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基于变推进力的水下近端索驱动机器人结构设计及工作空间分析

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第10期64卷 1686-1695页

作者：武昊李国通李东兴唐晓强清华大学机械工程系北京100084 清华大学机械工程系高端装备界面科学与技术全国重点实验室北京100084 清华大学机械工程系精密超精密制造装备及控制北京市重点实验室北京100084

面向水下各方向远距离、大空间作业任务,提出一种基于变推进力机构的水下近端索驱动机器人。该机器人采用六索及螺旋桨混合驱动形式,螺旋桨推进力大小和方向均可变,可等效为1根绳索。首先,对该机器人进行结构设计,提出采用近端驱动模式... 详细信息

面向水下各方向远距离、大空间作业任务,提出一种基于变推进力机构的水下近端索驱动机器人。该机器人采用六索及螺旋桨混合驱动形式,螺旋桨推进力大小和方向均可变,可等效为1根绳索。首先,对该机器人进行结构设计,提出采用近端驱动模式,并引入可改变推进力方向的A、B轴转角机构;其次,建立机器人的运动学与静力学模型,进一步针对推进力可变的特点提出一种基于二次规划的力可行工作空间计算方法;最后,对恒方向和变方向推进力下机器人的力可行工作空间进行分析。工作空间对比结果表明,推进力变向机构的引入使机器人的力可行工作空间显著增大,解决了已有水下多自由度机器人作业空间不足的问题。

关键词：水下装备索并联机构结构设计工作空间

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缺陷对石墨烯热传导性质影响的模拟研究

工程热物理学报 2024年第6期45卷 1767-1772页

作者：陈斌马维刚清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

石墨烯作为新型高导热材料,在微器件散热领域具有极大的应用潜力。本文通过第一性原理计算分别研究了N、O修饰及N掺杂等三种类型缺陷对石墨烯热传导性质的影响。结果表明,添加缺陷后石墨烯热导率降低程度为N修饰>O修饰>N掺杂,三种缺陷... 详细信息

石墨烯作为新型高导热材料,在微器件散热领域具有极大的应用潜力。本文通过第一性原理计算分别研究了N、O修饰及N掺杂等三种类型缺陷对石墨烯热传导性质的影响。结果表明,添加缺陷后石墨烯热导率降低程度为N修饰>O修饰>N掺杂,三种缺陷下室温热导率分别为60.7 W/(m·K)、81.2 W/(m·K)和2180 W/(m·K)。添加缺陷后低频声子弛豫时间显著降低,石墨烯晶体的严格周期性排列被破坏而造成的声子散射率增加是热导率大幅下降的主要原因。

关键词：石墨烯热导率声子缺陷第一性原理

多温度限制点条件下燃油热管理系统热回油特性分析

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清华大学学报（自然科学版） 2024年第5期64卷 841-851页

作者：杨世宇林远方于海育徐向华梁新刚清华大学航天航空学院热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

热回油是提高飞行器燃油热管理系统性能的重要途径。为研究多温度限制点条件下燃油热管理系统的热回油特性,该文基于Python语言自主开发了燃油热管理系统稳态仿真模型,并进行了实验验证。首先分析了热回油流量对各温度限制点温度的影响... 详细信息

热回油是提高飞行器燃油热管理系统性能的重要途径。为研究多温度限制点条件下燃油热管理系统的热回油特性,该文基于Python语言自主开发了燃油热管理系统稳态仿真模型,并进行了实验验证。首先分析了热回油流量对各温度限制点温度的影响规律,结果表明热回油流量的增加并不一定使得全部温度限制点的温度均下降,甚至导致了供油箱出口温度和热回油阀出口温度的升高,这说明过大或过小的热回油流量均可能引发燃油热管理系统的失效,热回油流量存在满足温度限制要求的变化区间。对于飞机热载荷加热器出口温度和燃油喷嘴出口温度,存在热回油临界流量,当热回油流量达到临界值时,进一步增加热回油会提升系统超温的风险。随后探究了热回油作用下系统的飞机热载荷极限,发现飞机热载荷极限对应于热回油流量限制区间的大小突变为0的临界状态,且此时限制区间的下界是系统的热回油临界流量。进一步研究发现,当飞机热载荷加热器出口温度和燃油喷嘴出口温度在极限状态下同时达到各自的限制值时,系统达到正常工作时的总热载荷极限。为了充分利用系统的总热载荷极限,该文提出了可以实现系统热载荷之间相互传递的中间回路并给出了潜在方案,为飞发一体化热管理提供了一种优化途径。

