2015年, 第55卷, 第10期　
刊出日期：2015-10-15

  

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机械工程
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  回火冷却速度对贝氏体焊缝韧性的影响

  蔡志鹏, 王梁, 潘际銮, 乔尚飞, 霍鑫, 王朋, 刘霞

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1045-1050. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.002

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  大尺寸厚壁构件在回火过程中冷却速度较慢。对于CrMoV钢, 若回火参数不当, 容易引起回火脆性。该文针对大尺寸厚壁环形试验件, 研究了回火冷却速度对贝氏体焊缝韧性的影响。结果表明:当回火冷却速度过慢时, 焊缝金属会发生明显的韧性降低现象; 多层多道焊焊缝脆性断口具有特殊的分层现象, 说明较慢的回火冷速只是使得焊缝局部韧性下降, 其中层间热影响区弱化程度最为明显。通过Auger分析等方法进一步研究发现, 韧性减低现象的产生与C、O元素在原奥氏体晶界的偏聚以及Ni元素在原奥氏体晶界处的含量减少有关。
  
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  长期高温时效对有碳迁移发生的焊接接头的影响

  李克俭, 蔡志鹏, 李轶非, 胡梦佳, 潘际銮

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1051-1055. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.021

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  该文以采用9%Cr含B铁素体耐热钢为母材、2.25%Cr为填充金属的接头为对象, 研究了高温时效过程对接头中的碳迁移层及其附近区域的影响。研究发现: 经高温时效后, 接头富碳区中的析出物发生粗化且数量增多, 而贫碳区中析出物变化不大, 导致贫/富碳层的硬度差异增大。有限元计算结果表明: 在接头受载情况下, 贫碳区会成为首先破坏的部位, 并且高温时效会加剧这种破坏。透射电镜(TEM)结果表明: 9%Cr含B钢热影响区(HAZ)中的晶界析出物在时效后粗化不明显, 而晶内析出物则发生了明显的粗化, 这主要是由于B在晶界聚集并通过占据析出物周围的空位阻碍了析出物粗化。
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  焊接接头低周疲劳性能薄弱区转移

  李轶非, 蔡志鹏, 汤之南, 潘际銮, 刘霞, 孙林根

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1056-1060,1066. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.003

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  研究汽轮机焊接转子接头低周疲劳性能薄弱区对转子的安全运行具有重要意义。该文测试了汽轮机低压焊接转子用25Cr2Ni2MoV耐热钢焊接接头低周疲劳性能, 统计分析焊接接头低周疲劳性能薄弱区与应变幅之间的关系, 采用显微硬度测试和有限元模拟分析薄弱区转移原因。结果表明: 低周疲劳试验中宏观裂纹出现于焊缝和热影响区的回火区, 当外加应变载荷由大变小时, 焊接接头低周疲劳性能薄弱区由焊缝中心区域转移至热影响区的回火区。在大应变外加载荷条件下, 热影响区的回火区塑性变形受较大约束, 焊接接头整体的塑性应变向焊缝区转移; 在小应变外加载荷条件下, 焊缝区域始终处于弹性状态, 热影响区的回火区大硬度梯度的软硬夹层结构加剧了应变集中程度。
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  基于改进型粒子群算法的曲面匹配与位姿获取

  罗磊, 陈恳, 杜峰坡, 马振书

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1061-1066. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.017

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  有限散乱点模式匹配是机器视觉与模式识别领域中的一个基础问题和重要环节, 在目标识别、医学图像配准、遥感图像匹配、目标位姿获取等方面得到了广泛应用。该文提出了一种变概率密度分布的改进型模拟退火粒子群算法, 能够加速算法收敛并搜索到全局最优解, 提高匹配准确性。通过采集已知旋转体目标局部表面有限散乱点, 构造适应度函数并进行坐标变换, 实现散乱点与曲面的匹配和目标位姿获取, 讨论了误差影响因素和算法适用性。应用结果表明: 该方法与最小二乘曲面拟合方法相比, 所需散乱点数目少, 计算效率和精度高, 且具有对散乱点采集误差不敏感等优点, 能够满足排爆机器人抓取目标局部裸露情况下的位姿获取应用需求。
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  基于干扰观测器的磁悬浮系统精确反馈线性化

  姜文雪, 周凯

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1067-1071. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.016

