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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)
      2024年, 第64卷, 第1期 上一期    下一期
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    大数据
    基于注意力机制的两阶段融合多视图图聚类  收藏
    赵兴旺, 侯哲栋, 姚凯旋, 梁吉业
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 1-12.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.001
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (8474KB)
    多视图图聚类旨在挖掘多视图图数据中蕴含的簇结构,近年来得到了研究者的广泛研究。然而,现有大多数方法在不同视图信息的融合过程中同等对待各个视图,未能根据视图质量分配相应权重,而且处理具有属性和图的数据时面临一定困难。该文提出了一种基于注意力机制的两阶段融合多视图图聚类算法。首先,应用图滤波器过滤高频噪声,各个视图获得更适用于下游聚类任务的节点平滑表示;其次,基于注意力机制融合各个视图特征滤波后的平滑表示,并为拓扑融合阶段提供初始化权重;然后,在拓扑融合阶段,将不同视图加权融合的Laplace矩阵与融合的特征表示输入编码器得到嵌入表示,并构造优化函数对权重和嵌入表示进行优化,可以为质量较好的视图分配较大权重,同时产生更加紧凑的嵌入表示;最后,通过对嵌入表示执行谱聚类得到最终的聚类结果。将该算法和已有的相关聚类算法在真实数据集上进行了实验分析。结果表明,相比已有算法,所提出的算法在处理多视图图数据方面更加有效。
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    基于节点特征对抗性攻击的图对比学习鲁棒性验证  收藏
    邢宇杰, 王啸, 石川, 黄海, 崔鹏
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 13-24.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.002
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (4793KB)
    最近的许多工作已经表明图神经网络在面对图结构扰动以及节点特征扰动的对抗攻击时表现出非鲁棒性,其预测结果可能是不可靠的,图对比学习方法中也存在这一问题。然而已有的鲁棒性测度方法通常与攻击算法、数据标签以及下游任务相关,这些在自监督设置下图对比学习的鲁棒性测度中是应当尽量避免的。该文提出了基于节点特征对抗性攻击的图对比学习鲁棒性验证算法,来验证节点特征扰动下的图卷积网络的鲁棒性。考虑到图对比学习模型中正负例对的特性,将图对比学习鲁棒性验证问题定义为对抗样本与目标节点及其负例之间相似度比较的问题,并将该问题形式化建模为一个动态规划问题,从而解决了对攻击算法、数据标签以及下游任务的依赖问题。为了求解该动态规划问题,针对图数据通常采用的二元特征,设计了相应的扰动空间;考虑到图对比学习中负例样本空间过大的挑战,设计了负例样本采样策略来提升求解问题的效率;由于二元离散特征和非线性激活函数使得动态规划问题难于求解,对它们分别采用放松到连续数据域和非线性激活放松的方式,并采用寻找对偶问题的方式进一步提高求解效率。通过充分的实验说明了所提出的图对比学习鲁棒性验证算法的有效性;同时验证了针对特定攻击算法设计的图对比学习模型的鲁棒性不具有可泛化性,面对其他的攻击算法可能表现得更加脆弱;还通过参数实验说明了设计的负例样本采样策略是合理的。
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    车辆与交通
    内悬置电动轮的柔性联轴器动力学性能分析  收藏
    罗荣康, 俞志豪, 吴佩宝, 侯之超
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 25-32.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.22.038
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (5739KB)
    内悬置电动轮构型可延长电机使用寿命,缓解簧下质量过大造成的舒适性问题。由于轮内空间有限,用于动力传递的柔性联轴器结构和性能直接决定内悬置电动轮的性能。该文提出了一种面向内悬置电动轮的柔性联轴器。该联轴器是由多个连接臂组成的平面并联机构,每个连接臂由2个平行四边形机构串联而成。建立了该联轴器机构的运动学和动力学模型,给出了偏心度、连杆静载荷及动载荷的计算方法。结合一组结构参数,对联轴器的偏心度、连杆静载荷及动载荷进行了定量分析。结果表明:该联轴器允许传动系统在动力传动过程中沿垂向跳动,具有等速传动、占用轴向空间小、偏心行程大以及动载荷小等特点。该联轴器可望推进内悬置电动轮的工程化研发。
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    考虑系统变形的驱动桥准双曲面齿轮啮合效率计算方法  收藏
    王钦, 贺迪, 桂良进, 胡智宇, 彭金, 范子杰
