清华大学学报(自然科学版)

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• 森林火灾火场重要保护目标受灾失效动态风险评估方法

  王正, 纪杰, 丁龙, 段君瑞

  为量化森林草原火灾蔓延过程中, 周边重要保护目标(如输电线路、危化品储罐、核设施等)所受到的动态威胁, 该文提出一种融合数据驱动火蔓延预测与动态Bayes网络(dynamic Bayesian network, DBN)的火场风险评估方法, 重点解决火灾蔓延的各类影响因素随时空环境持续变化带来的风险预测误差累积问题。首先将火场及其周边重要保护目标离散为节点, 构建包含时序自相关与空间蔓延依赖的DBN结构, 并将火蔓延速率和火强度预测结果输出映射为节点间条件概率与载体失效概率模型参数, 随后动态修正网络中的条件概率, 实现受灾失效概率的时变推演。针对仅存在单一承灾载体的风险场景, 使用所提方法预测出：在多种燃料可燃性和风速的组合工况下, 输电线路、危化品储罐和核设施的24 h失效概率的最大增幅分别为22%、68%和20%;针对存在多个保护目标的风险场景, 使用所提方法预测出：在野火蔓延条件下, 不同重要保护目标结构差异性和与火线距离远近导致输电线路、危化品储罐和核设施的24 h失效概率分别达到0.24、0.14和0.53。在此基础上, 引入隔离带开设策略, 随着对蔓延速率的抑制效能增大, 输电线路节点受灾失效概率可降至0, 核设施可降至0.12, 而危化品储罐由于分布情况和自身结构存在差异, 受灾失效概率并未显著下降。结果表明, 所提方法能够在火情与环境持续变化条件下动态更新不确定性传播过程, 为干预策略评估提供定量依据。

• 沉积煤粉自燃引发爆炸的特征和临界条件

  范晶, 马砺, 郭睿智, 刘西西, 严月园

  为揭示制粉系统中沉积煤粉自燃引发爆炸临界条件和动力学特征, 该文建立了煤粉燃烧爆炸实验系统, 结合数值模拟对热环境下的沉积煤粉自燃、喷射和爆炸过程及行为特征进行研究。首先, 研究了煤粉在不同温度热板上的温度演化特征和自燃临界条件; 然后, 对不同自燃程度的煤粉层进行卷扬, 分析了煤粉云的形成、点火、爆炸过程; 最后, 基于Fluent软件的离散项(DPM)、气固燃烧及P-1辐射等模型仿真了煤粉卷扬引发爆炸的过程, 分析了颗粒轨迹、速度和爆炸温度等特征, 确定了诱发爆炸的氧气和煤粉云质量浓度的临界值。实验结果表明：沉积煤粉层厚度越大, 可引发自燃热板温度越低, 厚度为10 mm时, 热板温度最低为225℃; 当煤粉层内部温度处于275~395℃时, 卷扬后可诱发煤粉云爆炸; 当环境温度从120℃升高至200℃时, 煤粉燃爆的临界煤粉云质量浓度从380 g/m3降低至95 g/m3, 氧气体积分数从21%降低至13%。煤粉云爆炸主要发生在减速扩散和自由扩散阶段, 自燃阶段积累的CO等可燃气体被高温颗粒点燃, 气相燃烧点燃煤粉颗粒及其固相燃烧是自燃引发爆炸的重要过程。

• 基于非平稳模型的顺风野火湍流特征分析

  林传营, 李兴东

  野火作用下流场非平稳性显著, 但传统的Reynolds平均和分解方法(Reynolds averaging and decomposition, RAAD)因平稳假设难以有效分离趋势项, 常导致湍流参数高估。因此, 为了揭示顺风野火过境时火场上空湍流的垂直分布与异质特性, 该文提出了一种基于非平稳模型的湍流分量重构方法, 围绕一次大尺度计划烧除过程中火场内气象塔不同高度处的三方向风速、温度观测数据, 选用基于经验模态分解的非平稳模型, 分离时变平均风、次中尺度脉动与湍流脉动, 并进行湍流数据重构。然后分析了湍流特性参数随高度的变化规律, 并与平稳模型获得的结果进行对比。结果表明：与RAAD方法相比, 该研究所提方法显著降低了湍流参数的高估; 顺风野火过境时, 湍流动能与湍流动量通量在3 m和10 m高度处量级较为接近, 而在20 m高度处显著高于低层; 湍流感热通量的峰值则随高度增加呈递减趋势。该研究突破传统平稳性假设的局限性, 提供了更符合物理本质的火场湍流统计特征, 为校准耦合火-大气数值模型中的亚格子湍流参数化方案提供了关键实测依据, 同时对提高近场烟雾扩散的预测精度具有重要的指导意义。

