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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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    用于液体火灾的环保泡沫制备方法与关键参数

    赵金龙李浩源张清元杨钧晖...
    502-508页
    查看更多>>摘要：当发生液体火灾时,常使用泡沫快速扑灭.但传统泡沫存在较多缺陷,如泡沫所含成分全氟辛烷磺酰基化合物(PFOS)难以降解,长期积累会造成环境污染;热稳定性差,灭火后液体火灾易发生复燃.该文通过添加瓜尔豆胶制备了一种适用于液体火灾的环保型多糖聚合物泡沫,分析了该环保型多糖聚合物泡沫的发泡性能和稳定性能,明确了发泡剂、稳泡剂的浓度和配比,并与氟蛋白泡沫灭火性能进行了对比.结果表明:当脂肪醇聚氧乙烯醚葡糖苷(AEG)和椰油基糖苷(APG-0810)这2种环保型表面活性剂的质量比为2∶8且质量分数均为0.5％时,泡沫综合值最佳.随后分别添加质量分数为0.3％、0.4％和0.5％的瓜尔豆胶,发现质量分数为0.4％时,泡沫的灭火效果最好,灭火时间为82 s,比氟蛋白泡沫灭火时间缩短10s.使用该环保型多糖聚合物泡沫灭火后,25％复燃和90％复燃的对应时间分别为501和638s,比氟蛋白泡沫延长了 96.5％和114.1％,表明该环保型多糖聚合物泡沫具有良好的抗复燃性.该成果可为针对液体火灾的抗复燃泡沫配方研发提供参考.

    液体火灾瓜尔豆胶环保泡沫灭火时间复燃时间

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    基于网络效率的城市轨道交通网络抗震韧性评估

    侯本伟游丹范世杰许成顺...
    509-519页
    查看更多>>摘要：该文基于震后轨道交通网络主体结构的破坏场景,以恢复震后通行能力为目标,分析了地震灾害作用下城市轨道交通网络的韧性.采用Space L方法构建轨道交通网络模型,选用客流加权的网络平均效率表示网络连通性能.采用地震易损性模型计算网络主要结构单元(车站、隧道和桥梁)的破坏概率,采用Monte Carlo方法模拟网络主体结构单元的震后状态;考虑破坏单元修复时间存在不确定性,模拟了破坏单元的震后修复过程;根据震后不同时刻网络性能曲线和韧性三角形,定量化评估轨道交通网络抗震韧性指数和韧性损失.以北京地区城市轨道交通网络为例,分析了地震烈度、恢复策略和修复队伍数量对网络连通性能、恢复过程和韧性指标的影响.结果表明:轨道交通网络在遭受地震破坏、蓄意攻击和随机破坏后的韧性特征存在差异;震前提升少量重要单元的可靠度可提升网络灾前抵抗能力,但对网络灾后恢复能力和韧性指数的提升效果不明显.该研究可为城市轨道交通系统抗震安全性评估提供理论支撑和参考.

    城市轨道交通网络地震灾害网络效率震后恢复韧性评估

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    基于反应动力学的计算机辅助碳捕集有机胺溶剂设计

    向晟刘奇磊张磊都健...
    520-527页
    查看更多>>摘要：碳捕集技术的发展对于实现碳达峰与碳中和意义重大.有机胺作为一种常用的二氧化碳(CO2)吸收剂备受关注,然而常用的有机胺溶剂仍存在化学吸收反应动力学较差等问题.该文提出一种集成反应动力学模型与数学规划方法的计算机辅助碳捕集有机胺溶剂设计框架.首先,基于量子化学方法,构建可调控有机胺化学吸收CO2的活化Gibbs自由能的反应动力学模型.其次,利用过渡态初猜结构生成方法,集成反应动力学模型与数学规划方法,自动、反向及优化设计有机胺分子结构,使有机胺分子结构的活化Gibbs自由能最小且满足其他性质要求.最后,通过相互作用区域指示函数验证有机胺设计结果在反应动力学方面的合理性.相比于工业上常用的乙醇胺,该框架设计得到的最优有机胺活化Gibbs自由能降低了10.7％,具有更快的化学吸收反应动力学速率.研究结果验证了设计框架可行有效,有助于碳捕集有机胺的研究.

