空间Brayton循环热力学模型,分析了回热度对循环性能和关键参数的影响,并优化得到了循环最佳方案。结果表明:回热器传热和压损存在内在联系,压损随回热度的增大而增大。当回热度较低时,循环电效率随回热度单调增加;当回热度增加至接近1,压损增加导致涡轮膨胀比下降。闭式Brayton循环电效率先增加后减小,存在最佳回热度0.954 8和最大循环电效率30.23%。分析了温比、压比、氦氙工质组分等参数对系统最佳回热度的影响机理。以循环电效率和比功为目标,优化得到循环的理论边界,最佳电效率方案电效率为 32.92%,最佳比功方案比功为 65.78 kJ·kg-1
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    HTR-PM600新燃料贮存容器跌落冲击安全性能  收藏
    郝予琛, 王金华, 王海涛, 刘兵, 李悦
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1668-1674.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.018
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (10408KB)
    贮存容器是核电厂燃料贮存系统的关键设备之一,在提升过程中可能因为机械故障直接跌落至地面导致容器受损与燃料泄露,因此新燃料贮存容器在设计阶段必须进行跌落安全测试。该文以HTR-PM600新燃料贮存容器为研究对象,采用FEM-DEM耦合方法模拟内部球床运动规律,计算燃料贮存容器在事故跌落工况下可能产生的最大破坏。计算结果表明:新燃料贮存容器在15 m竖直跌落工况下包容边界不会发生破损,楼板不会被穿透,该燃料容器结构设计满足安全要求;冲击载荷下球床压力使得薄壁容器侧板产生最大35.26 mm径向膨胀位移量;燃料元件与包容薄板最大瞬时相互作用力为6.295 kN,远小于燃料元件破坏强度。
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    AGR全堆芯石墨构件原位多维度损伤探查方法  收藏
    曾天辰, 孙跃文, 赵中玮, 丛鹏
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1675-1680.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.030
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4798KB)
    改进型气冷反应堆 (advanced gas-cooled reactor, AGR)作为二代堆型,在英国大量装备,目前已经进入设计寿期末期,能否顺利延寿,很大程度上取决于作为堆芯支撑和慢化作用的石墨构件的结构完整性。针对 "全堆芯石墨构件原位多维度损伤探查"这一技术挑战,该文采用迭代图像重建算法(simultaneous algebraic reconstruction technique, SART)对直线计算机断层成像(computed tomography, CT)检测方案进行模拟计算。基于已知的堆内环境和石墨构件的几何参数建立模型,探究了堆内背景辐射场对直线CT成像检测的影响,模拟了对石墨构件内部裂纹以及质量损失缺陷的检测和重建。估算结果证明该方案具备一定可行性,能为延长AGR堆延寿提供重要的参考数据。
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    石墨烯强化沸腾传热研究进展及应用综述  收藏
    黄潇立, 陈泽亮, 桂南, 宫厚军, 杨星团, 屠基元, 姜胜耀
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1681-1690.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.016
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (5640KB)
    石墨烯作为一种21世纪初发现的新材料,因其在多个领域拥有优异的性能,成为目前的研究热点之一。该文结合国内外相关文献,综述了目前石墨烯材料在强化沸腾换热领域的研究进展,重点介绍了石墨烯流体和石墨烯涂层相关的研究。目前的研究主要分为2类:石墨烯作为纳米颗粒强化基液的换热以及石墨烯作为附着层强化基材的换热。关于石墨烯是否有强化的能力及其强化程度的大小,研究结果总体上是正向的。该研究为后续石墨烯强化换热的相关研究提供借鉴。
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    基于生成对抗网络的车辆辐射图像复原方法  收藏
    冷智颖, 孙跃文, 童建民, 王振涛
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1691-1696.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.038
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (5396KB)
    在车辆辐射成像过程中,受到射线源的几何尺寸、探测器及信号放大电路响应时间、统计涨落等降质因素的影响,图像产生退化,表现为模糊与噪声增加。针对车辆辐射图像的退化问题,该文研究了辐射成像系统的退化模型,提出了利用生成对抗网络DeblurGAN的辐射图像复原方法。通过辐射图像的退化机制构造了辐射图像的特定数据集,用于训练DeblurGAN模型,利用训练好的模型去复原系统实际采集的车辆辐射图像。实验结果表明:该方法能够有效去除辐射图像的模糊与噪声,改善系统的成像质量。
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    基于仿生结构流场的质子交换膜燃料电池的性能  收藏
    王泽英, 陈涛, 张继伟, 陈金奇, 冯政恒
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1697-1705.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.009
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (8966KB)