• 凹型竖向结构下的火羽流特性行为

  徐华升, 宗志伟, 张琼, 何华刚, 陆凯华

  为了探究凹型结构下火羽流行为特性的演变规律, 该文依靠1∶10缩尺寸实验平台, 设计不同尺寸、不同热释放速率的凹型竖向结构火灾试验, 进行平均火焰高度和竖向温度等特征参数分析, 揭示凹型竖向结构下火羽流行为的演变机制。结果表明：平均火焰高度随着热释放速率的增加而升高, 最高可达0.68 m, 竖向温度随高度增加有所下降, 且受结构尺寸影响。明确了结构尺寸和火源位置两者耦合作用下所产生的氧气供应和热反馈效应对火羽流特征参数的影响, 通过引入无量纲结构因子(d/D)a(w/D)b, 建立凹型结构下火羽流平均火焰高度以及竖向温度的无量纲表征模型。该文为火灾动态演变模型构建以及火灾扑救提供了理论依据, 具有现实指导意义。

• 抽水蓄能电站高落差电缆隧道火灾风险评估和防控对策

  谭甜甜, 张佳庆, 过羿, 纪杰, 尚峰举

  为了评估高落差电缆隧道的火灾风险, 明晰导致火灾发生的危险事件, 该文建立了基于风险矩阵的风险评估方法, 从火灾发生概率和后果严重性两方面评估高落差电缆隧道的火灾风险。一方面, 识别火灾发生路径, 构建事故树, 分析不同坡度下顶上事件发生概率, 计算各基本事件的重要性, 确定需要重点防控的基本事件。另一方面, 根据隧道内设施的承灾能力建立后果严重性等级划分标准, 通过CFD软件模拟不同坡度下火灾的后果严重性, 根据风险矩阵得到高落差电缆隧道的火灾风险等级。最后, 根据评估结果, 提出具有针对性的防控对策建议。评估结果表明, 高落差电缆隧道的火灾风险等级处于低风险等级, 风险较为可控。该评估方法能识别高落差电缆隧道的火灾风险及其关键致因, 为决策者提供科学依据。

• 基于激光散射和消光的烟雾-甲烷复合探测

  陈洋, 黄丽达, 肖骁, 王科迪, 李开远, 陈涛, 袁宏永

  当居民厨房、餐饮场所及化工厂车间等复杂环境中发生火灾时, 火灾烟雾常与可燃气体泄漏风险伴生, 增加了监测难度。现有火灾探测器虽然种类丰富, 但大多针对单一风险; 多传感器组合虽可实现多目标监测, 但存在成本高和集成度低等问题。为实现在复杂环境中针对火灾烟雾与甲烷气体泄漏风险的复合监测和预警, 该文提出一种基于1 653nm散射-消光复合信号的复合探测方法, 并研制了新型单激光光源烟雾-甲烷复合探测器。该探测器采用多反射镜与十字交叉光路设计, 相较于对射式设计在相同体积下实现了6倍吸收光程和4倍散射信号增强; 实验结果表明, 该探测器可测出0.008%的甲烷体积分数、0.05 dB·m-1的烟雾消光强度, 具备高精度的烟雾与甲烷复合探测能力。