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 33-43.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.21.020
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (10533KB)
    准双曲面齿轮是驱动桥系统的关键零部件之一,常在高速重载工况下工作。由于系统变形大且齿面啮合状态复杂,重载工况下会引起齿面载荷的显著偏载。因此,考虑系统变形对准双曲面齿轮啮合性能的影响具有重要意义。该文针对复杂工况下的驱动桥准双曲面齿轮,提出了考虑系统变形的齿轮啮合效率计算方法。首先,将驱动桥系统简化为多支撑轴系耦合模型,计算不同载荷工况下系统变形引起的齿轮啮合错位量。然后,基于齿轮机床加工参数计算实际齿面,并采用齿轮摩擦加载接触分析(frictional loaded tooth contact analysis,FLTCA)方法求解得到实际运行工况下齿面载荷分布与啮合效率。最后,通过驱动桥台架试验对比不同工况下齿轮副齿面载荷分布和啮合效率。试验结果表明:系统变形对准双曲面齿轮齿面载荷分布具有不可忽略的影响。同时,该试验验证了驱动桥准双曲面齿轮啮合效率计算方法的有效性。
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    基于轻量型空间特征编码网络的驾驶人注视区域估计算法  收藏
    张名芳, 李桂林, 吴初娜, 王力, 佟良昊
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 44-54.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.045
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (8115KB)
    实时监测驾驶人注视区有助于人机共驾汽车理解并判断驾驶人的意图。针对车载环境下算法精度和实时性难以平衡的问题,提出了一种基于轻量型空间特征编码网络(lightweight spatial feature encoding network,LSFENet)的驾驶人注视区估计算法。通过人脸对齐和眼镜移除步骤对采集的驾驶人上半身图像序列进行预处理,得到左右眼图像和人脸关键点坐标;在MobileNetV2的基础上构建基于GCSbottleneck模块的LSFENet特征提取网络,集成注意力机制模块增强关键特征权重,生成左右两眼特征;利用Kronecker积融合眼部与人脸关键点特征,将连续帧图像融合后的特征输入循环神经网络中,得到该图像序列的注视区域估计结果;利用公开数据集和自制数据集对新算法进行测试。实验结果表明: LSFENet算法的注视区估计准确率可达97.08%,每秒能检测约103帧图像,满足车载环境下运算效率和精度需求;LSFENet算法对注视区1、2、3、4、9的估计准确率均在85%以上,且对不同光照条件和眼镜遮挡情况均具有较强的适应能力。研究结果对驾驶人视觉分心状态识别具有重要意义。
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    基于多元自适应回归样条的汇合决策行为模型  收藏
    李根, 翟伟, 黄海博, 任皎龙, 王登忠, 邬岚
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 55-62.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.21.019
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (2764KB)
    为研究高速公路车辆汇合决策行为,采用一种非参数回归模型——多元自适应回归样条(multiple adaptive regression splines,MARS)模型建立了汇合决策行为模型。同时,采用美国下一代仿真(next generation simulation,NGSIM)项目中搜集的车辆轨迹数据US-101数据集,提取了速度差、纵向间距、横向位置和车线碰撞时间等参数作为影响变量,进行训练和预测,并与分类回归树、梯度提升决策树、随机森林、逻辑回归等模型进行对比。研究结果表明:汇合车辆与主线车道前车之间的速度差对汇合决策行为影响最大;MARS模型和梯度提升决策树模型对汇合决策行为的预测错误率分别低至0.141和0.138,准确性略高于分类回归树、随机森林和逻辑回归模型,但MARS模型的复杂度远低于梯度提升决策树模型,且能够生成显性表达式,反映影响变量之间的交互作用,利于工程应用。MARS模型能够准确预测汇合决策行为,可用于车辆辅助驾驶及自动驾驶系统。
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    动力与能源
    航空煤油多液滴蒸发特性实验  收藏
    王方, 韩琪炜, 李典望, 金捷
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 63-74.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.048
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (8394KB)
