2018年, 第58卷, 第5期　
刊出日期：2018-05-15

  

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核能与新能源技术
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  自然循环熔盐球床堆中间换热器的优化设计

  薛春辉, 董玉杰

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 445-449. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.021

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  核热泉堆是一种熔盐球床概念设计堆，具有满功率自然循环特性，中间换热器一次侧是一回路中除堆芯外主要的阻力来源。为降低中间换热器的阻力，提高换热效率，采用计算流体力学方法（CFD）对中间换热器单元流道的流动及其传热特性进行数值模拟，并构建换热器翅片阻力因子、Colburn因子和综合评价因子的响应面，利用多目标遗传算法对翅片的尺寸进行优化设计，并根据优化后的翅片尺寸基于Aspen软件进行换热器优化设计。优化后的换热器体积减小了30%。
  
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  Brayton空间核能系统质量估算模型

  游尔胜, 佘顶, 石磊

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 450-455. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.007

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  空间核能系统具有输出功率高、持续时间长等特点，是中国未来大型太空任务的理想选择，与地面核装置相比，其质量和体积直接决定着系统性能。该文在系统部件分析的基础上，建立了一个适用于闭式Brayton循环的质量估算模型，并开发了对应的MATLAB计算程序SPRBC。模型涵盖了核反应堆、屏蔽层、Brayton单元、回热器、热辐射器等主要部件。其中，核反应堆和屏蔽层的质量根据物理设计得到，Brayton单元的质量根据经验公式得到，回热器和热辐射器的质量根据换热器设计得到。该文研究不同功率下的系统质量，可以得出百千瓦级时系统比质量在30 kg/kWe左右。当输出功率达到兆瓦级水平时，系统比质量有可能降低到10 kg/kWe以下。此外，该文还对一个电功率为1.76 MW的Brayton空间核能系统进行了质量分析。结果表明：系统比质量可达到6.14 kg/kWe，热辐射器面积约为665 m²；系统总质量约为10.8 t，其中核反应堆、屏蔽层和Brayton单元的份额较大，分别占22.5%、22%和26.4%。
  
水利水电工程
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  土石混合料力学特性的试验研究

  王腾, 胡岱松, 张嘎

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 456-460. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.018

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  土石混合料的强度与变形特性对于灾害防治及工程安全具有重要意义。该文以理想铝棒材料模拟砾石，对土石混合料进行了系列化的平面应变试验。试验结果表明：土石混合料的强度和变形特性与含石量及砾石的形状密切相关，含石量增加以及砾石磨圆度变差都会增加混合料的峰值强度和剪胀特性。试验过程中观测了砾石运动情况，结果表明：砾石主要通过提供转动阻力来阻碍剪切带的形成与发展，从而提高土石混合料的峰值强度。
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  深埋TBM隧道施工微震监测规律

  汤志立, 刘晓丽, 李超毅, 秦鹏翔, 徐千军

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 461-468. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.26.017

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  随着各类地下工程向着深部发展，因开挖卸荷导致的围岩失稳问题日益突出。为了对围岩失稳进行预报预警，该文以西藏在建的某公路隧道为研究对象，构建了微震监测系统，总结了深埋隧道隧道掘进机（tunnel boring machine，TBM）开挖过程中微震活动的时空演化规律，揭示了微震事件b值与围岩失稳风险水平之间的关系。结果表明：微震事件数及其能量随TBM日掘进进尺的增大而增多；岩体垮塌发生前，微震事件在空间上聚集，时间上呈增多趋势，微震事件聚集区域与岩体垮塌位置吻合；微震事件b值能够表征隧道围岩稳定性。研究结果验证了微震监测技术用于洞室围岩稳定性评价的可行性，并为微震监测技术在类似工程中的应用提供了参考。
机械工程
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  高力密度直线开关磁阻电机的最佳极宽比

  吕江伟, 周凯

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 469-476. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.017