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  磁悬浮系统是开环不稳定的强非线性系统。 为了提高机床磁悬浮系统的悬浮精度, 该文结合反馈线性化方法和干扰观测器补偿对磁悬浮系统进行精确线性化。对磁悬浮系统反馈线性化误差进行了分析, 建立了磁悬浮系统反馈线性化误差模型。设计了干扰观测器, 并分析了干扰观测器对反馈线性化误差的补偿作用, 最后进行了实验研究。研究表明: 干扰观测器能够有效补偿反馈线性化误差, 获得精确线性化模型。实验结果表明:磁悬浮进给系统的磁悬浮工作台实现了精确线性化, 工作台悬浮精度大幅度提高, 达到μm级精度。
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  无轴承异步电机转子电阻自适应在线辨识

  詹立新, 周凯

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1072-1078. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.007

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  针对无轴承异步电机悬浮性能受转子电阻变化影响的问题,提出了一种基于悬浮力指令观测的无轴承异步电机转子电阻自适应在线辨识方法。分析了转子电阻变化对转矩绕组气隙磁链辨识影响的机理,并利用悬浮控制系统中悬浮力指令对转矩绕组气隙磁链敏感的特性,通过对悬浮力指令的实时观测实现转子电阻自适应在线辨识。搭建了无轴承异步电机实验平台。实验结果表明: 采用转子电阻自适应在线辨识方法后,无轴承异步电机转子径向位移峰峰值降低了60%。
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  基于Delaunay三角形网格的2维DSMC算法实现及应用

  王春财, 程嘉, 季林红, 路益嘉, 孙钰淳, 林嘉

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1079-1086,1097. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.010

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  传统的直接模拟Monte Carlo(DSMC)程序以直角网格为基础, 在计算复杂的流动边界时不可避免地会带来一定误差。非结构网格虽然能够贴体地适应任何复杂流动边界, 但因其拓扑结构的无序性、算法复杂、效率低等缺点而较少使用。该文提出一种基于Delaunay三角形网格的粒子轨迹追踪算法。该算法用背景网格将计算域分成若干矩形区域, 通过首先确定矩形区域再搜索三角形网格的方法实现粒子轨迹的追踪与定位。以该算法为核心编制了C语言版本的2维DSMC计算程序。通过与经典文献算例对比, 验证了该算法的有效性。利用该DSMC程序研究了真空腔室内喷淋头(showerhead)微孔孔径变化对流场分布均匀性的影响。中性参考气体为氩气, 固定入口压力200 Pa、温度300 K。结果表明: 增加微孔孔径有利于提高径向速度和温度分布的均匀性, 而减小微孔孔径有利于提高径向压力分布的均匀性。
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  基于小偏差模型预测的车道保持辅助控制

  柳长春, 都东, 潘际銮

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1087-1092. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.011

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  车道保持辅助系统需要在保证安全性的同时适应驾驶员习惯, 避免不必要的干预。该文通过在线构建人-车系统的小偏差模型, 基于模型预测控制理论, 设计了车道保持辅助控制策略。控制器通过在线求解二次规划问题, 获得矫正转向角, 帮助驾驶员避免无意的车道偏离。根据车辆当前状态, 计算名义预测轨迹。通过将非线性人-车模型围绕名义轨迹逐次线性化, 在线获取人-车系统小偏差模型。通过对系统安全性和驾驶员适应性指标的量化设计, 得到相应的目标函数和I/O约束, 建立了滚动时域优化问题。仿真实验演示了该控制器探测车道偏离危险和转向矫正的过程。真实场景下的实车实验表明: 该系统具有避免车道偏离、适应驾驶员习惯、避免不必要干预的能力。
汽车工程
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  基于支持向量机的汽车转向与换道行为识别

  杨殿阁, 何长伟, 李满, 何奇洸

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1093-1097. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.019

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  汽车驾驶行为是影响燃油消耗和安全驾驶的重要因素,驾驶行为识别是对汽车安全驾驶和节能进行优化的基础。该文针对汽车转向和换道行为,通过加装汽车转向盘转角传感器,结合车载总线通信技术获取汽车行驶状态信息,基于汽车转向运动学推导车辆行驶状态与汽车行驶轨迹之间的映射关系,进一步建立汽车行驶方向向量模型,提出以车身轴线转角和最大转向盘转角为特征量的支持向量机线性分类器,并运用Lagrange数乘法和二次规划算法求解该最优分类问题。通过设计实车实验验证了该方法的有效性。实验结果表明: 该方法识别汽车的转向与换道驾驶行为的准确度达98%以上。该技术可用于汽车行驶安全预警与控制系统, 提升行驶安全。
热能工程
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  气流床煤加氢气化反应器的数值模拟及流场特性分析