• 框架式叠层结构自动制孔锪窝误差研究

  张继文, 王国磊, 吴丹

  飞机机体叠层结构装配常采用多功能末端执行器和钻铰锪一刀自动制孔工艺, 并利用末端执行器的压脚监测和补偿工件变形对锪窝精度的影响。当压脚无法随着工件面形进行自适应调整时, 会带来系统性补偿误差。为了揭示叠层结构自动制孔时的锪窝误差和补偿误差规律, 该文设计了一种反映飞机结构装配制孔变形特点的框架式叠层结构模拟试件, 通过有限元仿真和自动制孔试验来定量研究飞机典型结构特征参数和孔位参数对叠层结构变形、锪窝误差和补偿误差的影响。研究结果表明：框架式叠层结构下层通过其支撑作用改变上层工件的变形行为, 肋板可以增强框架刚度从而减小上层工件的局部变形。叠层结构参数对锪窝法矢和顶角误差影响较小, 对深度误差和补偿误差影响显著, 但补偿误差在一定叠层结构参数范围内保持稳定。该补偿误差规律有助于通过前馈方式消除系统性补偿误差从而有效提高框架式叠层结构件的锪窝精度。

• 谐波齿轮传动机构的抗冲击性能

  纪姝婷, 卞馨仪, 翟梓楦, 袁尔浩, 康存锋

  人形机器人的运行工况日趋复杂, 加剧了其谐波减速器的碰撞风险, 该文提出一种新型接触冲击力计算方法以表征谐波减速器的抗冲击性能。该方法基于Hertz接触理论模型, 精准计算带载荷的谐波齿轮传动的多个啮合冲击点, 确定齿侧间隙下的初始相对速度, 并结合Hunt-Crossley含阻尼系数的滞后模型, 计算出谐波传动碰撞过程中的接触力。运用瞬态动力学对理论冲击力模型进行验证。系统探讨柔轮凸圆弧半径、凸齿圆心偏移量、凸齿圆心移距量、齿根壁厚等齿廓参数对冲击力的影响机制。结果表明, 凸圆弧半径对啮合冲击力的影响最大, 齿根壁厚对啮合冲击力的影响最小。该研究成果为谐波减速器抗冲击性能提升提供理论支撑。

• 基于多物理场耦合的晶圆键合残差建模方法

  王锐, 鲁森, 杨开明, 朱煜

  针对高精度晶圆键合中, 由晶圆弹性变形、夹持约束条件和键合波传播动态耦合导致的键合残差问题, 该文提出一种综合考虑晶圆各向异性、夹持边界效应和键合波传播行为等多物理场耦合分析模型。首先, 通过构建基于各向异性薄板弹性力学-气膜动力学-接触力学-键合工艺过程的耦合仿真模型, 实现了300 mm晶圆键合过程的亚微米级精度有限元模拟, 并结合图案化晶圆几何形状测量试验验证了该模型的有效性; 随后, 基于上述模型系统研究了键合头材料与面形和晶圆初始间隙对键合残差的影响, 并验证了工艺策略调整对残差的抑制效果。结果表明：采用平面键合头和低刚度材料(聚乙烯)可使键合残差降低约40%;随着初始间隙的增加, 残差二范数和3σ值均增加。该文研究结果可为晶圆键合工艺参数的协同优化提供参考。

• 一种伸缩机构中滑动导轨的动力学特性

  蒲柯良, 宋雨遥, 张佳悦, 吴军

  变体飞行器伸缩机构的滑动导轨间隙大且刚度低, 导致其动力学特性复杂。该文针对伸缩机构中滑动导轨动力学建模方法和动力学特性开展研究, 考虑导轨变形, 采用有限元梁单元建立导轨模型; 考虑导轨与滑块之间的间隙, 提出一种判断导轨和滑块接触状态的检测方法。为避免导轨与滑块线接触和面接触的接触力模型计算的接触力差距较大问题, 该文修正了变刚度接触力模型的阻尼系数; 综合考虑导轨变形和导轨与滑块之间间隙, 基于Lagrange乘子法和Baumgarte违约修正建立了滑动导轨动力学模型, 并提出动力学模型的稳定数值求解方法, 揭示了导轨弹性、间隙尺寸和导轨形式对滑动导轨动力学特性的影响规律。结果表明：考虑导轨弹性时, 滑块侧向位移增大, 接触力峰值降低; 间隙尺寸增大会引起更剧烈的碰撞, 使导轨变形增大; 相较于单导轨, 双级双导轨形式下滑块侧向位移显著增大, 且发生卡滞现象的可能性更大。该文研究结果可为伸缩机构滑动导轨的设计和控制提供参考。