2024年, 第64卷, 第9期　
刊出日期：2024-09-15

  

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航空航天
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  TBCC发动机的发展历程及关键技术分析

  林威全, 许航瑞, 兰旭东

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1521-1535. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.024

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  随着空天领域技术的发展和人类对高性能飞行器的不懈追求, 设计开发适用于多工况的高超声速飞行器成为当前研究热点。动力装置是高超声速飞行器的关键系统, 但现有动力型式各有优劣, 很难直接满足多工况、 大速域的飞行要求。于是, 多型动力组合成为主要发展路径。其中, 涡轮基组合循环发动机(TBCC)具有飞行包线宽、 可重复使用、 单位推力大等优点, 最有希望成为二级入轨航天器、 高超声速飞行器的动力装置。本文对TBCC基本原理、 发展情况及典型方案进行探讨, 分类总结和分析了TBCC的关键技术, 并对TBCC等组合发动机的发展路线作出展望。
  
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  气固相互作用对吸气式电推进系统进气道性能的影响

  周靖云, 靳旭红, 程晓丽, 艾邦成

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1536-1546. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.037

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  针对上层大气层吸气式电推进系统进气道设计问题, 采用直接模拟Monte Carlo (DSMC)方法对吸气式电推进系统的进气道内流问题进行系统的数值模拟, 考虑气固相互作用 (GSI) 模型对进气道内流特征、 进气道收集和压缩性能的影响, 并从气体动理论的角度阐明了其作用机理。结果表明： GSI模型对进气道的压缩和收集性能具有巨大的影响, 适应系数的降低即GSI中镜面反射比例的升高, 能显著提高压缩因子和收集效率, 适应系数从1.0降低到0.2使得压缩因子增大7倍多, 收集效率增大将近4倍。适应系数的降低能有效增大进气道压缩因子和收集效率的机制是气体分子在内凹型压缩段壁面发生镜面反射之后汇聚通过焦点, 进入电离加速段。上层大气层吸气式电推进系统的进气道应该采取几何外形/表面材料相互耦合的设计思路： 既采用内凹型压缩段的进气道, 更需要通过材料选取或表面加工降低GSI适应系数, 使得GSI尽量接近镜面反射。
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  适用于大攻角与大舵偏角的刚柔耦合飞行动力学线性化模型

  安阳, 王天舒

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1547-1554. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.033

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  针对飞行器大攻角与大舵偏角等不满足传统模型假设的飞行特点, 采用小扰动法建立了飞行器刚柔耦合飞行动力学线性化模型, 并与航天工程中常用模型进行了对比分析。推导了矩阵形式的动力学方程线性化的一般形式, 得到了飞行器纵向动力学模型的方程系数。给出的舵面摆动惯性力与力矩的线性化表达式, 精确描述了攻角与舵偏角的扰动对摆动惯性力与力矩的影响。通过在大攻角与大舵偏角条件下将该文推导的线性化模型、 传统线性化模型与原始的非线性模型的仿真结果进行对比, 验证了所提出的模型具有更高的仿真精度。该文指出了传统模型将攻角和操纵机构摆角视为小量可能导致较大误差, 为飞行器制导与控制系统设计提供了高精度的线性化模型。
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  目标小行星自主光学搜索策略

  穆硕, 刘辉, 宋家隆, 韩柠, 段耀武, 柳澍暄, 宝音贺西

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1555-1564. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.042

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  近些年来, 小行星研究备受关注。小行星不仅具有重要的科研与经济价值, 同时也是威胁地球安全的因素之一。对于直径较小或观测数据较少的小行星, 其探测和防御任务更具挑战。该文结合中国首个小行星撞击任务, 针对定轨误差较大的小直径目标小行星, 利用光学相机开展撞击任务最终阶段的目标搜索方案研究。该文考虑光学相机性能、 星载计算性能以及机动时间等限制因素, 设计了一种可最大化单次成像面积的目标搜索方案, 并给出了不同搜索次数可覆盖面积的解析表达式, 利用几何关系证明推导了不同视野位置的递推计算方法。Monte Carlo数值仿真结果验证了方案的有效性, 其搜索成功率可达100%。
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  多源异构空管运行数据安全自动分级模型

  陈宝刚, 杨敬轩, 张毅, 晏松, 何泓霖

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1565-1574. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.036