  管清亮, 毕大鹏, 吴玉新, 张建胜

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1098-1104. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.006

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  该文通过对Rockwell公司开发的6 t/d的气流床煤加氢气化反应器的3维数值模拟, 模拟了加氢气化反应器内的流场和反应过程。模拟采用了Johnson和Tran的加氢热解动力学模型, 并且考虑了焦油的加氢裂解反应。数值模拟预测结果和6 t/d加氢气化反应器的实验结果符合得较好。模拟结果表明: 加氢气化反应器内的流场可以分为交叉撞击区、射流-回流区和管流区3个区域。一次脱挥发分反应在煤粉和炽热氢气快速混合后的很短时间内就能完成, 甲烷主要在交叉撞击区和射流-回流区生成, 加氢气化反应器下部大部分区域为管流区。在交叉撞击区及射流-回流区, 颗粒粒径越小则颗粒升温及失去质量越早; 在管流区, 颗粒粒径对颗粒的质量变化及温度历程影响不大。
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  超临界CO₂在地下盐水层内弥散现象的数值模拟

  高诚, 胥蕊娜, 姜培学

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1105-1109,1116. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.020

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  在超临界CO₂地质封存过程中, CO₂在迁移过程中溶于盐水产生密度梯度, 从而在盐水层中弥散并沉降, 这对于减少盖层承受压力、降低CO₂的泄露风险以及提高地下CO₂的封存容量具有很重要的意义。该文研究了超临界CO₂注入储层多孔结构后CO₂在盐水中的弥散质量随时间的变化规律, 分析了CO₂地质封存工程应用中的关键参数盐度、温度、压强对一定时间内单位体积盐水层中CO₂弥散质量的影响。研究表明: 对于渗透率以及颗粒分布状况相同的储层结构, 在CO₂自由区气相饱和度相同时, 盐水层盐度越大, 指进现象越不明显, 盐水层溶解CO₂的质量也越少; 盐水层温度越高, 指进现象越明显, 但是盐水层溶解CO₂的质量减小; 盐水层的压强越大, 指进现象越明显, 盐水层溶解CO₂质量越大。
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  某MW级燃机低压离心压气机优化设计

  李培元, 顾春伟, 宋寅

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1110-1116. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.009

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  为了优化离心压气机叶轮与扩压器的匹配特性, 该文开发了基于iSIGHT的1维优化设计系统。针对某MW级燃机低压级离心压气机, 对其几何参数及匹配特性进行了优化设计。计算结果表明:原始设计中扩压器与叶轮不相匹配, 无叶扩压器径比过大, 从而导致整级效率偏低。根据1维优化计算结果, 在3维上对扩压器进行了重新设计,减小了无叶扩压器径比, 并采用串列式有叶扩压器代替了原有单级有叶扩压器。与原始设计相比, 优化后的离心压气机整级性能有了明显改善, 压比提高了约4%, 效率提高了约2%。
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  烟气酸露点的测量和预测模型分析

  向柏祥, 赵从振, 丁艳军, 马润田, 吕俊复

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1117-1124. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.012

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  防止电站锅炉尾部金属对流受热面的腐蚀粘污和进一步提高锅炉热效率都对锅炉尾部烟气酸露点预测的准确性提出了更高要求。大量电站锅炉机组长期运行经验表明, 目前常用的酸露点模型的预测值普遍偏高。该文在前期酸露点测量方法筛选工作的基础上, 设计搭建了两种不同的烟气酸露点测量装置, 并分别对不同烟气条件下的酸露点进行测量; 结合烟气酸露点与其影响因素之间的热力学理论关联式进一步推导出酸露点的预测模型。不同酸露点预测模型的计算结果与相同烟气条件下的实验测量结果的比较表明:相比于抽气式测量的实验结果, 插入式测量装置的测量结果对烟气中水蒸气分压的变化更为敏感。
航天航空
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  生物质颗粒对气相温度脉动的瞬时响应

  庞杰, 张健

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1125-1129. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.014

