2021年, 第61卷, 第10期　
刊出日期：2021-10-15

  

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燃料电池与锂离子电池
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  PEM燃料电池用金属双极板及其涂层的研究进展

  裴普成, 李子钊, 任棚, 陈东方, 王希忠

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1025-1038. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.026

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  质子交换膜（PEM）燃料电池的金属双极板在成本和加工成形方面具有优势，但是其易腐蚀的特点也影响了燃料电池的导电性和耐久性。该文从金属双极板及其涂层导电性和耐久性出发，系统总结了相关研究进展。首先根据燃料电池的市场需求，分析了应用金属双极板的优势；对金属双极板及其涂层导电性和耐久性的典型测试方法进行了讨论，并对近期文献中出现的多种涂层进行了评价，发现除合金涂层外大部分涂层能满足美国能源部2020目标；分析了影响金属双极板及其涂层导电性和耐久性的工作环境和工作状况；最后，从测试方法、涂层研究和影响因素3个方面展望了未来的研究方向。该文综述了金属双极板及其涂层的研究进展，对将其更有效、更持久地应用于燃料电池电堆中具有重要意义。
  
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  直接膜沉积制备高性能增强型质子交换膜燃料电池膜电极

  李雪, 张虹, 林程, 王树博, 谢晓峰

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1039-1045. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.028

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  质子交换膜燃料电池膜电极的性能直接决定燃料电池的输出性能，超薄质子交换膜的使用可以有效提升燃料电池峰值功率。该文将静电纺丝与直接膜沉积技术相结合，制备聚芳醚砜材料并纺丝成为纳米纤维覆于气体扩散电极上，作为薄膜增强层，再以商业全氟磺酸树脂分散液直接沉积成膜制得阴极和阳极。复合薄层膜厚度约为13 μm，氢空电池的峰值功率密度为1.18 W/cm²，与厚度相近的商业Nafion^® NC700膜的峰值功率密度0.96 W/cm²相比，提高了23%。通过对膜电极进行综合优化，在氢氧条件下电池峰值功率密度可达3.55 W/cm²，且阴极湿度降低对电池影响不大。利用聚芳醚砜纳米纤维作为增强层制备超薄膜电极具有优异性能，在低湿度条件下亦有高性能输出，具有广泛应用前景。
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  波形流道增强质子交换膜燃料电池性能

  李子君, 王树博, 李微微, 朱彤, 谢晓峰

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1046-1054. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.029

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  质子交换膜燃料电池（PEMFC）的性能和耐久性受到燃料的输送和水管理等的限制，流道对PEMFC的质量传输起着至关重要的作用。该文设计了一个三维波形流道，建立了与实验条件一致的单根直流道模型，对比研究了直流道和波形流道对PEMFC性能提升的机理，分析了两种流道内氧气、液态水、速度以及电流密度分布。研究结果表明：在较高电流密度下，三维波形流道强化了狭窄通道部分氧气向催化层的传输，提高了氧气的供应，有效地去除了流道内的液态水，使峰值功率密度提高了10.16%。
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  3类锂离子电池多孔电极模型比较研究及电池正向设计应用

  方儒卿, 张娜, 李哲

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1055-1065. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.032

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  锂离子电池的电极由活性物质、黏结剂、导电剂等多种固相材料及灌注其孔隙间的液态电解质组成。通过优化电极的微观多孔结构可提高电池内部锂离子与电子两类主要载流子的有效传输速率，从而有效提升电池能量密度、功率密度。基于多孔电极模型的正向设计方法正逐渐取代传统的试错方法被广泛应用于产业界，但以往的模型难以在计算量与性能预测精度上取得平衡。该文提出了扩展均相多孔电极模型，该模型可以有效地在计算负荷与性能预测精度上实现较好的平衡。比较了3类锂离子电池多孔电极模型——经典准二维均相模型、作者团队开发的非均相模型、该文提出的扩展均相多孔电极模型在计算时间以及电极结构描述精度上的差异，并就不同研发场景下的模型选择给出了具体建议。利用扩展均相多孔电极模型分析了一例电池正向设计的典型问题，即负极活性颗粒粒径选择及其对电池性能的影响，结果发现：提高负极颗粒粒径分布集中度、降低颗粒粒径大小可有效改善电池内部离子在电解液以及活性颗粒内部的有效传输速率，可使得电池在不同倍率条件下的放电容量提升25%（低倍率）至100%（高倍率）。
  