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  随着民航空管信息化建设的持续深化, 空管系统作为支撑航空运输业高效、 安全运作的关键, 面临着数据交换安全性、 实时性和高效性的严峻挑战, 实现跨行业、 跨业务领域、 跨组织机构的多源异构空管运行数据安全交换成为当前空管系统信息化建设的重要任务。该文聚焦多源异构空管运行数据安全自动分级模型的构建, 旨在通过自动化和智能化的手段对多源异构空管运行数据安全进行自动分级。根据空管运行数据所属业务类型, 构造空管运行数据安全分级数据集, 并设计13项安全分级特征以全面反映数据安全属性。结合相关法律法规和空管运行数据安全特征, 设定5个数据安全级别。基于以决策树为基础分类器的系综算法, 建立空管运行数据安全自动分级模型。通过与其他机器学习算法的对比实验, 验证了所提算法在自动分级准确率上的优越性, 达到了95.5%。
公共安全
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  基于全尺寸实验的高铁隧道火灾烟气纵向流场特征研究

  潘荣亮, 王亚南, 岳顺禹, 冉辰皓, 程辉航, 钟茂华

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1575-1586. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.015

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  中国高铁隧道具有明显的高拱顶、 大断面特点, 为研究上述特征作用下高铁隧道火灾烟气纵向流动与温度分布特征, 该文依托渝湘高铁重庆至黔江段的白家山隧道开展了全尺寸高铁隧道火灾实验, 获取了火灾烟气在纵向方向上的蔓延速度与温度分布特征。研究发现： 尽管高铁隧道净高、 横截面积较常规公路隧道变大, 高铁隧道火源热释放速率对烟气纵向蔓延的速度仍然起到重要作用。高铁隧道内火灾烟气温度在垂直方向上呈现出经典的“top-hat”分布, 并且随着烟气远离火源位置, 烟气垂直方向温度的“top-hat”分布特征逐渐趋于一致。此外, 该文划定了高铁隧道热烟气纵向流动的一维过渡射流区(区域II)与一维临界射流区(区域III)分界线, 探究了现有狭长受限空间内火灾烟气纵向流动与温度分布模型在高铁隧道火灾领域的适用性并分析误差原因, 调整了适用于高铁隧道射流区域III的热烟气温升纵向衰减模型, 研究成果为评估高速铁路隧道内火灾烟气纵向蔓延对人员疏散的影响提供了数据和理论支撑。
  
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  暴雨内涝灾害下社区韧性压力测试方法研究

  代鑫, 黄弘, 于富才, 吴爱枝, 时德轶, 张鹏

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1587-1596. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.017

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  社区韧性成为公共安全领域的研究热点, 但韧性压力测试的概念尚处于萌芽阶段。该文基于韧性曲线提出了通用的社区韧性压力测试分析框架, 以暴雨内涝灾害为例, 构建了12种压力测试暴雨情景, 基于水动力学方法建立暴雨内涝模型, 提出了融合管网排水能力与淹没时空特征的暴雨内涝灾害下社区韧性压力测试方法。以某社区为例, 结合实验监测数据, 开展了社区暴雨内涝韧性压力测试。结果发现, 暴雨内涝灾害时社区韧性受降雨历时影响不大但与小时雨强呈正相关, 在200.0 mm/h的极端降雨情景下该社区约44%区域被淹, 管网排水能力完全恢复需5.7 h。基于测试结果针对性地提出了暴雨内涝灾害下社区韧性提升建议。该分析框架和方法可为社区韧性评价提供决策支持。
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  热表面上附壁燃料液滴蒸发特性实验

  代尚沛, 贾旭宏, 田威, 丁思捷, 张晓宇, 汤婧, 朱新华

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1597-1607. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.012

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  泄漏或溢出的液体燃料接触到热表面会引起火灾。为减少此类火灾事故, 该文研究了燃料液滴在热表面上的蒸发模式和传热机制。利用玻璃恒温加热板模拟热表面实验, 研究了乙酸、 乙醇、 丙酮、 乙酸乙酯、 正庚烷和环己烷的热蒸发行为。采用红外成像技术和体积估计法分析实验数据, 揭示了不同液滴表面的各种热流型和形成机理。乙酸和乙醇液滴表面观察到热流波(hydrothermal waves, HTWs)和Bénard-Marangoni(B-M)流胞; 丙酮和乙酸乙酯液滴表面观察到环状热流型; 正庚烷液滴表面没有发现明显热流型, 而环己烷液滴表面发现了双涡轮热流型。发现分子间氢键的形成和断裂与HTWs和Marangoni流胞的形成有关, 液滴的蒸发速率主要由饱和蒸气压决定。实验结果表明： 热流型对蒸发速率具有明显促进作用。
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  隧道不同横向偏距的双火源燃烧行为与温度分布

  陈荣芳, 郭志国, 刘祖文, 周令剑, 杨雨润, 谭清岚

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1608-1616. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.22.007