    流场对于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的燃料分布及水管理具有重要影响。该文根据银杏叶叶脉结构在双极板上设计了一种仿生结构流场。采用计算流体动力学商业软件Fluent对其峰值功率密度及内部情况进行了模拟分析。比较了分别采用该仿生流场、平行流场及五蛇流场的PEMFC在峰值功率密度、内部质量传输及电流密度分布等方面的差异,结果表明:采用仿生流场的电池峰值功率密度比平行流场高28.85%,但比五蛇流场低4.36%。由于仿生流场具有更高的气体压力,其内部反应物分布及电流密度分布比平行流场更均匀。
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    电机工程
    变流式新能源机组的次/超同步振荡、小扰动同步稳定性与阻抗模型分析  收藏
    刘威, 谢小荣, 姜齐荣, 毛航银
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1706-1714.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.004
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (3472KB)
    变流式新能源机组并网后可能引发次/超同步振荡。随着运行工况、电网强度和变流器控制参数的变化,次/超同步振荡频率可能逐渐接近工频,变为小扰动同步失稳引发的功率低频振荡问题。该文首先比较了次/超同步振荡和小扰动同步失稳的基本特征,指出用于次/超同步振荡分析的阻抗模型方法同样可用于分析小扰动同步失稳问题。然后,通过数学推导证明了对于同一变流式新能源机组并网系统,基于锁相环(phase-locked loop, PLL)动态方程分析和基于频率耦合阻抗模型分析的等价性,进一步为阻抗模型方法分析小扰动同步稳定性奠定理论基础。最后,通过时域仿真验证了阻抗模型方法分析变流式新能源机组小扰动同步稳定性的准确性。
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    超导直流能源管道载流导体设计  收藏
    黄伟灿, 蒋晓华, 薛芃, 李欣阳, 沈稚栋, 孙宇光
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1715-1720.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.034
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4820KB)
    超导直流能源管道将高温超导直流输电技术和长距离液化天然气管道输送技术结合为一体,管道中流动的液化天然气起到超导电缆制冷剂的作用,能够大幅提高能量的输送密度和效率。为保证大容量超导输电系统在直流能源管道这种特殊运行工况下的安全可靠运行,有必要研究其中载流导体的设计方法。该文分析了能源管道运行温区中超导带材临界电流密度受磁场影响的衰减情况和铜支撑骨架在超导电缆短路失超中所起的作用。对±10 kV/1 kA双极同轴超导直流能源管道的载流导体进行了优化设计,得到单极电缆所需的超导带材最少数量为12根,铜支撑体最小截面积为1.48×10-4m2。通过有限元仿真,验证了超导能源管道中的载流导体优化方案在短路故障下的热稳定性。该载流导体设计方法对于不同电压电流等级和管道结构的超导直流能源管道设计也具有普适意义。
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    考虑频率安全约束的电力系统临界惯量计算  收藏
    易佩, 景志滨, 徐飞, 陈磊, 齐军, 姜希伟, 高旭泽
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1721-1729.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.013
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (5983KB)
    随着新能源大规模接入电网,电力系统惯量逐渐减小,系统频率安全受到严重威胁。该文采用"临界惯量"来量化发生临界故障后,为了维持系统稳定所需的最小惯量。首先,提出了一种解析化的频率安全计算方法,通过构造频差曲线,基于平均系统开环模型,给出了频率安全约束计算式。然后,基于频率安全约束、频率变化率(RoCoF)约束与机组调节功率约束,将系统临界惯量计算转化为优化问题的求解。最后,采用仿真系统验证了该临界惯量计算方法的有效性与准确性。仿真结果表明:机组可调节功率范围越大,临界惯量越小,因此通过增大机组备用容量可以减小系统临界惯量。
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    生物医学
    基于机器学习和瞳孔响应的简易高性能自闭症分类模型  收藏
    刘强墨, 何旭, 周佰顺, 吴昊霖, 张弛, 秦羽, 沈晓梅, 高小榕
    清华大学学报(自然科学版). 2022, 62 (10): 1730-1738.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.26.030
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (7396KB)
    自闭症(autism spectrum disorder, ASD)的早期诊断对自闭症的康复至关重要。近年来,利用机器学习和眼动追踪技术对儿童进行早期自闭症诊断已成为自闭症领域的研究热点。该文在前人工作的基础上,提出了一种基于相对瞳孔响应的眼动数据预处理和瞳孔响应特征提取方法,并使用朴素Bayes算法构建了自闭症分类模型。在现有3~6岁的25名ASD儿童和50名典型发育(typical development, TD)儿童的眼动数据集Autism Detection Dataset上进行了验证,发现了自闭症儿童异常的瞳孔响应。实验结果表明:该文提出的方法在深入挖掘瞳孔特征并仅使用瞳孔特征建模的同时,实现了90.67%的平均分类准确率与92.24%的平均AUC值,优于前人同时使用瞳孔特征、注视行为特征来建模实现的82.2%的平均准确率的结果和同时使用注视行为特征、运动学特征来建模实现的78%的平均准确率的结果,兼具简易和高性能的优点。这不仅证明了该方法的有效性,还提高了基于机器学习和眼动追踪的这类自闭症早期辅助诊断系统真正应用到临床的可行性。
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