2020年, 第60卷, 第9期　
刊出日期：2020-09-15

  

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专题：能源地下结构与工程
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  清华热力学岩土模型与能源地下结构有限元模拟

  程晓辉, 赵乃峰, 王浩, 张志超

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(9): 707-714. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.024

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  能源桩是利用建筑桩基础与周围岩土体进行热交换的新型结构和换热构件，具有高效开发利用浅层地温能和节省地下空间等优点。由于对桩周岩土体温度-应力耦合行为认识的匮乏，能源桩的设计和安全服役面临新的挑战。该文首先总结了饱和黏土温度-应力耦合的体积变化规律，简要评述了现有岩土热力耦合本构模型存在的问题；重点阐述了清华热力学岩土本构模型（Tsinghua thermodynamical soil model，TTS模型）的理论框架，给出了模型参数的物理意义和标定方法；最后开展了饱和高岭土升温排水试验和能源基础的有限元分析。基于TTS模型的有限元分析结果表明：升温过程中，能源基础的承载能力有微小降低，界面正应力、切应力均发生衰减；随着基础深度的增大，界面切应力随温度升高呈非线性增加，而界面正应力变化较小；升温降温后，桩土界面的接触减弱，基础沉降有所增大、承载能力有一定降低。
  
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  制冷工况相变能源桩热交换规律

  崔宏志, 邹金平, 包小华, 亓学栋, 齐贺

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(9): 715-725. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.016

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  相变材料是一种通过改变材料物态来吸收或放出潜热的物质。将其用于能源地下结构中可以增加结构体的能量密度、提高换热量，从而减小热交换所需的地下空间资源。该文搭建了缩尺模型实验系统，其中模型圆桩为相变储能混凝土能源桩，桩直径0.2 m，桩长1.5 m，将桩埋入装有饱和砂土的尺寸为2.45 m×2.45 m×2 m的模型箱中。实验中控制换热流体温度恒定为5.5℃，分别进行了0.15、0.30和0.45 m³/h 3组不同流量的制冷工况，每种工况包括“制冷-回温”3次循环。研究了饱和砂土中相变能源桩的温度热响应和换热量，分析了桩与周围土体的温度随时间变化规律；比较了换热流体流量对能源桩换热量的影响。研究结果表明：制冷工况下，相变能源桩在饱和砂土中的热传递主要沿径向，在热交换过程中对于桩周土体的温度影响范围约为2倍桩径。换热流体流量增大，进出口温差减小，而热量增大。
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  考虑温度影响的饱和土有效应力原理

  邓岳保, 毛伟赟, 孔纲强, 程冠初

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(9): 726-732. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.013

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  热-力耦合是当今岩土工程领域颇为关注的研究课题之一，是涉热岩土工程问题（如能源地下工程、放射性废料处置、输油及热力管道和热法地基处理等）的理论基础。经典土力学中有效应力原理描述了饱和土体在荷载作用下土骨架和孔隙流体之间的压力分布，但针对热-力耦合作用下土骨架及孔隙水之间的压力分布及其变化的研究罕有报道。该文从饱和土体宏观热固结响应出发，结合经典的有效应力原理，分析加热对土骨架和孔隙水的影响，推导考虑温度影响的有效应力和孔隙水压力表达式，建立考虑温度影响的饱和土有效应力原理，探讨不同位移边界和排水边界条件下有效应力和孔隙水压力的分布变化。结果发现：在热-力耦合作用下，土体的总应力、超静孔隙水压力和有效应力均随温度变化而变化；加热引起的温度应力和热孔压随时间变化而变化，影响土体的压缩性和强度，并进一步影响固结压缩过程和压缩量。该研究结果可为热固结理论推导及其他涉热岩土工程问题分析提供技术支撑。
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  热干扰下能量桩热力特性现场试验研究

  王言然, 孔纲强, 沈扬, 孙智文, 王新越, 肖涵宇

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(9): 733-739. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.21.006

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  能量桩的换热效率及其热致应力与变形问题，是影响其在实际工程中推广应用的重要因素之一。然而，针对在相互热干扰情况下能量桩群桩的换热效率及其热力响应特性的实测数据仍相对较少。该文依托1×3能量桩排桩基础，开展3.0 kW加热工况下热响应特性现场试验，实测中间桩和边桩的温度、应变与应力等变化规律，着重分析中间桩与边桩热力响应特性的异同点，并与能量桩单桩试验响应特性进行对比，分析1×3排桩中能量桩换热效率、热致位移、热致侧摩阻力以及中性点位置等热力响应特性变化规律。结果表明：该试验条件下，1×3能量桩排桩的换热效率约为93%；热致侧摩阻力的中性点出现在桩体约0.4倍桩长位置；中间桩和边桩最终分别产生0.5‰倍桩径（0.28 mm）和0.3‰倍桩径（0.18 mm）的桩顶位移。
电机工程
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  能量平衡控制的稳态误差和全局稳定性分析

  石冰清, 赵争鸣, 袁立强, 冯高辉

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(9): 740-750. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.21.008

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  能量平衡控制是从能量角度出发的一种控制策略。相比传统控制方法，能量平衡控制通过将电压电流归结为储能元件中的能量而达到协调统一控制多个目标；根据系统数学模型由能量或功率控制目标精确计算控制信号，从而达到控制性能的协调提升。但现有的能量平衡控制既没有稳态误差分析也没有减小稳态误差的方法，还缺少全局稳定性分析。该文针对能量平衡控制提出了稳态误差和全局稳定性分析，首先将现有的3种能量平衡控制等价为“外环滑模面+内环”的形式，在此基础上定量分析稳态误差并加入了全局Lyapunov稳定性分析，给出了能量平衡控制参数的设置方法。
  