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  为探究隧道内对称双火源燃烧行为特征及温度分布情况, 搭建1∶6的缩尺寸隧道模型实验台, 开展隧道双火源燃烧实验, 研究火源间距、 横向偏距及火源尺寸等对燃料的质量损失速率、 热释放速率、 火焰形态、 火焰高度及烟气最高温度分布情况的综合影响。结果表明： 燃料的质量损失速率、 热释放速率及火焰高度与横向偏距、 火源间距均呈负相关关系。当无量纲火源间距S/D≤1时, 双火羽流融合, 顶棚下方最高温度曲线图仅有1个温度峰值; 随着火源间距的增大, 烟气最高温度分布由“单峰”变缓, 向“双峰”过渡, 当S/D≥4时, 双火源基本独立燃烧, 最高温度曲线图呈现2个温度峰值; 近火源区域无量纲最大温升与无量纲横向偏距呈指数衰减关系。建立近火源区域最大温升预测模型, 并与实验数据对比验证了其可靠性。该研究可为隧道内多火源火灾防排烟系统设计和应急救援提供参考。
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  预应力碳纤维织物增强混凝土板加固受弯梁设计理论研究

  张国伟, 黄金涛, 薛红京, 秦昌安, 宋佳晔, 张凯修, 廖文杰

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1617-1626. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.008

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  为提升加固梁的抗弯承载力和施工效率, 提出了一种射钉作为连接层的加固方式, 为充分发挥加固材料性能, 需要对射钉的传力机理和加固梁抗弯承载力进行深入研究, 因此, 该文开展了基于预应力碳纤维织物增强混凝土(P-TRC)板采用射钉加固混凝土梁的四点弯曲试验; 通过平截面假定和截面极限状态分析, 提出了P-TRC板加固梁在不同破坏模式下的受压区高度计算公式; 在梁底纵筋屈服后, 考虑了射钉弯曲导致的碳纤维织物应变滞后, 并由力矩平衡得到不同破坏模式下加固梁的正截面受弯承载力计算公式; 此外在考虑预应力碳纤维织物等代和加固梁试验结果的基础上, 提出了P-TRC板加固梁正常使用阶段和塑性阶段的跨中挠度理论计算公式。为验证加固梁的正截面受弯承载力与跨中挠度的计算公式, 设计6种工况试验与理论计算, 结果表明试验值与计算值较为吻合。该文提出的计算方法在指导实际工程设计时具备一定参考价值。
土木工程
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  基于Bentley的路基支挡智能化设计方法

  汤宏伟, 耿昕钰, 陈宏拓, 谭弘灿, 曾凡云, 林佳瑞

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1627-1636. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.039

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  为改善路基支挡设计低效、 人工布设繁琐的问题, 弥补建筑信息模型(building information modeling, BIM)软件中模型携带属性不全的缺陷, 该文结合规范归纳了支挡的布置边界条件与流程, 研究了模型属性交付的要求, 分析了传统设计软件中的痛点, 提出了支挡自动布设算法。具体措施： 可沿路线逐桩号复核挡墙布置条件, 匹配挡墙类型与墙高, 并对结果进行分段归并对墙底坡度进行平滑处理; 同时, 基于Bentley OpenRoads Designer二次开发了支挡设计插件, 内置挡墙图集, 并实现了路基支挡智能化设计功能。应用表明： 该方法可自动生成施工图表以及包含丰富属性信息的3D BIM模型, 相关成果完全符合行业标准要求, 可应用于施工运维全过程管理。该研究成果在提升设计效率、 实现3D可视化与模型信息交付等方面较现有设计方式具有明显优势。
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  湿喷混凝土流动性对喷射产尘特性的影响

  郭禛, 汪澍, 刘昆华, 赵佳玮, 郭海峰, 金龙哲, 魏祎璇, 欧盛南

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1637-1645. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.040