电力系统
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  多接收端无线电能传输系统动态特性分析及多目标参数优化

  檀添, 陈凯楠, 林秋琼, 蒋烨, 赵争鸣

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1066-1078. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.022

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  无线电能传输（WPT）技术可有效提高供电过程的安全、可靠和灵活性，使用多接收端拓扑的WPT系统在大容量无接触供电场合（如电动汽车、轨道交通无线充电）得到了越来越广泛的应用。针对现有研究对多接收端WPT系统动态性能分析与优化方面的不足，该文建立了多接收端WPT系统动态模型，并基于动态模型推导了系统参数对稳态、动态性能的影响，进而提出一种多接收端WPT系统参数的多目标优化方法。通过仿真和实验验证了所提出的模型、优化方法的准确性和有效性。
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  自调节驱动对SiC MOSFET变换器性能的提升

  凌亚涛, 赵争鸣

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1079-1087. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.023

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  主动栅极驱动（AGD）通过控制栅极侧来优化碳化硅MOSFET器件的开关特性，但是目前对AGD性能的研究一般仅限于双脉冲实验，无法充分说明AGD在变换器中的实际作用，也没有说明AGD可以长期连续运行。该文作者此前已提出了一种针对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的AGD方法，该文进一步研究了将所提方法用于碳化硅-金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC MOSFET）时需要补偿的参数，并用双脉冲实验验证了其相对于常规驱动（CGD）和已有的AGD方法的性能优势。结果表明，相对CGD，所提方法可以降低开通延迟、开通损耗、关断延迟、关断损耗分别达53%、30%、65%、67%。搭建了Buck电路，将所提驱动方法应用到Buck电路，验证其带来的开关过冲、变换器效率等的改善。在过冲相同时，所提方法与CGD相比，可提升变换器效率达0.3%~1%。
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  高频变压器分布电容计算方法

  许伟, 赵争鸣, 姜齐荣

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1088-1096. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.021

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  在大容量多端口变换器中，高频振荡问题严重威胁系统的可靠运行，而高频变压器的分布电容则是重要的影响因素之一。为了在设计阶段精确计算高频变压器的分布电容，该文对不同绕组结构圆导体和利兹线的分布电容已有计算方法进行了总结，根据圆导体匝间的电场线路径提出了分段解算方法，指出了利兹线现有分析方法研究的不足，并提出了一种修正方法。考虑到高压大容量高频变压器绕组隔离层的影响，对典型C型、Z型绕组排布方式和任意多匝多层多并联绕组排布方式的分布电容解析计算进行重新推导。通过有限元仿真和实验分析，验证了所提方法的准确性，为后续高频变压器的分布电容计算以及系统分析设计提供了基础。
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  四端口电力电子变压器高压交流端口的低电压穿越功能

  聂浩哲, 沈瑜, 赵争鸣, 文武松, 袁立强

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1097-1105. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.035

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  随着电力电子变压器在电力系统中的应用，其运行安全性和稳定性也开始受到广泛的关注和研究。并网点短路故障引起的电力电子变压器交流端口电压跌落问题会造成电力系统严重失稳，并使电网的故障恢复困难。针对一种模块化四端口电力电子变压器，该文从能量的角度分析了其高压交流端口发生电压跌落问题时的失稳机理。为了维持电力电子变压器在故障期间的安全稳定运行，提出了一种低电压穿越控制方案，通过切换电力电子变压器的功率平衡端口与端口控制策略，实现了电力电子变压器的低电压穿越功能。基于DSIM仿真平台对所提的低电压穿越控制方案进行验证，证明了该方案能够有效提高电力电子变压器的运行安全性和稳定性，实现了真正意义上的多端口电力电子设备的低电压穿越功能。
机械工程
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  基于遗传算法的并混联机床电机伺服控制参数整定

  王立平, 孔祥昱, 于广

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1106-1114. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.009