    燃烧室中燃料经喷油嘴或甩油盘等装置破碎、雾化成含有密集微小液滴的液滴群,液滴群在燃烧室的高温对流环境中先蒸发,而后与高压空气混合燃烧。该文开展了多液滴蒸发实验,旨在解决以往研究中以单液滴蒸发代替实际工况中液滴群蒸发产生的忽略液滴间相互作用的问题,为多液滴蒸发数值模拟理论提供实验数据支撑。该研究使用高速摄影机拍摄石英纤维悬挂的航空煤油液滴在高温400、500和600℃静止工况下蒸发的过程,并处理特定帧数的图片得到液滴蒸发特性曲线;多液滴蒸发实验中选择的液滴间距范围为1~4倍液滴直径。结果表明:多液滴的平均蒸发速率随着液滴间距的增大而增大,最终趋近于单液滴的平均蒸发速率,且近似成指数规律;液滴间距超过临界间距时,双液滴可看作2个独立的单液滴,此时的平均蒸发速率与单液滴平均蒸发速率基本没有区别;当2个液滴足够接近时,双液滴的平均蒸发速率降到单液滴的80%~90%。随着温度升高,液滴之间的影响距离会增大。该文得到了双液滴和三液滴蒸发的实验数据,以及双液滴关于液滴间距和温度的经验公式,实验结果与理论分析结论相吻合,为多液滴蒸发模型提供了实验数据支撑和理论创新依据。
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    船用螺旋桨水动力、空化和低噪声集成设计  收藏
    杨琼方, 黄修长, 李晔
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 75-89.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.043
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (13271KB)
    该文以开源软件OpenProp为基础,集成螺旋桨无空化噪声理论公式、空化噪声估算经验公式和新Burrill图谱,构建了船用桨水动力、空化和低噪声集成设计软件OpenProp+。OpenProp+的核心功能包括:完成桨叶几何设计并可信预报敞水性能曲线;判断桨叶有无空化产生,量化并确定空化范围,输出无空化工况的声压谱源级与中纵剖面声指向性图,估算空化噪声谱源级。当设计桨叶时,先确定相对最优的叶片数、直径和转速等总体参数,再优选叶型参数,设计考虑具体包括确定弦长分布规律、应用大侧斜设计要素、适当增加0.70R~0.95R(R为桨叶半径)叶截面最大厚度。桨叶最佳侧斜角临界值位于侧斜度50.0%~70.0%,设计初值可取60.0%。OpenProp+一体化设计效果由低噪声5叶桨设计给予检验,反馈良好,可直接服务于船用桨工程设计。
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    进气畸变对重型燃气轮机燃压缸流动特性影响  收藏
    石云姣, 赵宁波, 郑洪涛
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 90-98.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.037
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (12798KB)
    针对重型燃气轮机的压气机和燃烧室匹配中存在的燃压缸进气流场畸变问题,采用数值模拟方法对燃压缸在不同进口畸变模式、畸变位置和畸变度条件下的流动特性和性能变化规律进行分析。结果表明:进气畸变模式中的周向畸变相比径向畸变会明显削弱燃压缸的整流效果,导致总压损失和畸变度升高;随着径向畸变速度峰值出现位置下移,进口段的气流分离位置后移,出口截面下侧来流高速区面积和速度峰值增加;同种畸变模式下,进口畸变度的增加对流场分布特性影响较小,但会增加总压损失和出口截面畸变度。
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    中心分级燃烧器流-热-声动态特性实验研究  收藏
    金明, 陆羽笛, 李原森, 柳伟杰, 葛冰, 臧述升
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 99-108.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.21.017
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (14544KB)
    通过高频粒子图像测速法(particle image velocimetry,PIV)及高速相机、压力传感器、光电倍增管等,研究中心分级燃烧器流-热-声动态特性,揭示了中心分级燃烧器单级旋流和中心分级火焰的流动及热声稳定性的变化规律。结果表明:主燃级为旋流火焰时,预燃级的旋流空气会破坏流场中的回流区,加剧主燃级火焰的不稳定性,而预燃级为旋流火焰时可将主燃级火焰的脉动压力幅值降低76.8%;燃烧热负荷增大导致气流加速膨胀,诱发射流剪切层产生更高强度的旋涡,预燃级与主燃级火焰相互干涉可加速旋涡的耗散,改变了旋涡的脱落频率;与单级旋流火焰相比,主燃级和预燃级火焰干涉区的火焰脉动最剧烈,且主燃级射流外剪切层的大尺度旋涡加剧了主燃级火焰的脉动。
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    机械工程
    面向智能制造的微服务聚类与选择方法  收藏
    王立平, 史慧杰, 王冬
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 109-116.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.21.023
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (2244KB)