    胺类碳捕集计算机辅助分子设计反应动力学过渡态

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    基于柔性设计的光热电站-海水淡化集成系统优化

    孙启超孙志伟伍联营周鑫...
    528-537页
    查看更多>>摘要：全可再生能源与海水淡化集成联产系统可有效解决淡水资源和能源短缺问题.如何设计柔性能力较强的光热电站-海水淡化集成系统以满足复杂天气状况下的用户能量需求是该领域亟待解决的重要课题.该文提出了光热电站与海水淡化集成的水热电联产系统,建立了以集成系统年总费用最小为目标函数的数学模型,该模型为混合整数非线性问题.提出了适用于水热电联产系统优化的柔性指数及柔性设计方法,实现了对柔性指数的定义、计算及边界约束的优化;开发了柔性设计双层算法,外层算法获得系统规模,内层算法优化系统柔性能力.案例研究结果表明:柔性设计结果相较于固定工况设计结果,年总费用下降了 10.7％,系统冗余大幅减少;与传统火热供电相比,每年节约用煤166 617 t,减少排放二氧化碳约436 538 t;水、热、电供需比波动得到显著抑制,电能、热能、淡水供需异常比例分别由91.11％、98.19％、60.69％下降到0％.案例研究结果表明所提出的系统模型及算法是可行的、有效的.该文基于柔性设计的联产系统对于海水淡化由高耗能产业转换为零排放产业,以及可再生能源向高耗能产业渗透具有指导意义.

    光热电站海水淡化水热电联产柔性设计

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    基于CO2加氢耦合甲苯甲基化选择催化的PX生产工艺对比

    杨勇张钊王东亮汶卓宇...
    538-544页
    查看更多>>摘要：基于双功能催化剂的CO2加氢耦合甲苯甲基化直接合成对二甲苯(p-xylene,PX)工艺具有原子经济性、可实现绿氢储存和有效利用CO2等优点,该工艺尚未有完整的流程设计和优化策略等技术经济分析.该研究基于CO2加氢耦合甲苯甲基化的选择催化结果,选取了高转化率、高二甲苯选择性和高PX选择性等3种甲基化催化剂及其实验结果,进行PX生产工艺流程设计与模拟.结果表明,在获得相同PX产量的基础上,高PX选择性催化剂工艺单位PX产品的原料消耗量仅为其他2种催化剂工艺的72.6％和58.9％;高二甲苯选择性催化剂工艺原料消耗率较高,并且具有最高的能耗,但借助异构化技术可实现最大PX生产潜力,展现了最优经济性.基于双功能催化剂的CO2加氢耦合甲苯甲基化直接合成PX工艺可提高CO2转化率、降低物料循环能耗,进一步提高二甲苯和PX选择性将极大地提升工艺的技术经济性.

    对二甲苯二氧化碳加氢甲苯甲基化流程建模技术经济评价

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    2种水运仪象台枢轮复原方案的受力分析

    徐思源王禹衡唐晓强王哲然...
    545-551页
    查看更多>>摘要：枢轮是水运仪象台复原研究中的难点,根据受水壶是否可以独立于枢轮转动,形成了"翻斗"与"定斗"2种复原方案.一方面,2种方案都会不可避免地出现与原文违背之处.因此,与原文是否符合已不适合作为评价复原方案优劣的唯一标准,而新的复原模型也不能只是简单地遵从其中某一种方案进行制作.另一方面,对博物馆展览而言,模型能否长期稳定运行,是选择方案时的重要考量因素.因此,该文通过建模和计算,得到了 2种方案中各部件的受力数据.结果表明:"定斗"方案中的枢轮和左天锁等关键部件承受的冲击小于"翻斗"方案.新的复原模型可以在吸纳定斗方案这一优点的基础上进行制作.

    水运仪象台枢轮复原受力分析

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    混合动力车辆加速工况发动机介入抖动的分析与优化

    廉玉波刘云卿Zhang Charles张荣荣...
    552-561页
    查看更多>>摘要：混合动力车辆在电池电量较低、城市路况拥堵的情况下行驶时,为保持电池电量,发动机会频繁地启动发电,从而引起整车抖动问题.该文建立了混动总成发动机介入抖动的物理模型,采用仿真和实验相结合的方法,研究了混动车加速过程中发动机介入瞬间的抖动产生及路径传递机理.结果表明:发动机介入瞬间的抖动出现在发动机点火之前的集成启动发电一体化发电机(integrated starter generator,ISG)倒拖发动机阶段,其抖动水平由第一循环缸压峰值大小决定;混动总成瞬时刚体模态和传动系扭转模态耦合作用提高了发动机介入抖动水平,并将抖动通过动力总成悬置传递至车身.基于该结论,提出了传动系和动力总成模态解耦原则与优化悬置限位结构2项优化措施,并结合整车测试验证了所提措施有效.

