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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)
      2023年, 第63卷, 第1期 上一期    下一期
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    碳中和
    碳中和愿景下能源政策的结构表征与优化路径  收藏
    唐云霓, 闫如雪, 周艳玲
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 1-14.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.036
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (6248KB)
    碳中和愿景对能源结构转型提出更高和更迫切的要求,能源结构优化转型是达成碳中和目标的重要条件和关键举措。系统梳理碳中和愿景提出以来中国发布的能源政策,选取122份中国碳中和愿景下能源政策作为样本,分析政策主体特征、政策工具选择偏好、政策主题内容等政策结构逻辑,探究政策文本形式特征,把握当前能源结构转型政策着力点。中国能源政策存在较大的优化空间,未来能源政策应注重提升政策主体的协同与联动,增强政策内容的衔接与细化下沉,强化政策工具的组合与均衡运用,建立跨部门、跨地区的能源结构优化机制,充分发挥多元政策工具的组合效应。
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    寒冷地区住宅建材生产阶段碳排放预测模型  收藏
    刘依明, 刘念雄, 许沛琪
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 15-23.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.044
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (11566KB)
    面向中国碳中和目标,为在住宅建设领域实现碳减排,针对寒冷地区住宅建立建材生产阶段碳排放预测模型。该文详细说明了住宅建材生产阶段碳排放计算边界、内容和方法,并以寒冷地区17栋住宅楼的建材碳排放数据为基础,分析建材生产阶段碳排放组成和分布特征,采用线性回归与岭回归方法,建立住宅空间、形体设计参数与建材碳排放量的耦合关系,建立和验证了10种基于住宅设计参数的建材生产阶段碳排放预测模型。结果表明:基于建筑层数、标准层面宽和进深、标准层主要功能房间数的岭回归预测模型,与其他模型相比,拟合效果较好,预测误差较低。
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    碘硫循环制氢中硫酸分解的全过程模拟方法  收藏
    高群翔, 孙琦, 彭威, 张平, 赵钢
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 24-32.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.037
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4786KB)
    碘硫循环制氢是高温气冷堆的工艺热利用的重要途径,可实现大规模、近零碳排放制氢,契合中国的双碳战略目标。碘硫循环工艺中的硫酸分解环节涉及复杂的物理化学过程,且需要在高温和腐蚀环境下进行,保障该环节的分解效率对提高工艺整体制氢效率十分关键,因此建立硫酸分解全过程的耦合计算模型对研究硫酸分解率具有重要意义。本文建立了硫酸相变与两步分解反应的耦合模型,采用数值计算的方法对碘硫循环制氢中硫酸分解的全过程进行模拟,并重点分析了刺刀管式换热器内的催化剂颗粒尺寸对分解率的影响。结果表明,刺刀管式换热器内部的催化反应区域温度满足硫酸核心反应需求,内外管的明显温差促进了热量回收。硫酸相变过程虽较为短暂,但可以强化局部换热,此外两相段长度随流量增大而增大。硫酸的第1步分解与相变几乎同步进行,反应较为彻底,转化率较高。硫酸的第2步分解贯穿催化反应区域全程,该区域前半段的转化率较高。研究结果还表明,催化剂颗粒比表面积较大时,硫酸的综合分解率明显提升,最高可达85%左右。
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    机械工程
    基于密度聚类的磁悬浮平面电机模态参数估计  收藏
    孙浩博, 杨开明, 朱煜, 鲁森
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 33-43.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.027
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (14745KB)
    磁悬浮平面电机的高加减速运动需要轻量化设计,但轻量化设计也会导致磁悬浮平面电机出现不可接受的振动。对磁悬浮平面电机模态参数的准确估计是抑制振动的关键环节。该文提出了一种基于密度聚类的模态参数估计方法。首先利用两步迭代的系统辨识算法,得到系统的参数化频率响应函数;然后利用基于密度的有噪声空间聚类(DBSCAN)算法对系统进行模态分析,去除不稳定的数学模态点,并对物理模态点进行基于正态分布的离群点剔除,以获取最终的模态参数。仿真和试验表明,所提方法可以实现系统模态参数的准确估计。