    智能制造要求工业软件能够实现敏捷开发,对工业软件应用微服务架构是当下重要的研究方向。为了提高开发效率,需要将微服务形式的功能组件发布在互联网中并构建微服务库进行管理,供用户根据需求挑选。面对用户日益复杂的业务需求,需要微服务库能够将其所包含的大量微服务进行组合来拓展所能实现的功能。针对服务组合过程中的检索和选择2个环节,分别设计了基于微服务的功能需求与非功能需求的服务聚类和服务选择算法,在微服务库中选出最优的微服务组合提供给客户。实验结果表明,所提出的聚类与组合方法取得了良好的效果,提高了用户的满意度并实现了微服务的高效利用。
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    单舵轮AGV叉车的激光雷达定位与路径跟踪  收藏
    姚铭, 段金昊, 邵珠峰, 苑韶伦, 苏云州
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 117-129.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.21.022
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (9753KB)
    自动引导车(automated guided vehicle,AGV)叉车是工业领域重要的物料运输装备,其定位精度和路径跟踪精度是提高物料运输效率、工厂自动化及智能化水平的重要基础。该文以医药行业室内结构化环境下的单舵轮AGV叉车为对象,利用基于密度的有噪声空间聚类(density-based spatial clustering of applications with noise,DBSCAN)算法和快速迭代最近点(fast iterative closest point,FICP)算法实现了基于反光柱的激光雷达导航定位,并提出了基于距离的异常点剔除规则,保证定位结果的稳定性及算法的鲁棒性。利用Kalman滤波算法,融合激光雷达、角度传感器和惯性测量单元(inertial measurement unit,IMU)的定位数据,提升了定位精度。对于AGV叉车的路径跟踪问题,建立了比例积分(proportional-integral,PI)控制器,设计了基于三阶Bézier曲线的圆弧路径,并对Bézier曲线的参数进行了优化,避免了曲率突变,提高了路径跟踪精度。实验结果表明,基于DBSCAN和FICP算法的激光雷达定位算法能够实现±3 mm的定位精度,实现了AGV叉车的准确定位;基于Bézier曲线改进后的圆弧路径跟踪误差降低了72%,直线和圆弧路径动态跟踪精度控制在25 mm以内,工作站点的重复定位精度达±12 mm,达到了预期设计要求。
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    电子工程
    数据采集终端用分布式印制差分低通滤波器  收藏
    刘金全, 王骞, 许剑, 胡强, 曾庆, 巨乾宇
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 130-134.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.21.018
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (3391KB)
    为解决高速数据采集终端的抗干扰问题,该文基于阶梯阻抗谐振器,提出了一种分布式印制差分低通滤波器,其中高阻抗传输线利用松耦合的差分线对实现,低阻抗传输线利用紧耦合的差分线对实现。为减小滤波器尺寸,高低阻抗传输线均以折叠线形式实现。作为示例,采用分布式印制方法,利用FR4三层印制电路板设计了低成本的差分低通滤波器,截止频率为3.5 GHz,可有效覆盖高速数据采集终端的工作频率。该差分低通滤波器可应用于高速数据采集终端,解决高速采集和无线互联之间的互扰问题。
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    条形状精细纹理的触觉感知深度识别阈值  收藏
    张守胜, 庄滕飞, 方星星, 朱华, 唐玮
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 135-145.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.22.033
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (11894KB)
    触觉对人类感知外部世界起着重要作用,但是由于触觉机制复杂、涉及的感知单元众多,因此人类对触觉的认识依然有限。该文利用认知行为学、摩擦学和脑电图法基于皮肤的“感”和大脑的“知”系统研究了条形状精细纹理触觉感知深度识别阈值涉及的摩擦振动特征和大脑触感激活反应,通过单通道触感神经元群模型初步验证了纹理刺激强度和神经元兴奋性对触觉感知的影响。结果显示:随着纹理深度的增大,手指触摸的形变摩擦比例增大,人对纹理的主观感知增加,纹理识别正确率提高,人的平均触觉感知深度识别阈值为11.60 μm;纹理深度与载荷指数、振动信号最大幅值、递归参数熵、最长竖直线段长度、脑电(EEG)信号P300成分幅值的峰值均呈显著正相关关系,与P300成分的潜伏期呈显著负相关关系;当纹理深度超过触觉感知深度识别阈值后,触摸振动信号的频谱幅值和非线性特征参数显著增大,振动信号主频增大到Pacini小体的最佳感知频率范围,振动信号系统从稳态模式转变为突变模式,大脑脑区的激活强度和面积增大,大脑的神经元活动以及大脑对触感信息的加工强度显著增强,触觉识别速度显著提高;单通道触感神经元群模型可有效模拟真实脑电信号,神经元群的兴奋度越高,触感越强,则脑电信号的频谱主频越小、幅值越大。