关键词：热管理系统温度限制热回油热载荷极限数值模拟燃油

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半导体异质结的界面热阻模型研究

工程热物理学报 2024年第4期45卷 1132-1138页

作者：杨光曹炳阳清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

本研究提出了一种考虑声子界面透射与散射、过渡层内部声子散射,以及过渡层残余应力耦合作用的异质结等效界面热阻模型。基于该模型计算了两种典型GaN/AlN/Si半导体异质结样品的等效界面热阻,在所研究的温度下模型预测值与实验结果符合... 详细信息

本研究提出了一种考虑声子界面透射与散射、过渡层内部声子散射,以及过渡层残余应力耦合作用的异质结等效界面热阻模型。基于该模型计算了两种典型GaN/AlN/Si半导体异质结样品的等效界面热阻,在所研究的温度下模型预测值与实验结果符合良好。根据模型预测结果,分析了不同过渡层厚度与温度下,主导等效界面热阻的声子散射机制。结果表明,过渡层内部的声子–晶界散射起主导作用,同时过渡层内的残余应力也会对等效界面热阻产生显著影响。

关键词：界面热阻模型半导体异质结过渡层声子–晶界散射

圆管瞬态换热的附加热容处理方法及热容影响分析

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工程热物理学报 2024年第1期45卷 246-254页

作者：林远方杨世宇徐向华梁新刚清华大学航天航空学院热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

管道的附加部件导致难以使用一维模型准确描述管内流体的瞬态流动换热,本文提出将其等效为温度不同于管道的部件,按照集总参数法处理附加部件与管道的换热。本文进行温度阶跃和余弦变化工况下圆管的瞬态换热特性实验研究,并采用附加热... 详细信息

管道的附加部件导致难以使用一维模型准确描述管内流体的瞬态流动换热,本文提出将其等效为温度不同于管道的部件,按照集总参数法处理附加部件与管道的换热。本文进行温度阶跃和余弦变化工况下圆管的瞬态换热特性实验研究,并采用附加热容法仿真计算出口温度响应,结果表明:附加热容法能够显著提升计算精度,各工况下仿真结果与实验数据的平均相对误差均不超过2%。同时,本文定义平均迟滞时间量化固体热容对流体温度变化的影响。

关键词：阶跃响应余弦响应附加热容法平均迟滞时间非线性拟合

超临界CO_(2)动力循环热量流模型与高效求解方法

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工程热物理学报 2024年第2期45卷 535-542页

作者：辛永琳赵甜孙清晗李霞陈群清华大学工程力学系热科学与动力工程教育部重点实验室北京100084

超临界CO_(2)动力循环结构紧凑、效率更高,然而工质物性变化剧烈,工质输运与能量传递等多种非线性过程相互耦合,导致传统建模和求解复杂,难以实现精确、高效模拟。本文基于超临界CO_(2)动力循环的热量流模型,提出一种基于广义Benders分... 详细信息

超临界CO_(2)动力循环结构紧凑、效率更高,然而工质物性变化剧烈,工质输运与能量传递等多种非线性过程相互耦合,导致传统建模和求解复杂,难以实现精确、高效模拟。本文基于超临界CO_(2)动力循环的热量流模型,提出一种基于广义Benders分解的高效求解算法,将系统控制方程按线性、(显式/隐式)非线性等数学性质分类处理,利用变量梯度信息迭代更新。相比于传统算法,新方法鲁棒性更好,收敛域扩大48%;当迭代初值偏差较小时,计算效率更高。

关键词：超临界CO_(2)布雷顿循环广义Benders分解热量流法求解算法鲁棒性

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Rowe剪胀方程及一种新的推导方法

水力发电学报 2024年第1期43卷 109-123页

作者：介玉新清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室北京100084 清华大学水利部水圈科学重点实验室北京100084 清华大学水利水电工程系北京100084

剪胀性是岩土材料的重要特性之一。Rowe剪胀方程是一种经典的剪胀方程,它形式简单,所需假定较少,能够反映粗粒土、岩石乃至混凝土的剪胀性。在国内外受到广泛关注,且有很多的改进和发展。但在通常的Rowe剪胀方程的推导中,有一些概念尚... 详细信息