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    基于全反射光学图像的结合面模型  收藏
    罗治军, 阎绍泽
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 44-51.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.030
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (8393KB)
    机械结构结合面的接触特性对刚度、阻尼等动态特性都有非常重要的影响。至今,已有许多结合面模型被提出,但仍存在理论上的争议,有的甚至存在完全相反的物理解释。该文采用全反射方法,利用图像处理技术,对聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)结合面接触斑点在正压力作用下的演化过程进行研究。研究表明接触斑点在法向力作用下变化规律呈现3个阶段,1阶段为轻载下的线性增长区,2、3阶段为重载下的非线性增长区。轻载状态下,接触斑点数目及接触面积变化规律与GW (Greenwood&Williamson)模型给出的物理解释一致,与MB (Majumdar&Bhushan)模型相差较大。重载状态下,GW模型、MB模型都不能给出有效的物理解释。重载下的基体变形会导致接真实触面积下降,若能有效模拟基体变形造成的影响,将可获得更准确的接触模型。
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    液体静压导轨油膜结合面误差对导轨几何误差的影响机制  收藏
    张云, 曹聪, 姜忠, 王立平
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 52-61.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.035
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (8630KB)
    液体静压导轨是超精密车床的主要核心部件,其几何误差对超精密车床的加工精度起着至关重要的作用。制造装配误差以及变形误差是影响液体静压导轨几何误差的主要因素。为了提高液体静压导轨几何误差和精度保持性,该文建立液体静压导轨流固耦合仿真模型和螺栓预紧力学模型,分别讨论油压等因素作用下的静压导轨变形和螺栓预紧变形规律,提出表征制造装配误差的数学模型,建立油膜均化作用下的变形误差传递模型,分析导轨压板油膜结合面误差(即压力油膜所支承的结构表面误差)对工作台几何误差的影响机制。研究表明:液体静压导轨压力油膜的误差均化作用使得其几何误差远低于自身零部件面形误差,但压力油膜并不能完全均化油膜结合面上的误差;结合面误差增加的同时,其油膜均化能力逐渐减弱;此外,液体静压导轨直线度误差对油膜结合面误差幅值更为敏感,而角度误差受结合面误差函数的波长和相位差的影响更为明显。实验测量的导轨几何误差与模型预测结果一致。该研究为超精密车床的液体静压导轨制造、装备工艺提供了有益参考。
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    面向水下定点探测的水下滑翔机控制参数优化  收藏
    吴青建, 吴宏宇, 江智宏, 杨运强, 阎绍泽, 谭莉杰
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 62-70.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.032
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (5374KB)
    水下滑翔机依靠净浮力和姿态调节即可实现空间运动,是一种新兴的海洋探测机器人。该文面向水下定点探测任务,开展滑翔机控制参数优化方法的研究。首先,以典型水下滑翔机为研究对象,建立了整机动力学模型,同时建立了滑翔机下潜运动的能耗模型。在此基础上,利用动力学仿真获取样本点,采用四阶多项式建立了以控制参数为输入,以滑翔机到达目标深度的能耗、运动时间和水平位移为输出的代理模型。之后,将控制参数作为优化设计变量,以最小化能耗和运动时间为优化目标,利用水平位移构造约束条件,建立优化数学模型。采用代理模型参与优化迭代计算,确保优化计算效率。最后,利用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)求解上述优化问题,得到控制参数的Pareto最优解集。数值算例证明了所提出方法的正确性,可用于指导实际探测任务的控制参数配置。
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    盾构主驱动密封性能流固耦合仿真  收藏
    项冲, 龙伟漾, 郭飞, 张新异, 蒋杰
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 71-77.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.26.043
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (6647KB)
