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期刊信息/Journal information
清华大学学报（自然科学版）
清华大学学报（自然科学版）

梁恩忠

月刊

1000-0054

xuebaost@tsinghua.edn.cn

010-62788108,62792976

100084

北京市海淀区清华园清华大学

清华大学学报（自然科学版）/Journal Journal of Tsinghua University(Science and Technology)CSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊为科学技术综合性学术刊物。反映清华大学自然科学与技术领域基础研究和实验研究方面的科研成果，推动国内外学术交流。主要栏目有工程力学、电机工程、机械工程、能源技术、信息科学、材料科学、基础理论等。主要读者对象是高等学校和科研单位的科研工作者、教师和研究生。
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    水下滑翔机翼面沟槽参数的多目标设计优化

    郝宇星吴宏宇张玉玲吴青建...
    2105-2114页
    查看更多>>摘要：优化水下航行器表面微观形貌已成为提升其水动力性能的重要手段之一,该文开展了水下滑翔机翼面沟槽参数的多目标设计优化,以提升水下滑翔机综合性能.首先基于计算流体力学(CFD)方法与多项式拟合,建立了含翼面沟槽参数的水下滑翔机水动力方程.接着将水动力方程代入整机动力学模型,实现了水下滑翔机航速、静稳定性和能耗的定量评估.然后基于动力学仿真结果与多项式拟合,建立了水下滑翔机性能评估模型的代理模型,并结合第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)实现了翼面沟槽参数的高效多目标优化计算,数值算例表明,优化结果显著提升了水下滑翔机的综合性能.最后采用3D打印技术试制了机翼样机,证明了设计方法的工程可行性.

    水下滑翔机翼面沟槽计算流体力学动力学分析多目标优化

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    基于三段四次载荷控制的离心泵叶轮设计方法及试验研究

    鲁阳平谭磊
    2115-2121页
    查看更多>>摘要：针对离心泵叶片载荷控制精度低、高效运行区间窄的难题,该文基于三段四次函数控制叶片载荷分布,提出了一种离心泵叶轮设计方法.该方法将叶片载荷沿叶轮进口到出口分为进口段、中间段和出口段,每段给定四次函数型载荷分布规律,构建基于三段四次载荷控制的叶轮设计方法.基于本文提出的设计方法,设计了一台比转速为102的离心泵,并对其能量特性和流场特性开展了数值模拟.结果表明,相比基准叶轮,优化叶轮在多工况点下的平均效率提高了 5.35％,且具有宽广的高效运行区间.优化叶轮内部压力分布更加均匀,流线分布更加合理.最后,本研究加工了离心泵叶轮和泵体,搭建了流体机械综合性能试验台,试验测量结果表明离心泵最高效率为78.20％,满足设计要求.

    离心泵三段四次载荷控制叶轮设计数值模拟试验研究

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    基于ICESat-2数据的山区细小河流断面提取

    李丹覃超薛源徐梦珍...
    2122-2131页
    查看更多>>摘要：河流以一定的边界形态承载着水流及物质的输移,受现场量测困难、水文观测站点有限及数字高程模型(digital elevation model,DEM)精度限制,导致分布在江河源区、山区和偏远地区的细小河流断面信息积累极为匮乏,阻碍了河流水文、水动力过程等方面的研究.国际水文协会(IAHS)自本世纪初力倡解决无测站流域水文预测难题,使得高精度提取无测站流域河流水文信息变得越来越重要.ICESat-2(ice,cloud and land elevation satellite-2)卫星测高任务具有在缺资料地区采集高密度地表点云的能力.该文以黄河中游一级支流皇甫川流域缺资料地区河宽小于10 m的细小河流为研究对象,提出了一种利用ICESat-2 ATL03数据提取山区细小河流断面形态的方法.通过光子点云中、高置信度选择、平滑滤波去噪处理和DEM构建,提取了 3个不同点位细小河流断面形态并与无人机原位测量结果进行对比分析.结合中、高置信度点云选择和滤波去噪可以有效地去除光子点云噪声,去噪率在63％以上;基于ATL03数据提取的地面点完整度和丰富度优于利用ATL08产品对ATL03分类得到的地面点;基于ATL03数据提取的河流断面形态结果与无人机原位测量结果基本一致(R2＞0.96,RMSE=O.69m).研究结果初步证明了 ICESat-2测高数据用于缺资料地区细小河流断面提取的可行性,可为全流域三维河网构建、水文水动力过程模拟等提供技术支持.

    ICESat-2数字高程模型河流断面形态平滑滤波无人机

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    基于动态网格和局部时间步长技术的城市洪涝模型加速方法

    杨芳胡豫英宋利祥赵建世...
    2132-2143页
    查看更多>>摘要：二维水动力模型能够模拟洪涝在地表的淹没及演进过程,是城市洪涝防御的关键工具,已得到越来越多的研究与应用.在精细化洪涝过程模拟中,细小的网格单元会显著增加网格数量、减小时间步长,大大降低模型计算效率.使用动态网格控制策略可减少实际参与计算的网格单元数量,使用局部时间步长技术可提高模型计算的平均计算步长.融合动态网格控制策略和局部时间步长技术,在有效单元上采用分级时间步长,可进一步结合两种策略的优势,减少模型计算量,提升二维水动力模型的计算效率.理想溃坝算例测试结果表明:动态网格控制策略在干网格数量多时效果明显,局部时间步长技术在网格尺度差异较大时效果显著.在南岗河流域洪涝模拟算例中,两种算法融合使用,最大可节省计算耗时约60％,能有效应对城市洪涝模拟过程中无效网格单元多、无效计算量大的问题.