    混合动力发动机介入抖动第一循环缸压模态耦合动力总成悬置

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    绳驱动船舱清洗机器人动力学建模及鲁棒控制

    李建王生海刘将高钰富...
    562-577页
    查看更多>>摘要：由于船体表面形状不规则及海浪激励引起船舶运动,因此船舶清洗作业成为难点.为实现船舶高效、自动化清洗作业,该文提出一种变结构空间绳驱动清洗机器人.首先,采用Newton-Euler法建立包含船舶运动及多种外部扰动的动力学模型.通过流体仿真试验验证了水射流可喷射至作业面,并得到水枪反作用力.其次,考虑到海风对清洗作业的影响,采用风压投影法计算得到风扰力,并将风扰力与水枪反作用力共同作为扰动输入.再次,在动力学模型的基础上,为实现动基座激励下的高精度轨迹跟踪控制,提出了 一种模糊自适应比例-积分(proportional-integral,PI)滑模控制器(fuzzy adaptive PI sliding mode controller,FAPI-SMC).最后,采用Lyapunov理论证明了控制系统稳定,并通过仿真试验验证了 FAPI-SMC有效.结果表明:在不同形式的波浪激励和作业场景下,FAPI-SMC的位置稳态误差为±0.02 m,角度稳态误差为±0.02°.与传统的比例-积分-微分(proportional-integral-derivative,PID)控制器相比,FAPI-SMC的最大误差减少6％,响应速度提升57％,稳态性能提升3％.该研究成果可为绳驱动机构的实船应用提供理论依据.

    绳驱动并联机器人动力学模型滑模控制轨迹跟踪稳定性

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    推进剂管路系统深低温垫片密封性能数值分析

    蔡鲲鹏臧晓蓓陈升山郭飞...
    578-590页
    查看更多>>摘要：为解决运载火箭在常规和极端服役工况下的密封泄漏问题,该文提出一种可预测深低温接管系统接头连接密封性能的方法.首先借助有限元仿真方法分析求解接触界面力学的宏观接触压力分布;之后利用真实粗糙表面形貌,结合接触压力分布,计算微观接触形貌,进而求解泄漏通道的平均高度;考虑介质流动特性,采用栅格模型构建泄漏率量化计算模型,最终得到作为评判密封性能标准的泄漏率.基于数值计算方法,从理论上研究了不同温度、载荷和介质压力等参数对垫片密封性能的影响规律;同时通过简化接头-接管系统结构,设计了一种可重复使用且操作方便的模拟工装实验结构,进而开展了不同载荷下的垫片密封泄漏率测试,结果表明:泄漏率的仿真值和实验值误差在一个数量级内,吻合度较高.该研究对接头-接管垫片密封结构的设计优化及工程应用具有一定的指导意义.

    垫片密封栅格泄漏模型深低温泄漏率量化

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    低成本大规模直播流量工程

    邰进刘辰屹杨芫王旸旸...
    591-600页
    查看更多>>摘要：近年来,基于直播的网络应用大量出现,此类应用对互联网服务质量的要求更严格.目前,虽然一些专用骨干网可以为此类应用提供优质服务,但是服务价格昂贵,且无法覆盖世界各地的所有用户.因此,服务提供商选择依赖Overlay网络或云计算、雾计算和边缘计算等技术提升网络性能,改善用户体验.该文研究了用于大规模直播的Overlay网络中基于成本敏感的流量工程问题.经实际调研可知,成本由服务器的峰值数据速率决定,因此该流量工程问题涉及时间序列的路由决策.首先,将流量工程问题形式化,转化为一系列基于时间序列的整数规划.其次,提出了以可微函数逼近不可微函数的方法,并使用Lagrange乘子法和梯度下降算法有效求解该整数规划.最后,提出基于成本敏感的方案——在线路由算法LiveTE,从运行的Overlay网络收集真实数据,并通过数值模拟评估了 LiveTE.结果表明:与现有方案相比,LiveTE的总成本降低幅度达52％,平均传输延时降低幅度达6％以上.

    流量工程Overlay网络直播流服务

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