剪胀性是岩土材料的重要特性之一。Rowe剪胀方程是一种经典的剪胀方程,它形式简单,所需假定较少,能够反映粗粒土、岩石乃至混凝土的剪胀性。在国内外受到广泛关注,且有很多的改进和发展。但在通常的Rowe剪胀方程的推导中,有一些概念尚需要商榷,所引入的锯齿面也容易引起误导。本文对Rowe剪胀方程及其发展改进进行梳理,提出了参考面的概念,并给出了一种新的推导方法。新的推导方法比传统方法在概念上更为严密,对两种推导方法的探讨也有助于加深对Rowe剪胀方程的理解。

关键词：剪胀方程粗粒土本构模型摩擦角剪胀角参考面

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稳定分析中滑动面构造方法分析

水力发电学报 2024年第7期43卷 73-84页

作者：介玉新王杨强周婷谢琪清华大学水圈科学与水利工程全国重点实验室北京100084 清华大学水利部水圈科学重点实验室北京100084 清华大学水利水电工程系北京100084

滑动面的构造方法是边坡稳定分析的关键课题之一。任意滑动面的构造比较复杂,基于Logistic函数积分等基函数构造的曲线可以代替传统的折线形滑动面,改善滑动面的光滑性,也有利于减少其自由度。对基于基函数的滑动面构造方法进行梳理,将... 详细信息

滑动面的构造方法是边坡稳定分析的关键课题之一。任意滑动面的构造比较复杂,基于Logistic函数积分等基函数构造的曲线可以代替传统的折线形滑动面,改善滑动面的光滑性,也有利于减少其自由度。对基于基函数的滑动面构造方法进行梳理,将其划分为基于连续函数叠加的构造方法和基于积分运算的构造方法。重点对Logistic函数及其积分的性质进行分析,得到了不同参数对曲线形态的影响规律,从而缩小了相关参数的取值范围,为减小滑动面自由度提供了依据。在此基础上也给出了一种确定给定滑动面参数初值的方法。针对两个边坡算例的计算表明,所提出的方法能够满足边坡稳定分析的要求。

关键词：边坡滑动面安全系数 Logistic曲线自由度

数字流域模型淤地坝模块改进及减水减沙效益评估

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应用基础与工程科学学报 2024年第2期32卷 301-313页

作者：张玍傅旭东孙凯王晨沣清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室北京100084

淤地坝具有重要的水土保持作用,但其减水减沙效益的科学评估仍存在困难.一方面,淤地坝减水减沙的物理机制仍难以刻画;另一方面,观测资料有限且难以获取.以概化淤地坝卧管及溢洪道等部分的泄流机制及整体水沙调控机制为基础,改进和检验... 详细信息

淤地坝具有重要的水土保持作用,但其减水减沙效益的科学评估仍存在困难.一方面,淤地坝减水减沙的物理机制仍难以刻画;另一方面,观测资料有限且难以获取.以概化淤地坝卧管及溢洪道等部分的泄流机制及整体水沙调控机制为基础,改进和检验了数字流域模型的淤地坝模块,应用改进后的模型模拟皇甫川流域水沙过程并评估淤地坝减水减沙效益.研究结果表明:不考虑淤地坝的情况下,模型对淤地坝数量较少的近似自然状态期(1979~1986年)适用性较好,而对淤地坝数量较多的受扰状态期(2007~2012年)适用性较差,水沙模拟值明显高于实测值.考虑淤地坝的物理机制后,与原模型相比,除个别年份外,改进后的模型对受扰状态期水沙过程的模拟精度具有明显的提高,其逐日流量NSE(Nash-Sutcliffe效率系数)从-51.085~0.450提高到0.134~0.802,逐日输沙率NSE从-56.740~0.390提高到0.066~0.857.使用改进后的模型计算得受扰状态期淤地坝平均拦水量为0.142×10^(8)m^(3),减水效益为40.9%;平均拦沙量为0.050×10^(8)t,减沙效益为50.3%.研究成果可为认识淤地坝调控水沙物理机制提供模型支撑和为淤地坝建设规划提供科学指导.

关键词：淤地坝减水减沙减水减沙效益水土保持数字流域模型分布式水沙模型皇甫川