    城市洪涝模型动态网格策略局部时间步长水动力模型

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    基于标贯击数估计海上钢圆筒最大可沉入直径

    张晖沈晓鹏申辰莫伟彬...
    2144-2154页
    查看更多>>摘要：插入式钢圆筒通常采用振动式沉桩方法安装,安装前需对钢圆筒振沉能力进行评估,现有的评估方法需要开展大量土工试验以确定土层的强度参数,经济成本和时间成本较高.该文提出了一种基于场地标贯击数快速评估钢圆筒振沉能力的方法,通过经验公式将土层的标贯击数和强度参数关联,计算不同直径钢圆筒振入过程中的阻力.经检验,该方法计算得到的阻力与规范方法的结果基本一致,与现场施工记录到的最大激振力相符.该文分析了土层性质及土层的分层情况对振沉能力的影响,当标贯击数较小时,相同标贯击数的黏土比砂土对钢圆筒振入的阻碍作用更大,标贯击数较大时则反之;当土层含有夹层时,存在一个临界标贯击数,当夹层土的标贯击数大于该临界值时,振沉能力随夹层土标贯击数的增大迅速减小.该文提出的方法与分析得到的结论可为插入式钢圆筒快速、合理地设计和施工提供参考.

    钢圆筒振沉施工土层条件标贯试验最大直径

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    振动载荷对青砂岩冲击裂纹扩展及能量利用效率的影响

    赵环帅潘永泰余超乔鑫...
    2155-2165页
    查看更多>>摘要：在岩石破碎过程中,外部加载方式是影响岩石力学特性与破裂行为的重要因素.振动、冲击是最常用的两种加载方式,但目前研究主要集中于单一加载方式,关于振动载荷对岩石在冲击过程中破裂特征的影响研究较少.该文结合室内试验与细观参数标定,建立青砂岩宏-细观力学响应关系,对比分析了冲击、振动冲击复合加载下的裂纹扩展及能量利用效率.研究结果表明:在相同冲击速度作用下,增加振动频率或振幅,青砂岩裂纹数量与能量利用效率的增幅总体上均呈现出增大趋势.两种加载方式下,随着冲击速度的增大,青砂岩裂纹最大数量均呈接近直线形增长,拉伸裂纹的数量居多,裂纹的分布均呈X状共轭斜面特征,但振动冲击复合加载下裂纹增长速度相对较大;建立了振动载荷下裂纹增加的数量与冲击速度的定量关系.振动载荷对最大能量利用效率的增幅呈现出先快速增加后减小的趋势,最大增幅为0.725％.该研究初步探索了振动载荷对青砂岩冲击裂纹扩展及能量利用效率的影响,可为岩石破碎工艺参数的合理选择提供参考.

    青砂岩振动载荷裂纹扩展断裂能

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    深部煤层非连续区地应力场反演方法

    周家兴王金安李飞
    2166-2176页
    查看更多>>摘要：随着煤矿开采深度的增加,断层等非连续构造活化会对煤层安全高效开采带来巨大隐患,掌握精确的地应力场分布对于开采工程设计与施工、防灾减灾具有重要的指导意义.针对深部地应力场的非线性及非连续性特征,推导了正断层、逆断层和走滑断层区域地应力侧压力系数的稳定性判别式,并基于长短时记忆神经网络算法,提出了深部煤层非连续区的地应力场反演方法.该方法将不同时期的地应力资料作为时间序列进行优化学习,有效解决了深部实测地应力数据的非线性、离散性、多噪声等问题,确保了优良地应力数据信息长期记忆,不良地应力数据信息及时遗忘.以上海庙矿区鹰骏二号井田主副井区域为例,考虑了不同尺度断层的地应力场分布特征,反演得到详尽的地应力场分布.反演与实测地应力场的相关系数为0.945,平均误差为12.897％,地应力差值的标准差为2.000.因此,该方法可为深部煤层非连续区地应力场反演提供新的思路.

    深部煤层非连续地应力场反演方法

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    老化时间对聚乙烯导线火蔓延及滴落行为的影响研究

    张英吴凌立张波
    2177-2184页
    查看更多>>摘要：为研究老化聚乙烯导线火灾特性的影响规律,该文开展了不同老化时间下聚乙烯导线火蔓延特性实验研究,探讨不同老化时间对聚乙烯导线火蔓延行为的影响规律,包括火蔓延行为和滴落行为.实验结果表明,火焰高度、宽度和火蔓延速度随着老化时间的增加而降低,聚乙烯导线熔融滴落物的滴落频率和滴落质量随着老化时间的增加而降低,单液滴的质量随着老化时间的增加而增加.结合实验结果和理论分析得到了老化对聚乙烯导线火蔓延行为特性的影响规律.

    老化断裂伸长率聚乙烯导线火蔓延行为滴落行为

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