2020年, 第60卷, 第3期　
刊出日期：2020-03-15

  

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专题：航空航天与工程力学
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  太阳系尘埃动力学研究综述

  刘晓东

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 189-197. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.001

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  太阳系尘埃动力学是一个比较新的研究方向，对理解太阳系起源、演化以及指导航天探测任务都有重要意义。该文对近几十年来太阳系尘埃动力学方面的研究进行了综述。关于尘埃的质量产率和撞击-喷射这一尘埃起源方式，介绍了前人基于地面实验结果而建立的模型，以及基于就位探测和实验得到的初始质量分布。同时，回顾了关于尘埃所受主要摄动力的建模方面的工作，以及经常用到的一些辅助分析方法。此外，尘埃的充电和溅射都会影响其动力学行为，也介绍了相关的建模和实验研究。最后，总结了尘埃族群具有代表性的形成/迁移机制，以及这些机制对尘埃族群分布构型的影响。
  
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  微型航空发动机推力矢量系统建模与控制

  李颖杰, 吴林峰, 李春文

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 198-205. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.042

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  以微型航空发动机推力矢量系统为对象，对先进战机缩比验证机的推力矢量系统进行了建模与控制研究。对推力矢量系统建模，采用了机理模型结合试验数据的方法，引入了气动偏角与推力损失系数，对机理模型进行了修正。控制律设计采用改进后的广义最小方差方法，在保证响应速度的同时，相比传统广义最小方差方法降低了对控制参数的敏感性。最后在全工况区间对修正后的推力矢量系统进行了控制律的仿真验证，结果表明：所建立的基于改进广义最小方差控制律在经过修正的推力矢量系统模型上，具有良好的控制效果。
  
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  预混C₂H₄/N₂O推力室喷注面板热反侵着火现象数值模拟

  王伟龙, 张会强

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 206-211. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.033

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  预混C₂H₄/N₂O推进系统因其性能高、系统简单以及推进剂无毒而在姿轨控发动机中有重大潜在应用价值，而防止回火是其要解决的关键技术。为此，该文构建了包括集气腔、喷注面板、燃烧室和喷管的预混C₂H₄/N₂O推进剂单喷注单元推力室，采用能够准确预测着火延迟的C₂H₄/N₂O详细化学反应动力学机理，耦合腔室中的反应流和喷注面板中的传热过程，开展了推力室点燃和集气腔热反侵着火现象的数值模拟研究。结果表明：推力室非稳态点燃过程时空演化至稳定状态时的特征参数与化学热力平衡计算结果一致。随着喷注面板孔板面积比的减小，燃烧室通过喷注面板传给集气腔的热量显著增加，并最终能够引燃集气腔预混气。从而发现和提出一种喷注面板热反侵导致集气腔着火的机制。当采用常规设计的推力室头部时，存在喷注面板临界孔板面积比，其为预混C₂H₄/N₂O推进系统喷注器设计提供了新的约束准则。
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  甩油盘雾化实验台开发和验证

  高翔, 王方, 肖阳春, 武召阳, 金捷

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 212-218. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.034

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  甩油盘是中小型航空发动机常用的燃油喷射装置，为后续甩油盘结构改进和燃烧室性能测试提供了参考和依据，该文开发了甩油盘雾化实验台，由供水系统、旋转系统、通风系统、测试系统、控制系统和数据采集系统组成。对供水压力、供水流量以及旋转系统振动值等关键运行参数进行监测与分析，结果表明：该实验台可以获得可靠的高精度实验数据。基于相位Doppler粒子分析仪（phase Doppler particle analyzer，PDPA）测试了某型甩油盘粒径数统计，以及Sauter平均直径（Sauter mean diameter，SMD）随转速的变化规律。结果表明：该型甩油盘粒径符合正态分布；SMD随着甩油盘转速的增加逐渐减小，在12 000 r/min后基本维持在41 μm。实验结果与已有文献结论相一致，进一步表明了该试验台的可靠性。
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  超低地球轨道卫星大气阻力预测与影响因素分析

  靳旭红, 黄飞, 程晓丽, 王强, 王兵

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 219-226. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.030