    该文针对盾构主驱动密封唇口开启,通过反向介质流动实现密封效果的特殊工作原理,建立了一种流固耦合(fluid-structure interaction,FSI)计算方法。该方法基于固体力学有限元计算方法及计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD),通过互相传输变形、压力数据,解决了传统双向FSI在材料超弹性特性、两相流和非Newton流体等复杂计算条件下的不收敛问题,并通过试验验证了该方法的有效性。计算结果表明:初始密封间隙较大时,由于第2道腔室(P2)内油脂压降较大,不会产生回流现象;主驱动密封在设计参数下随着流动逐渐达到稳态且唇形密封不再产生变形时,第1道腔室(P1)油脂有向P2回流的趋势,但是最终不产生回流现象,这对密封失效分析具有重要指导意义。该FSI模型及结论为主驱动密封的密封结构性能研究提供了理论基础。
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    电机工程
    变流器组网多时间尺度特性及其模型分细度仿真应用  收藏
    张树卿, 唐绍普, 于思奇, 卢洵, 张东辉
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 78-93.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.031
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (11210KB)
    多变流器并网、组网运行和控制涉及宽时间尺度过程,新形态的动态和稳定问题也随之出现,仿真技术常被用于上述问题的研究。然而不同细度模型的功能、性能和适应性存在差异,仿真前应根据需要研究或体现的物理过程或现象评估被仿真过程蕴含的时间尺度,并选用合适细度的模型。该文总结、评述了含多变流器电网仿真技术研究、应用现状和发展趋势,以常规多电平电压源变流器(VSC)和模块化多电平变流器(MMC)为例,分析变流器组网与控制共性特征,基于主电路和控制各环节响应时间特性,分析变流器组网多时间尺度动态特性及时间尺度划分,讨论变流器模型细度与仿真需求、主导物理过程时间尺度匹配问题,总结4种常见细度变流器模型的适应性及其在电力系统场景下的应用,并以仿真测试验证了变流器组网时间尺度分析的正确性,直观给出了不同细度模型和仿真的适应性。
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    基于DSIM仿真的多端口电力电子变压器损耗分析  收藏
    樊志强, 赵争鸣, 施博辰, 虞竹珺, 郑嘉霖
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 94-103.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.041
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (5016KB)
    多端口电力电子变压器正成为新一代电网的关键设备,但其损耗建模和解算非常困难。DSIM软件适用于复杂结构电力电子变换器仿真解算,尤其是电力电子变压器。针对多端口电力电子变压器,该文进行了比较全面的损耗分析,并且例证了DSIM软件在复杂电力电子变换器系统损耗分析方面的有效性。建立了电力电子变压器损耗模型,通过仿真和实验验证了所提出的模型的准确性和有效性。结果表明:单台电力电子变压器具有最优效率点;对于两台电力电子变压器集群运行,轻载时只运行单台电力电子变压器效率最优,重载时两台电力电子变压器同时运行效率最优。该文对损耗模型的分析,可以为电力电子变压器运行效率优化提供参考。
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    核能与新能源工程
    含分布式内热源复合平板等效导热系数模型  收藏
    刘子平, 孙俊
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 104-113.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.26.042
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (1502KB)
    复合材料广泛应用于能源工业等诸多领域,其等效导热系数是预测复合材料温度分布的关键参数。现有复合材料等效导热系数模型的分析对象大多不含内热源,对于核反应堆燃料等含分布式内热源复合材料的等效导热系数的研究还不够深入。该文针对含分布式内热源两相复合平板的导热问题,推导了预测其平均温度的等效导热系数理论模型,通过与无内热源情况对比,分析了内热源分布等因素的影响规律。将内热源随机分布对平均温度的影响分解为均匀分布加扰动的形式,分析了内热源偏离均匀分布时对等效导热系数的影响。结果表明:在一定条件下(如内热源分布较分散),内热源非均匀分布对平均温度的影响较小。研究结果可为今后研究核反应堆燃料的等效导热系数奠定基础。
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    兆伏级串级自触发开关脉冲击穿特性影响机制及优化  收藏
    王天驰, 谢霖燊, 李俊娜, 杨友恒, 黄涛, 陈志强, 郭帆, 杜应超, 陈伟
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 114-124.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.034
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (5579KB)