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  双凸极作为直线开关磁阻电机（LSRM）的特征结构对于电机的出力性能有着较大的影响。由于极宽是双凸极结构的关键尺寸，因此该文从理论定性分析、有限元定量分析和实验测量3个方面探究了提升LSRM力密度的最佳定动子极宽比。利用磁链线性模型定性地分析了定动子极宽如何影响电机平均输出力，从机理上揭示了定子和动子极宽分别存在使得平均输出力最大的极值点。利用参数化建模方法建立了有限元分析模型，定量地验证了理论分析的推断并给出了最大平均输出力所对应的最佳定动子极宽比范围。通过实验测量了不同定动子极宽的力曲线，实验测量结果和有限元计算结果相一致，从而验证了有限元分析的准确性。有限元分析和实验结果表明：对于提升LSRM力密度的最佳定子极宽比范围为0.4~0.45，最佳动子极宽比范围为0.45~0.5，且最佳定动子极宽比范围基本不受气隙、槽深的影响。
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  TIG电弧辅助MIG焊非接触引弧的参数适应性

  汤莹莹, 朱志明, 杨中宇, 符平坡

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 477-481. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.025

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  为了深入了解钨极惰性气体保护（tungsten inert gas，TIG）电弧辅助熔化极惰性气体保护（metal inert gas，MIG）焊实现非接触引弧的特点，以及此种新型引弧方式对MIG焊接参数变化的适应性，该文通过TIG-MIG复合焊的大量引弧试验，利用电信号与电弧图像同步采集系统对此进行了试验研究。试验结果表明：先引燃的TIG电弧不仅能使MIG焊快速可靠地实现非接触引弧，而且能使MIG焊在较低的电压和电流条件下进入稳定的熔滴自由过渡，形成的焊缝规则且无飞溅附着；当MIG焊的初始送丝速度、焊枪倾角、保护气体流量以及焊丝末端直径在一个较大的范围内变化时，MIG焊在TIG电弧的辅助下均能够实现非接触引弧；根据焊丝末端直径匹配合适的初始送丝速度，即使焊丝末端带有较大尺寸的小球，MIG焊在非接触引弧过程中也不会产生焊接飞溅。
精密仪器
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  多模式分布式遥感微纳航天器集群自然编队构型

  方元坤, 孟子阳, 尤政

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 482-488. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.021

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  分布式遥感技术是目前空间探测技术发展的重要方向，其核心是研究由多个微纳航天器组成的分布式遥感集群的系统特性，并根据不同的应用模式进行编队的维持与重构。由于微纳航天器所携带的燃料有限，如何在自然编队的条件下保持系统在较长时间内的构形稳定是基于分布式微纳航天器的遥感技术亟待解决的重要问题。该文针对多模式分布式遥感任务想定和燃料最省、求解高效等目标，研究了异构集群自然编队构型设计。提出了一种参数直接求解的方法，可以在平面内绕飞模式、领航模式等典型模式下直接获取编队中各伴飞航天器的轨道参数。STK仿真结果表明：该方法精度较高，编队构型稳定，可以满足应急遥感任务要求。
经济与管理
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  中国城镇家庭汽油需求弹性估计

  曹静, 胡文皓

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 489-493. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.026

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  为了鼓励低碳生活和减少机动车带来的空气污染，中国政府需要实施燃油税对汽油的需求进行有效管控。该文使用1992年至2009年中国城镇家庭汽油消费的微观数据，应用Probit和Translog模型测算了城镇家庭汽油需求及其弹性。结果表明：中国城镇家庭的人均总消费支出和人口结构特征对家庭的汽油消费行为均有很大影响。城镇家庭汽油需求弹性估计结果与西方国家家庭的估计结果非常接近，价格弹性为-0.445，而复合收入弹性为1.307。研究表明：开征燃油税可以有效地改变人们驾车与消费燃油的行为，且具有累进性，在减少汽油消费和污染物排放的同时，不会对居民福利产生负面影响。
建设管理
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  基于熵权的TOPSIS法的港口军事运输能力评估

  张静, 张智慧, 李小冬, 孙奇, 乔伟

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 494-499. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.027