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  为了对超低地球轨道卫星的大气阻力进行有效预测和分析，该文基于自由分子流试验粒子Monte Carlo方法，通过嵌入多种国际主流大气模型，开发了一套低地球轨道任意复杂外形航天器气动特性预测的通用三维并行软件，并以GOCE卫星为研究对象，计算并分析了该卫星的大气阻力特性，研究了大气模型参数、飞行高度、轨道纬度和经度等因素对大气阻力的影响规律。结果表明：随着高度的增加，阻力急剧减小，阻力系数却单调增大，卫星阻力的预测对大气模型的敏感性增强；轨道纬度和经度变化的影响主要体现在通过影响来流大气参数而间接影响阻力系数和卫星阻力，大气温度和组分影响阻力系数，而阻力系数和来流大气密度共同决定卫星阻力；随着轨道纬度和经度的变化，卫星阻力和阻力系数均呈现非单调的波动性变化。研究表明：JB2008和DTM-2013大气模型表现相近，而USSA-1976、Jacchia-1977和NRLMSISE-00大气模型计算出的阻力都较前两者偏高。
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  考虑质量瘤的小天体平衡点位置与稳定性

  姜宇

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 227-232. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.027

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  该文以小行星2867 Steins为例，研究了质量瘤的变化对小天体平衡点的位置、拓扑类型和稳定性的影响。考虑了单层相似质量瘤、单层球形质量瘤、多层相似质量瘤和多层球形质量瘤等4种质量瘤的情形。发现质量瘤的存在可能会引起平衡点稳定性和拓扑类型的变化。对于小行星2867 Steins来说，无质量瘤和有质量瘤情形的体外平衡点E4的拓扑类型和稳定性不同，前者对应的该平衡点是不稳定的，拓扑类型为Case 5；而后者对应的该平衡点是稳定的，拓扑类型为Case 1。相比无质量瘤情形，有质量瘤情形的体外平衡点的质心距更大，而体内平衡点的质心距更小。如果质量瘤位置、密度和体积基本相同，则质量瘤的形状变化对平衡点位置的影响可以忽略不计，同时质量瘤的形状变化对平衡点的拓扑类型和稳定性没有影响。该结果有助于理解内部结构的变化对小行星引力场环境的影响，可为小行星探测任务的引力场重构、轨道设计与任务可靠性分析提供参考。
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  下料方式和流量分配对D4合成SiO₂的影响

  张寒, 黄泽宇, 张国君, 欧阳葆华, 吴学民, 郑丽丽

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 233-238. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.050

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  燃烧器设计和流量控制对燃烧稳定性、SiO₂生成、疏松体品质和关键组分分布有重要影响。该文通过对八甲基环四硅氧烷（OMCTS，D4）制备SiO₂疏松体过程的数值研究，分析了不同下料方式，以及D4和氧气流量分配对SiO₂生成效率和沉积面上关键组分分布的影响。结果表明：采用多点下料方式可以明显提高SiO₂生成率和沉积均匀性；内外D4进口流速接近时，SiO₂生成率较高，并且OH浓度有所降低；根据D4质量流量分配对氧气进口流量分配进行调整，能够提高SiO₂生成率，但相应的OH浓度也有所增加；但在保持D4质量流量不变的情况下，采用多点下料，导致D4进口速度降低，一定程度上降低了沉积效率。采用多点下料时，可以考虑适当提高D4流量，控制火焰温度，有利于提高SiO₂生成和沉积效率。
核能与新能源工程
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  具有特殊结构的自由旋射流流动特性

  胡羽, 龚迎莉, 孙新玉, 黄兴亮, 祁海鹰

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 239-247. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.001

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  为深化对旋涡热强化效应的认识，针对特殊旋涡——龙卷旋涡开展冷态流动特性的实验研究。测量了不同旋射管进气道面积对龙卷旋涡初始真空度的影响及强旋状态下的速度分布。结果表明：旋射管质量流量对初始真空度具有决定性影响，质量流量越高，初始真空度绝对值越大；龙卷旋涡的各速度分量均可用半经验涡模型统一表征，速度分布随旋流强度的降低出现显著转变；中空结构的出现及维持的根本原因是较高的旋流强度；径向卷吸的出现标志着旋流强度的显著降低。该研究成果丰富了对龙卷旋涡的流体力学认识，为揭示旋流热强化效应机理的研究提供了重要参考。
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  高炉熔渣颗粒热物性参数的瞬间测量

  张衍国, 张颖, 杨潇潇

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 248-253. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.048