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  驱动电机伺服控制对机床加工效率、加工质量都有影响。伺服电机控制方法中应用最广泛的是比例积分微分（PID）控制，其控制效果与控制参数直接相关，而以往由工程师凭经验进行参数整定，费时费力。该文提出一种基于遗传算法的伺服控制参数整定方法。建立了理论模型，并综合多种条件进行了修正。针对并混联机床的特点提出包含报警指标、择优指标2类指标的适应度函数，得到遗传算法整定的伺服控制参数，并在五轴混联机床上进行了实验。实验结果显示：优化参数下，伺服电机跟随性能优于人工整定参数，进而验证了所提出的基于遗传算法的参数整定方法可以得到更好的性能且省时省力。
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  基于RTCP功能的五轴联动伺服匹配优化

  陈彦羽, 关立文, 常佳豪, 胡蓝, 王林泉

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1115-1123. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.007

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  五轴联动机床的动态性能不仅取决于各单轴伺服进给系统动态特性，各轴之间的动态特性是否匹配也对其有着显著影响。该文针对具有刀具绕中心点旋转（RTCP）功能的AC型双摆头五轴联动铣床，提出了一种通过圆度测试法进行多轴间伺服匹配以提高机床整体动态精度的优化方法。该方法在选取了合理的匹配对象后，可在有效降低用于搭建各单轴机电耦合系统成本的同时保证系统较高的整体动态精度。首先基于该装有AC双摆头的五轴联动铣床的整体结构进行机构运动学分析，基于机床整体结构对其各轴伺服进给系统进行机电耦合建模并在SIMULINK中搭建各轴模型；接着基于RTCP功能设计了一条多轴参与运动的特定轨迹，对各轴在该运动轨迹下的运动关系进行分析；通过合理选择匹配对象，基于圆度测试法对X、Y、Z三轴两两轴间进行伺服匹配；而后基于SIMULINK模型，对优化前后机床在特定轨迹下运动的整体动态性能进行仿真对比。结果表明：在该优化方法下，几乎不需要提高伺服进给系统搭建成本，系统就可达到较高的整体动态性能。
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  采用力矩电机直驱的数控机床进给系统伺服刚度优化

  陈彦羽, 付萌, 关立文, 常佳豪, 刁磊, 胡蓝

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1124-1131. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.019

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  力矩电机直驱进给系统的刚度特性很大程度上取决于伺服刚度，伺服刚度是影响进给系统的抗干扰能力、动态响应特性、速度和精度的关键因素。该文以力矩电机直驱进给系统为研究对象，提出了一种基于Routh判据的伺服刚度优化方法，给出了控制系统稳定条件下系统各参数间相互约束关系。该优化方法可同时整定多个伺服控制参数以提高伺服刚度。首先基于直驱式力矩电机模型建立了完整的伺服进给系统机电耦合模型；在伺服系统控制参数对伺服刚度影响分析基础上，提出了系统稳定性Routh判据不等式的简化求解方法，建立了系统控制参数间的约束关系，利用Simulink对该方法进行仿真验证；最终提出了以伺服刚度为优化目标的伺服控制参数优化方法。以某五轴联动数控机床A轴力矩电机直驱进给系统为例，进行优化应用验证，结果表明：该优化方法在保持系统稳定性的同时能显著提高系统伺服刚度，并且对伺服系统动态跟踪精度等动态性能影响较小。
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  爬行焊接机器人在球罐自动焊接中的应用

  冯消冰, 潘际銮, 高力生, 田伟, 魏然, 潘百蛙, 陈永, 陈苏云

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1132-1143. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.037

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  为了实现大型钢结构件的自动化焊接，尤其解决球罐三维曲面的自动化全位置焊接难题，需要设计一种可在球形表面上稳定行走的机构及适用于多种复杂工况的焊接跟踪控制系统。爬壁机器人将履带与轮式结合，解决了爬壁机构运行的灵活性与负载能力之间的矛盾，通过视觉跟踪系统自动识别焊缝位置，智能判断焊缝路径轨迹，实现机器人沿焊缝的自主运动和焊缝跟踪。无轨道、无导向的爬行机本体适应球罐的大曲率变化，可以实现在球罐表面的自由行走，满足球罐焊接高效化和智能化的自动焊接需求。
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  航空发动机转子螺栓连接预紧力散差分析

  赵兵, 张守阳, 王辉

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1144-1151. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.035