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  湿喷混凝土作为新Austrian隧道施工方法(new Austrian tunnelling method, NATM)中重要的初期支护方式, 施工过程中产生的粉尘、 氯等有害物质会严重危害工人健康。截至2023年, 许多研究的重点为湿式喷浆技术粉尘来源与降尘措施, 而关于湿喷混凝土射流产尘机理仍认识不足, 有待深入研究。该文通过改变湿喷混凝土配方中聚羧酸减水剂(polycarboxylate superplasticizer, PCE)的掺量获取不同流动性的混凝土, 利用自行搭建的喷射射流多维测试平台进行不同流动性新拌混凝土的流动性实验和喷射实验。结合射流破碎、 表面波动等理论, 分析湿喷混凝土的射流破碎过程和产尘特性, 以探究其产尘机理。该文基于射流状态将射流循环划分为初始期、 剧烈期和结束期3个阶段。初始期和结束期未形成稳定射流, 剧烈期射流形态变化较小且射流破碎、 雾化程度较高, 对粉尘浓度的升高起决定性作用; 此外, 次级破碎阶段平均粉尘浓度与初级破碎阶段相比提高了138%。该文得到了粉尘浓度最低、 粉尘粒径分布最集中的混凝土配比, 即水泥、 水、 细骨料、 粗骨料、 PCE的质量比为1.000 0∶0.370 0∶1.837 5∶1.562 5∶0.011 5。该研究成果可为湿式喷浆降尘的研究提供借鉴。
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  基于视觉跟踪和模式识别的缆机吊运效率分析

  王浩, 杨启贵, 刘全, 赵春菊, 张宏阳

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1646-1657. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.27.010

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  缆机是拱坝施工中主要的混凝土入仓设备。监测缆机吊运过程并分析其施工效率, 对于支撑工程现场调度优化、 资源配置和指导施工至关重要。该文提出一种基于视觉跟踪和模式识别的缆机吊运混凝土效率智能分析方法, 首先训练YOLO模型作为目标检测器, 并引入轨迹片段特征改进DeepSORT算法, 实现对缆机吊罐移动轨迹的多目标跟踪; 然后基于轨迹数据的时序特征建立缆机吊运混凝土工作状态识别模型, 实现从海量轨迹数据中快速准确识别缆机工作状态和计算吊运效率。拱坝工程的实例分析结果表明： 该方法实现了高精度完整跟踪吊罐的移动轨迹, MOTA指标和IDF1指标分别高达90.0%和94.8%, 准确识别出了缆机的6种工作状态, 精准计算出了缆机的浇筑强度等效率指标, 具备可靠性和准确性。
化学工程
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  双层自吸式搅拌反应器的流体力学和传质特性

  谢冰琪, 杨乐乐, 陈文霆

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1658-1665. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.21.017

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  自吸式搅拌反应器是一种高效的气液、 气液固三相混合设备。目前, 对自吸式搅拌反应器的研究和放大主要依赖于经验和实验, 仍然需要大量的基础实验数据来指导反应器的放大。该文采用3-D打印技术设计并制造了一种双层自吸桨, 用于搅拌反应器中。研究了不同叶轮转速和叶轮浸没深度对临界吸气转速、 气含率和气液传质性能的影响。实验结果表明, 临界吸气转速随着自吸桨浸没深度的增加而增大; 增加自吸桨的转速可以有效提高系统中的气含率和气液界面面积。在1.2 L液体条件下, 氢气在四氢呋喃中传质系数介于0.08~0.17 s^-1之间。此外, 还拟合得到了氢气在四氢呋喃中的传质预测方程, 用作反应器放大的指导。最后, 结合该反应器研究了黄体酮加氢反应的动力学。
工程物理
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  入口压强对离心式压缩机性能影响的数值研究

  黄东洋, 周文必, 姜东君, 潘建雄

  清华大学学报（自然科学版）. 2024, 64(9): 1666-1676. https://doi.org/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2024.26.041

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  为探究入口压强小于1个标准大气压时对离心压缩机性能及流动结构的影响, 该文以Krain离心式叶轮为研究对象, 采用Spalart-Allmaras(S-A)方程湍流模型的有限体积法求解Reynolds时均Navier-Stokes(Reynolds time-averaged Navier-Stokes, RANS)方程组, 得到入口体积流量恒定时入口压强400~101 325 Pa条件下离心叶轮的性能及内部流场结构。结果表明： 随着入口压强减小, Krain叶轮总压比和总等熵效率先缓慢减小再急剧减小; 相比于在101 325 Pa压强下, 当压强为400 Pa时, Krain叶轮总压比和总等熵效率减小幅度超过10%。入口压强减小使叶轮及无叶扩压器内气体比熵增增加, 其中由叶轮出口处反流、 无叶扩压器轮盘侧边界层导致的比熵增显著增加。入口压强在1 333~101 325 Pa变化时, 叶轮及扩压器内流场特征差异性较小, 但轮盘侧边界层厚度随压强减小而增加, 当入口压强减小至400 Pa时, 叶轮出口处反流速度增大、 区域扩大, 扩压器内轮盘侧边界层厚度显著增加, 使流动损失增加。故在负压压缩机初始设计阶段中采用基于正压的一维模型预测性能时, 应考虑对性能进行负修正, 且修正程度随入口压强减小而增加。