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  为了开发冶炼熔渣干法粒化和余热回收技术，提出了一种飞行高炉熔渣颗粒表面温度与发射率的瞬间测量方法。实验过程中，建立了熔渣表面温度与灰度、表面发射率与表面温度的关系曲线，通过高速摄像机瞬间捕捉飞行熔渣颗粒图像，计算图像灰度，结合关系曲线得到飞行熔渣颗粒表面温度和表面发射率。结果表明：随着熔渣表面温度的降低，表面发射率减小；当飞行熔渣颗粒表面温度为1 402℃时，其表面发射率约为0.89。
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  质子交换膜燃料电池电压损耗

  赵阳, 王树博, 李微微, 谢晓峰

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 254-262. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.019

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  质子交换膜燃料电池电压损耗的定量分析，对于寻求膜电极性能的提升空间具有重要的参考意义。该文以实验室自制的膜电极为研究对象，对其内部损耗、ohm极化、活化极化以及浓差极化依次进行了实验分析。结果表明：在阴极铂载量为0.2 mg/cm²的膜电极中，活化极化在整体电压损耗中所占比例最高，这一现象在低温下愈发明显；ohm极化的占比最小，电流密度为1 550 mA/cm²时，其最大值约为0.09 V；浓差极化在低电流密度区域的影响较小，在大电流密度区域以指数形式增长。经过对浓差极化的分析发现，40%~44%的氧气扩散阻力主要来源于气体扩散层内的分子扩散阻力，43%~50%的氧气扩散阻力主要来源于氧气穿过离聚物层到达铂表面的阻力。
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  不同几何参数竖直蛇形管内超临界压力CO₂流动与换热数值模拟

  黄腾, 李雪芳, 柯道友, 巴清心, 程林

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 263-270. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.21.031

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  作为一种环境友好型自然工质，CO₂被越来越多地应用于热泵系统。该文通过模拟超临界压力CO₂在竖直蛇形管中的流动和传热过程，分析了蛇形管几何参数对其换热性能的影响，并探究超临界压力CO₂在不同尺寸蛇形管中流动的强化传热机制。建立了12种不同内径和曲率直径组合的蛇形管模型，以探究在给定质量流率条件下，不同内径和曲率直径对超临界压力CO₂流动换热性能的影响。结果表明：曲率直径或内径的增大，均会导致传热系数降低；蛇形管内径越大，外壁面温升及温度波动幅度均越大；蛇形管曲率直径越大，外壁温度越高。最后，研究了流动方向对传热性能的影响，发现当内径大于1 mm时，蛇形管换热性能在工质向下流动时优于在工质向上流动时。本文可以为相关换热器的优化设计提供参考，从而提高换热效率和系统性能。
土木工程
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  考虑生产效率与工艺的资源受限项目调度问题

  王珩玮, 林佳瑞, 张建平

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 271-277. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.21.035

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  多模式资源受限项目调度问题（MRCPSP）是建设项目进度优化问题的重要数学模型。但传统的MRCPSP模型难以同时表征工序时长、成本与资源需求之间的多种关系。为了解决这一问题，该文提出了一种MRCPSP模型，并利用约束规划（CP）对算例进行了求解。该问题模型通过定义生产力函数以及各工序对各类资源总需求的组合表征工序时长、成本以及资源需求之间的关系。经验证，该模型可以模拟施工过程中生产力变化的情况，并允许在优化求解时考虑工艺选择对结果的影响，相比传统的MRCPSP模型，求解结果有更明确的工程含义，具有实际应用价值。
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  隧道内可燃液体蒸气爆燃超压缩尺寸实验研究

  陈长坤, 徐童, 史聪灵, 赵小龙, 张宇伦

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(3): 278-284. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.26.032

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  为了探索隧道内可燃液体蒸气的爆燃超压及火焰传播规律，该文采用1/20的缩尺寸隧道模型，以不同液体温度（30、40、50、60、70、78℃（沸点））下蒸发产生的乙醇蒸气为爆燃介质，分析不同时间点火的引爆情况及爆燃超压等数据。结果表明：蒸气的爆炸极限受到初始液体温度的影响，当蒸气温度低时爆炸极限范围小，同时所需要的引爆能量也会变大。被引爆乙醇蒸气的超压值沿隧道纵向呈现明显的双峰形状，同时在超压曲线第1次达到峰值时，燃料盘上方压力测点P1低于远离中心位置P2、P3处的超压值。此外，隧道内爆燃超压最大值会随着乙醇蒸气浓度的增加而呈现先增大后减小的趋势。