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    工程物理
    高纯锗探测器制作和运输中产生的宇生放射性核素  收藏
    张秋丽, 张鹏, 景明坤, 曾志, 马豪
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 146-154.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.22.025
    摘要 ( 1 )   HTML    PDF (5031KB)
    暗物质探测和寻找无中微子双β衰变(0υββ)等稀有事例实验是当前重要的基础前沿课题。高纯锗(HPGe)探测器具有极低本底,成为开展此类研究的重要设备。然而,探测器在制作和运输过程中会被宇宙射线活化,产生的长寿命宇生放射性核素对本底有长期贡献,会严重影响稀有事例实验的探测灵敏度。该文研究了一个新定制的高纯锗探测器在生产和运输中产生的宇生核素。该探测器在制作完成后立即运送到中国锦屏地下实验室(CJPL),而后在不同时间测量该探测器在屏蔽条件下的本底能谱。利用GEANT4 Monte Carlo程序模拟锗晶体内、外宇生核素的衰变能谱并计算了宇生核素的探测效率,最终通过能谱分析得到宇生核素的比活度,即锗晶体中57Co: 0.016 mBq/kg,58Co: 0.046 mBq/kg,54Mn: 0.012 mBq/kg;结构铜中57Co: 0.452 mBq/kg,58Co: 1.245 mBq/kg,54Mn: 0.382 mBq/kg,60Co: 0.389 mBq/kg。该结果有助于深入理解本底能谱的构成,同时该文计算宇生核素比活度的思路可以为使用高纯锗探测器开展稀有事例探测的宇生本底评估提供参考。
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    核能与新能源
    某小型模块化反应堆核电站二回路系统变工况特性  收藏
    王鑫, 赵钢, 曲新鹤, 王捷, 王鹏
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 155-163.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.039
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (4665KB)
    小型核电站具有规模小、投资成本低、功率可调节灵活等特点,用途比较广泛。核电站二回路系统变工况分析对优化核电机组运行模式和提升核电站经济效益具有重要意义。首先,该文针对某小型模块化反应堆核电站二回路系统,使用EBSILON软件搭建了系统模型;其次,在完成模型精确性验证后,使用该模型开展了变工况分析;最后,计算了不同功率水平、汽轮机背压、回热加热器切除方式下二回路系统的关键热力性能参数。结果表明:功率水平会对发电效率、热耗率、回热抽汽系数、高/低压缸出力份额等多项参数造成影响;对该影响的定量分析显示,适当降低汽轮机背压有利于提升机组性能,当功率水平为100%热耗率验收工况(turbine heat acceptance,THA)时,若背压设计值下调2.0 kPa,则二回路系统热耗率降低272.338 kJ·(kW·h)-1。此外,回热加热器切除方式会影响二回路系统热力性能,但不同切除方式产生的影响不同。以主给水温度为例,高压回热加热器部分或全部切除将导致主给水温度降低30℃以上,但仅切除低压回热加热器L1基本不影响主给水温度。
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    公共安全
    低气压富氧环境对典型织物燃烧特性的影响  收藏
    贾旭宏, 汤婧, 马俊豪, 田威, 张晓宇, 代尚沛, 丁思婕
    清华大学学报(自然科学版). 2024, 64 (1): 164-172.   DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2023.26.040
    摘要 ( 0 )   HTML    PDF (10710KB)
    室内富氧可满足人们在高高原地区的补氧需求,同时也会带来额外的火灾隐患。该文模拟高高原低压富氧环境,研究低气压下(60.5 kPa)不同氧浓度(21.0%、27.0%、33.0%和39.0%)对室内典型织物——纯棉和涤纶燃烧过程的影响,分析了织物火焰形态、点燃时间、质量损失速率、热释放速率和总热释放量等燃烧核心参数的变化。实验结果表明:在低压常氧环境下,纯棉和涤纶的点燃时间分别缩短了3.6%和7.8%,有焰燃烧时间分别增加了46.8%和197.0%,涤纶熔滴燃烧时间增加了3.0倍。随着氧浓度增大,2种材料的点燃时间、质量损失速率的达峰时间和热释放速率达峰时间均缩短,火焰高度有所增加,质量损失速率峰值和热释放速率峰值均大幅增加。涤纶燃烧效率提高了68.1%,总热释放量增加了1.2倍,且熔滴燃烧时间增加了3.1倍,纯棉燃烧变化则不明显。若以热释放速率峰值作为火灾危险性的判断依据,则织物在气压为60.5 kPa、氧浓度约为30.0%的条件下燃烧与在常压常氧下燃烧发生火灾的危险性相当。
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