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  螺栓连接预紧力的一致性对于保障航空发动机转子的安全运行有重要作用。该文针对航空发动机转子零部件的法兰止口典型连接结构的螺栓紧固控制问题，提出了含收口自锁力矩的扭拉关系修正模型，分析了收口自锁力矩衰减引入的偏差项的影响；并设计了工艺差异条件，搭建模拟试验环境开展了试验研究。结果表明：收口自锁力矩会因收口螺母的重复使用而发生衰减，从而对预紧力转化造成影响；不同润滑方式对预紧力转化有较大影响；随紧固件重复使用次数的增加，预紧力呈一定趋势变化，不同润滑方式下，预紧力变化趋势存在显著差异；不同批次螺栓也存在差异。该研究揭示了影响航空发动机转子螺栓连接预紧力一致性的关键要素，并对各要素引起的预紧力散度进行了精确评估，为下一步优化工艺方案提供了参考依据。
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  基于经验模态分解法和摆动脚参数的行走速度估计

  汪伟, 杨开明, 朱煜, 钱宇阳

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1152-1158. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.21.029

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  行走速度估计是提高自适应跑步机功能和性能的有效手段，该文针对自适应跑步机用户行走速度估计，提出了一种基于经验模态分解法和摆动脚参数的行走速度估计方法。该方法推导并阐明了用户行走时摆动脚平均速度与用户实际行走速度之间的关系。为了解决加速度双重积分产生的信号漂移和累积误差的问题，首先基于经验模态分解方法将加速度积分后得到的摆动脚速度分解至不同频段，在去除掉漂移分量后，选择与步频相近的本征模函数对速度进行重构；然后，针对由积分累积误差引起的模态混叠现象，采用集成经验模态分解法对速度积分后得到的摆动脚位移进行分解与重构。通过划分摆动脚位移完成脚尖离地和脚跟着地的步态事件来获取摆动相的时间和脚部位移，并据此计算出摆动脚平均速度用作行走速度估计。进行了5种不同行走速度下的速度估计测试，并与传统方法进行对比，证明了论文所提方法的有效性和优越性。
自动化
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  PLC指令表程序的一种语法分析方法及其在代码静态测试上的应用

  李学良, 赵千川, 杨文, Syed Naeem HAIDER

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1159-1165. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.012

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  可编程逻辑控制器（PLC）是工业控制领域中广泛使用的自动控制装置。由于PLC程序缺乏具有普适性的测试工具，开发人员往往只能采用人工方式排查代码错误，导致测试效率低下。工业用户亟需一种标准化PLC代码检测方法，自动完成PLC程序语法检测与分析。该文以IEC61131-3标准为基础，建立基于Backus-Naur范式（BNF）的指令表语法模型。基于该模型构造抽象语法树，进而设计出一种具有线性复杂度的PLC指令表代码语法检测算法。利用2段控制工程中的PLC指令表代码对所提出的算法与商用软件CODESYS Static Analysis进行对比测试，验证了所提算法的可用性。
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  考虑机器不可用约束的钢铁加热炉调度

  钱鹏, 吴澄, 宋士吉, 丁见亚

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1166-1176. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.26.036

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  针对衔接钢铁连铸-热轧过程的加热炉调度问题，考虑实际生产中的工艺约束和机器不可用约束，该文以最小化调度结果的综合成本为目标函数，决策工件传输路径、加热炉分配、入炉时刻、出炉时刻，建立混合整数规划模型。基于启发式规则和滚动调度思路，设计启发式算法进行加热炉静态调度模型的高效求解；通过部分复用已有决策结果，提升加热炉动态调度问题的求解效率。对于选取的算例进行仿真测试，结果表明：设计的模型和算法能够保证调度结果的实时性和有效性。
计算机科学与技术
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  基于多层级分类和空间建模的IPv6活跃地址发现算法

  李果, 何林, 宋光磊, 王之梁, 杨家海, 林金磊, 高浩

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1177-1185. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.017

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  巨大的IPv6地址空间使得传统的IPv4地址暴力探测手段无法直接应用于IPv6活跃地址发现。该文提出一种基于多层级分类和空间建模的IPv6活跃地址发现算法。多层级分类算法引入多种维度信息用于对种子地址进行细粒度的划分；空间建模技术能够利用4种表示策略对任意地址集合建模，并生成合适的模式表示字符串，以权衡建模空间过大导致的探测效率低下问题和建模空间过小导致的样本偏差问题。通过对模式表示进行启发式遍历可发现新的活跃IPv6地址。实验结果表明所提出的地址发现算法比已有算法具有更高的命中率，并且验证了对种子地址进行细粒度的划分有助于提升地址发现算法的命中率。
建设管理
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  改进的建筑工人疲劳与不安全行为实验测量方法