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  在生物质颗粒的湍流多相燃烧中, 气相速度的湍流脉动对颗粒运动起着不容忽视的作用, 而气相温度的湍流脉动是否会对生物质颗粒的瞬时温度产生影响则是有待探讨的问题。该文对置于有温度脉动的热气流中的生物质颗粒的瞬时温度变化过程进行了理论分析与计算, 表明颗粒温度也会随气相发生脉动。颗粒温度脉动的幅度受到气相温度脉动强度的影响, 气相温度脉动强度的增大会导致颗粒温度脉动的增强。颗粒Reynolds数的增大加强了颗粒与气体之间的对流换热, 减小了颗粒的温度弛豫时间, 从而加快了颗粒对气相温度的响应, 增大了颗粒温度脉动的幅度。
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  充液卫星地面物理仿真方法

  王天舒, 张鹏飞

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1130-1134. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.013

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  充液卫星地面物理仿真中, 受重力影响, 无法在气浮台上直接放入液体贮箱进行仿真。为实现充液卫星整星模型的地面物理仿真, 该文提出利用飞轮施加卫星充液贮箱内液体的晃动力矩的方案。该试验方案基于液体晃动的等效单摆模型, 得到了实时获取卫星液体晃动力矩数值, 并通过飞轮实时施加等效晃动力矩, 来等效液体晃动, 进行整星运动仿真。仿真结果及理论分析表明: 考虑采样时间、延时效应、外力矩的影响, 该地面物理仿真方案能够很好地模拟在轨卫星的运动规律; 对飞轮求解方程进行等效处理可以简化飞轮角速度指令计算及相应陀螺力分析。
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  四组分汽油替代燃料的化学动力学模型

  郑东, 钟北京

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1135-1142. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.015

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  该文通过反应路径分析和灵敏度分析, 发展了甲苯氧化子机理, 进而构建四组分(异辛烷、正庚烷、甲苯、乙醇)汽油替代燃料的化学动力学模型。该模型包含75个组分和305个基元反应。验证结果表明: 该模型不仅能够准确计算单组分燃料的着火延迟时间、火焰传播速度和火焰结构, 而且在一定的压强和温度范围内, 能够较准确地计算多组分汽油替代燃料的着火延迟时间, 反映不同辛烷值汽油的自燃特性。该文提出的四组分汽油替代燃料动力学模型包含较少的组分数与基元反应数, 更有利于在汽油燃烧的多维计算流体动力学(CFD)模拟中得到应用。
工程物理
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  基于数值模拟的大型外浮顶储罐区定量风险评估

  赵金龙, 唐卿, 黄弘, 苏伯尼, 李云涛, 付明

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1143-1149. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.008

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  大型外浮顶储罐储存大量易燃物质, 发生事故后极易导致灾难性后果。该文通过对88起事故案例总结分析, 确定了大型外浮顶储罐常见的事故场景。采用火灾动力学模拟(FDS) 软件对大型外浮顶储罐火灾进行数值模拟, 计算了密封圈火灾、全液面火灾和防火堤火灾条件下罐区的热辐射通量时空动态分布。引入人员脆弱性模型, 建立了基于FDS模拟的储罐区定量动态风险评估方法。分析了风速对储罐区风险分布的影响, 确定了不同风速条件下消防员灭火的安全距离, 为储罐区消防应急提供了实用的参考依据。
  
物流与管理
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  集装箱场地箱位分配问题

  张灿荣, 钟明, 缪立新

  清华大学学报（自然科学版）. 2015, 55(10): 1150-1156. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2015.22.001

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  为减少集装箱在装船时的翻倒箱次数, 针对出口集装箱在堆场贝内箱位分配问题进行研究。以往的研究假设集装箱的重量概率分布在整个集港过程中保持不变, 由于该假设与实际情况不相符合, 该文考虑了集装箱的重量概率分布随堆存状况可变的情形, 使其更加符合实际情况, 并构建了一个带约束的随机动态规划模型。在求解算法方面, 小规模算例可直接通过动态规划模型求得最优解。针对大规模算例, 提出了两阶段的启发式算法: 第一阶段基于邻域搜索的启发式算法, 设计出各重量组的集装箱在不同堆垛形态下的优先堆放次序; 第二阶段设计了基于翻滚策略的箱位堆放局部优化算法。数值计算结果表明: 适用于小规模算例的动态规划算法和适用于大规模算例的两阶段启发式算法都能显著改善解质量, 减少翻倒箱次数。