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  港口具有经济与国防双重属性，可同时为两者服务，但是目前对港口的评估多侧重于经济属性评估，而对港口国防属性的定量评估几乎没有。该文基于熵权的逼近理想解排序（TOPSIS）法评估港口的军事运输能力。指标体系的选取是依据现场调研、文献综述及参考美军的战略港口需求指标，同时综合国内军事运输特点等构建而成。采用基于熵权的TOPSIS法对全国范围内不同区域的27个不同规模的港口进行军事运输能力评估，得出27个港口军事运输能力评估排名，发现现有的港口建设以经济建设为主，较少考虑国防要求，只有少数港口涉及了军民融合式建设内容，如大连港等，相应地，其军事运输能力也领先。
计算机科学与技术
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  基于API序列特征和统计特征组合的恶意样本检测框架

  芦效峰, 蒋方朔, 周箫, 崔宝江, 伊胜伟, 沙晶

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 500-508. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.020

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  针对恶意样本行为分析，该文提出了一种组合机器学习框架，首先对应用程序编程接口（application programming interface，API）序列中调用的依赖关系进行功能层面上的分析，提取特征，使用随机森林进行检测；其次利用深度学习中的循环神经网络处理时间序列数据的特性，在冗余信息预处理的基础上，直接对序列进行学习和检测；最后对2种方法进行了组合。在恶意软件样本上进行的实验结果表明： 2种方法均可有效检测恶意样本，但是组合学习的效果更优，AUC （area under the curve of ROC）达到99.3%，优于现有的类似研究结果。
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  基于DNN-LSTM的VAD算法

  张雪英, 牛溥华, 高帆

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 509-515. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.022

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  基于深度神经网络（deep neural network，DNN）的语音活动性检测（voice activity detection，VAD）忽略了声学特征在时间上的相关性，在带噪环境下性能会明显下降。该文提出了一种基于深度神经网络和长短时记忆单元（long-short term memory，LSTM）的混合网络结构应用于VAD问题。进一步对语音帧的动态信息加以分析利用，同时结合DNN-LSTM结构使用一种基于上下文信息的代价函数用于网络训练。实验语料基于TIDIGITS语音库，使用Noisex-92噪声库加噪。实验结果表明：在不同噪声环境下基于DNN-LSTM的VAD方法比基于DNN的VAD方法性能更好，新的代价函数比传统的代价函数更适用于该文提出的算法。
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  基于双耳相干函数的鲁棒时延差估计与混响抑制算法

  方义, 陈友元, 牟宏宇, 冯海泓

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 516-522. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.026

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  传统的基于相关峰的广义互相关算法在混响环境下性能急剧下降，尽管一些优先效应模型被提出以改善其性能，但是这些模型计算复杂且对阈值选取很敏感。该文首先通过协方差矩阵的特征值来分别更新语音的相干函数和噪声的相干函数，随后将语音的相干函数与理想相干函数匹配，用于时延差估计。估计出的时延差和噪声的相干函数用于相干与散射信号能量比值（coherent-to-diffuse power ratio，CDR）的估计，最后利用实时估计出来的CDR值进行混响抑制。实验结果表明：该方法的定位误差明显低于传统方法，且混响抑制后的主观语音质量评估（perceptual evaluation of speech quality，PESQ）分数高于对比算法。
化学与化学工程
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  环己烷氧化生产环己酮过程建模与参数分析

  李秀喜, 曹丽琦, 王兴

  清华大学学报（自然科学版）. 2018, 58(5): 523-528. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.25.027

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  环己烷无催化氧化生产环己酮是一个高危工艺，当尾氧体积分数到达一定限度会发生爆炸，分析尾氧体积分数随关键参数的变化对企业的安全生产有重要意义。该文针对工艺中的反应器建立了数学过程模型，考虑了不同操作参数下传质和水力学及环己烷挥发对反应过程的影响，同时建立了反应动力学及物料平衡模型。模拟结果和实际生产数据能较好地相符。结果表明：当气相氧气体积分数达到28%，进气量为6 750 Nm³·h^-1时，尾氧体积分数会增加到3%，引发爆炸。确定反应温度、进料氧气体积分数、气相进料量为反应过程中的敏感参数，为环己酮的安全生产提供理论和控制依据。