  管仲尧, 项天, 方东平, 郭红领

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1186-1194. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.030

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  研究建筑工人疲劳和不安全行为之间的关系，有利于施工安全与事故预防。然而，当前研究主要采用主观评价量表和问卷调查等方法收集相关数据，主观性较强。该研究以现有安全绩效实验方法为基础，通过分析其局限性，综合考虑生理和心理两类疲劳，对现有实验方法进行了改进。通过检验实验验证了改进后实验方法的可行性和有效性。结果表明：改进后的实验方法能够更好地反映建筑工人的现场工作状态；实验所筛选出与疲劳相关的关键生理指标，为该领域的后续研究提供了支持。
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  EPC项目业主与承包商设计决策博弈

  赵越, 强茂山, 王淏

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1195-1201. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.22.027

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  与传统的设计-招标-建造（DBB）模式将设计与施工分阶段依序进行不同，工程总承包（EPC）模式因能充分发挥设计施工一体化的效用而受到工程界的推崇，业主在项目前期参与设计工作的深度成为EPC项目顺利有效实施的重要因素。该文基于博弈论针对EPC项目前期业主的设计深度对承包商优化设计决策的影响进行研究，并使用数值分析方法寻找适用性更强的双方最优策略。结果显示：随着优化设计的收益成本比的增加，深设计策略的适用性减弱，浅设计策略的适用性增强；深设计策略在收益成本比小于1.2时，存在一个确定的业主承担风险成本比例使得适用性最强，在收益成本比大于1.2时，适用性随着业主承担风险成本比例增加而增强；整体上，招标期业主提供浅设计且后期由承包商进行优化设计是优势策略。该文针对实际工程类型特征给出了有效运用EPC模式的实践建议。
土木工程
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  三维激光断面仪调查系统工作原理及其应用

  徐粒, 呙润华, 彭慧婷, 施鹏程

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1202-1211. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2021.25.001

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  该文介绍了高速车载三维激光断面仪横向布置架构、工作原理及其在路面三维纹理中的调查应用。通过该设备提取了8种沥青路面纹理的平均高度（R_a）、平均断面深度（mean profile depth，MPD）、平均构造深度（mean texture depth，MTD）、均方根高度（root mean square height，R_q）、峰体积（peak volume，V_mp）、波长（λ）、二维功率谱密度（power spectral density，PSD）信息。结果表明：R_a、MPD与摆值（British pendulum number，BPN）抗滑关联性高达80%以上；PSD可以独立于样本对抗滑性能进行评估，PSD随波矢q增大而减小；AC13、AC16系列新成型道面的微观和宏观纹理波长主要集中在0~3 mm，1 mm以下纹理波段与抗滑正相关性高达80%以上，1~1.25 mm波段对抗滑性能作用减弱，1.25~2.5 mm波段将衰减抗滑性能。车辙会导致道面三维纹理粗糙度损失，具体表现在其表面PSD明显低于常规道面。
航空航天
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  微型涡喷发动机燃烧室优化设计

  李东杰, 周伯豪, 梁骞, 兰旭东

  清华大学学报（自然科学版）. 2021, 61(10): 1212-1220. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2020.22.034

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  由于供油方式和来流条件不同，现有微型涡喷发动机燃烧室直接参照大型航空发动机燃烧室设计，存在明显“尺度效应”，导致微型涡喷发动机燃烧室性能较差，主要表现为燃烧室壁面温度过高、燃烧稳定性差和出口温度分布均匀性差。该文采用ANSYS和CFX数值模拟分析了现有某型号微型涡喷发动机燃烧室内的空气流动和燃烧过程，并通过冷态实验验证了数值模拟的有效性；提出“气涡裹液”设计理念，设计的燃烧室构型的数值仿真结果表明：出口温度分布系数从传统的0.54降低到0.15，所设计的燃烧室构型改善了燃烧室和涡轮的工作环境，提高了发动机的热效率和推力。