    大型脉冲功率装置中使用的兆伏级开关常采用串级结构以提高工作电压并保证开关电场的均匀性。在脉冲电压上升速率固定且单级开关击穿概率服从Weibull分布前提下,推导了串级开关击穿概率分布模型,并分析了3级串级开关击穿特性的影响机制。在能保证各单级开关击穿特性一致性较好的条件下,触发3级开关时,后击穿的2级在高过压下击穿,每级开关的平均击穿电压降低,开关整体击穿时延抖动与单级触发开关相当;触发1级开关时,大概率是触发级先击穿、2个自击穿级在高过压下击穿,开关整体抖动远小于自击穿抖动,每级开关的平均击穿电压比触发3级时更高,但由于自击穿级仍有小概率先击穿,开关整体抖动约为触发3级时的2倍。在前沿约300 ns的脉冲电压下实验研究了串级开关的击穿特性,其中单级开关采用自触发持续预电离方式以保证特性的一致性。结果表明,开关工作电压0.8~2.0 MV范围内,触发1级时,时延抖动2.9~7.7 ns、电压分散性0.51%~2.21%,触发3级时,时延抖动2.3~3.6 ns、电压分散性0.59%~0.91%,验证了模型分析所得的规律,且实现了对原有串级开关击穿特性的优化。此外,由于0.3 MPa以上高气压时开关的自击穿状态更稳定,触发1级与触发3级时开关整体抖动基本相当。
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    水利水电工程
    中高水头水电站水轮机导叶关闭规律鲁棒性综合评价  收藏
    李火坤, 万子豪, 黄伟, 曾敏, 方静, 谢杰
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 125-133.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.033
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (2433KB)
    水电站的导叶关闭规律影响水力瞬变过程,应具有良好的鲁棒性能。本文运用罚函数和权函数从蜗壳水压最大上升率、尾水管最大真空度、机组转速最大上升率等3个方面对水轮机大波动过渡过程评价指标进行分析,构建了导叶关闭规律鲁棒性的综合评价方法。采用正交试验法,评估了中高水头水电站不同拐点时间、拐点开度和导叶有效关闭时间对这3个调节保证参数的影响。结果表明:导叶有效关闭时间对调节保证参数的影响相对较小,而拐点开度和拐点时间显著影响水锤压强和机组转速之间的平衡。导叶关闭规律的综合评价结果不仅可使各调保参数具有足够的安全裕度,而且具备良好的鲁棒性,可为中高水头水电站导叶关闭规律的合理选择提供参考。
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    基于多源国产高分辨率遥感影像的山区河流信息自动提取  收藏
    薛源, 覃超, 吴保生, 李丹, 傅旭东
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 134-145.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.22.043
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (15407KB)
    高分辨率遥感影像地理信息是研究山区河流的重要数据源。针对山区地物类型复杂、河道狭窄等原因导致的河流表面信息提取完整性差、河宽难以自动提取且精度低等问题,结合随机森林(RF)和神经网络(ANN)算法,建立了河流表面信息提取方法RF-ANN。该方法支持并行运算且能降低热红外数据尺度辅助去噪,实现了对河流表面信息的像素级提取。利用Laplace算子及边缘算法改进了RivWidthCloud河宽提取算法,使其不需要人工设定判别阈值,提升了算法的普适性。以国产GF-1、ZY-3卫星影像为主要数据源,选取黄河一级支流皇甫川为研究区域。利用所建立的方法提取了皇甫川流域2级及以上河流的河流表面信息和平滩河宽。结果表明: RF-ANN的河流表面信息提取精度达到94.7%。提取河宽的平均误差为1.07 m (约0.5个像素),提取的最小有效河宽为6.1 m (约3个像素),提取河宽与检验河宽的R2和RMSE分别为0.93和1.52,宽度小于10 m极细河流、10~30 m细小河流、30~90 m较细河流及90 m以上较宽河流的河宽提取误差分别为18.5%、8.8%、2.0%和0.7%。该研究结果为山区河流几何形态特征提取及河流地貌空间分布研究提供了方法和数据支持。
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    公共安全
    基于级联CNN的疏散场景中人群数量估计模型  收藏
    邓青, 张博, 李宜豪, 周亮, 周正青, 蒋慧灵, 高扬
    清华大学学报(自然科学版). 2023, 63 (1): 146-152.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2022.21.029
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (8355KB)
    对疏散场景中的人员数量进行准确估计,能为疏散路径的实时优化和应急资源的调度提供决策支持。为了获取疏散通道上不同区域的人员数量,该文在对已有方法分析和总结的基础上,通过设置分类情况和人员密度层级相联,建立了基于级联卷积神经网络(CNN)的人员数量估计模型,可有效避免卷积过程中部分图像信息丢失及过拟合的产生。通过学习图像中人员数量、位置随着图像特征变化的关系,可估计疏散通道上实时监控画面中人员数量。基于PyTorch深度学习平台开发,模型最终在验证集(612张图像)和测试集(182张图像)上的识别准确度分别为84.2%和83.6%,说明该模型可以比较准确地估计监控画面中的疏散人员数量。
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