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  共交流母线多端口变换器高频振荡特性分析

  魏树生, 赵争鸣, 文武松, 李凯, 袁立强, 蔡伟谦

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(9): 751-762. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.21.009

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  在大容量多端口电力电子变换器中，基于模块化多有源桥（MMAB）的共交流母线拓扑具有端口隔离、模块化和损耗低的优点，近年来开始得到越来越多的关注。相对于直流母线，高频交流母线存在着固有的高频振荡。母线电压的振荡会增加变换器损耗，危害系统的安全运行，同时单个模块振荡会对其他互连的模块造成影响。该文以两模块单元组成的两种基本变换器为对象，研究了基于模块化多有源桥的共高频交流母线变换器中的振荡问题。利用频域分析，对系统振荡和高频变压器、电感和器件杂散电容等参数的关系进行了推导，给出了不控和受控2种模式下交流母线高频振荡的关键因素。最后，通过变换器在不同工作模式下以及2个模式间切换的实验，对上述结论进行了实验验证，为后续降低和消除高频母线振荡奠定了基础。
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  基于离散状态事件驱动仿真方法的牵引变流器能量平衡控制策略

  鞠佳禾, 赵争鸣, 施博辰, 朱义诚, 虞竹珺, 罗云飞, 张志学, 胡斯登, 何湘宁

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(9): 763-772. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.25.021

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  目前，面向牵引的电力电子变换器应用广泛，但是这类大功率装置对可靠性的要求较高，并且需要避免器件应力导致的过压问题，因而对直流母线电压的稳定性提出了很高的要求。由于牵引变流器的工况随着机车运行情况的变化而变化，因此其单向整流器的控制策略应具有可靠的高性能，以保证直流母线电压的抗扰性和随动性。该文提出针对牵引变流器的单相整流器能量平衡控制策略，该策略能够提高单相整流器动态性能。在研究控制策略的过程中，需要进行多组参数的对比测试以及多种工况的仿真，因此需要一种高效、高精度、收敛性好的仿真工具。该文利用离散状态事件驱动（discrete state event driven，DSED）仿真方法，针对牵引变流器搭建了数值仿真平台，在同平台实现了多时间尺度（系统级动态过程和器件级瞬态过程）的高效、准确仿真评估。基于DSED牵引变流器仿真平台，将单相能量平衡控制与经典PI控制方法进行了对比。实验结果表明：能量平衡控制在各类动态过程中均表现出响应速度快，有效抑制直流母线波动的特点。同时，结合能量平衡控制与模组电容连接母排结构，能够明显减小关断电应力和器件使用所需留出的余量。
化学与化学工程
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  中国化工行业经济与资源环境影响的投入产出分析

  陈定江, 偏子豪, 朱兵, 胡山鹰

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(9): 773-778. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2019.22.043

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  该文利用投入产出模型及相关的定量分析方法，研究了2002至2015年期间中国化工行业与国民经济发展的关联关系，以及这期间中国化工行业产生的环境影响与其他行业之间的联系。结果表明：中国化工行业对整个国民经济总产值的拉动作用高于各行业的平均值，国民经济发展对化工行业的依赖程度超过其余所有行业。中国化工行业的生产活动所消耗的化石能源和所产生的工业二氧化硫中，有超过75%隐含在其他行业的最终产品当中，并且该比例随着时间推移逐渐缓慢上升。
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  中国聚氯乙烯树脂与助剂动态物质流分析

  蒋晓斌, 江健, 周文戟, 陈定江, 郭宝华, 朱兵

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(9): 779-786. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.21.010

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  中国已成为全球最大的聚氯乙烯（PVC）塑料生产国和消费国，并面临着PVC塑料广泛使用所带来的各种环境风险。该文构建了用于定量测算PVC树脂及其助剂流量和存量的动态物质流模型，以展现PVC树脂及其助剂在8类制品、6大应用领域和4类废弃物管理方法之间的复杂流动路径与存量分布。结果表明，1978—2017年PVC树脂和助剂的累计产量为2.54亿t。城镇化的推进使得硬制品逐渐占据PVC塑料制品主流，但软制品仍是PVC助剂的主要流向；建筑材料占据了PVC树脂总存量的65.8%、PVC助剂总存量的41.9%，是未来潜在的最大废弃源；尽管存在潜在环境与健康风险的助剂在助剂总流入量中的占比已从62.2%下降至41.5%，但仍有0.15亿t有毒助剂以存量的形式留存在社会与环境中，并将在其使用过程中通过迁移和扩散对人类和环境造成持续性负面影响。虽然由于数据可得性的限制使得该文结果存在一定的偏差，但不确定性分析表明该文的计算结果可信度较高。未来必须加强对废PVC塑料的废物管理，通过技术进步和政策引导提高环保助剂的使用比例。
物理与工程物理
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  含阶梯式站厅地铁岛式车站火灾全尺寸实验研究

  龙增, 刘畅, 杨宇轩, 仇培云, 陈嘉诚, 钟茂华

  清华大学学报（自然科学版）. 2020, 60(9): 787-794. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.21.004

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  为研究特殊结构地铁车站火灾烟气蔓延特性，在某含阶梯式站厅的岛式车站内开展不同火灾场景下的全尺寸现场实验，通过分析烟气温度、烟气层高度、烟气扩散时间等重要参数，研究站台及阶梯式站厅2种火灾规模下车站各区域内的烟气扩散情况。结果表明：受自北向南的自然风压影响，站台起火时烟气在火源南侧积聚，导致站台南侧区域温升较大，下风向的3#楼扶梯处烟气层不稳定，火灾烟气扩散至连接通道；阶梯式站厅起火时，北侧出入口Ⅰ危险性较低，烟气未扩散至连接通道和站台内。研究结论可为该结构车站的防排烟设计提供实验数据支撑。