最新刊期
      2023 年 第 55 卷 4 期

        面向双碳目标的环保型电力设备

      • 贾申利,肖先勇,周凯
        2023, 55(4): 1-2. DOI: 10.15961/j.jsuese.202300456
          
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        发布时间：2024-01-10
      • 张嘉伟,魏晓飞,蒙轩,付庚,叶子帆
        2023, 55(4): 3-10. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200930
        摘要：随着新型电力系统的加速建设以及电力设备智能化程度的不断提升，电力设备的低碳化和数字化成为重要发展方向。其中，准确测量电力系统电工装备磁场分布是评估其健康状况、计算能量损耗、优化结构设计的关键。针对目前电工装备磁场的测量需求和环保型电力设备的监测瓶颈，本文设计了一种无源全光纤磁场传感器。该传感器将磁–机换能电介质与法布里–珀罗（fabry–pérot, F–P）光学干涉腔相耦合，实现了外磁场的高精度无源测量。首先，根据F–P干涉原理设计了非本征型F–P干涉结构。其次，测试并分析了不同封装材料对传感器磁传感特性的影响。随后，测试传感器在直流磁场下的传感性能，研究了传感器直流磁场测量范围的影响因素，实现了更宽范围的磁场测量。最后，根据电力系统下交流磁场的测试需求，对传感器在交流磁场下的动态跟随性能进行测试。结果表明：该传感器可实现交直流磁场的实时测量，测量范围为0～120 mT，灵敏度为447 pm/mT，分辨率为17 μT。对50 Hz以下的交流磁场具有良好的动态跟踪性能。证明了将其应用于新型电力系统无源磁场测量的可行性。本文所提出的光纤磁场传感器具有测量范围广的优点，具有无源测量特性，无需更换传感器电池，且无需感应取电，满足低碳电力系统的发展要求。  
        关键词：磁场传感器;F–P干涉;光纤;磁–机换能电介质   
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        发布时间：2024-01-10
      • 杨为,朱太云,任汀,王青于,靳守锋
        2023, 55(4): 11-20. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200890
        摘要：电连接结构的接触电阻（electrical contact resistance，ECR）是评价电接触系统可靠性的重要指标。表带触指是环保气体GIS设备中重要的电连接部件，其ECR不仅影响回路总电阻，通流过大导体振动、安装不当等因素也会导致电接触不良，引发触指局部过热，引起绝缘放电等故障，还会关系到环保气体GIS设备的运行稳定性。为研究触指ECR的产生机理和变化规律，采用MATLAB和激光共聚焦显微镜捕捉接触区域灰度图像，获得触指接触区域的名义接触面积Aa和分形维数D；运用分形理论模型，数值计算了表带触指电连接结构的ECR，并通过ECR试验测量，验证了应用分形理论模型解析计算表带触指电连接结构ECR的合理性和准确性；研究了表带触指电接触过程中的弹性变形、第一弹塑性变形、第二弹塑性变形和塑性变形4个阶段，对比分析了不同分形维数对触指电接触实际接触面积的影响规律。研究发现：分形理论模型可用于GIS设备用表带触指的接触电阻理论计算；触指电接触表面形貌越复杂，分形维数越大，触点变形越先进入弹塑性阶段，也越易进入第二弹塑性变形阶段，达到相同承载能力所需实际接触面积也越小。研究成果有助于环保气体GIS电连接结构的优化设计，可为环保气体GIS设备触指电连接结构的多物理场计算和电接触性能的状态评估提供理论基础。  
        关键词：分形模型;表带触指;接触电阻;弹塑性变形;实际接触面积   
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      • 赵隆,王如水,代鹏飞,朱超,黄新波
        2023, 55(4): 21-29. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200951
        摘要：输电线路弧垂是线路安全运行的重要指标，针对输电导线温度非均匀分布和蠕变带来的弧垂计算偏差，本文开展了径向温度和蠕变对弧垂计算模型影响程度的研究。首先，基于导线的物理构成和结构特征建立了导线的有限元模型，对不同运行状态下的输电导线进行有限元仿真，分析了不同运行状态下的导线径向温度分布规律；其次，建立了考虑径向温差的导线应力、导线径向热膨胀和蠕变的弧垂计算模型，基于力平衡原理研究了考虑径向温差的导线径向热膨胀、导线应力与伸长量的关系，分析了蠕变与伸长量的关系，并通过伸长量与弧垂的关系函数得到导线弧垂；最后，为了验证该弧垂计算模型的准确性和实用性，本文基于陕西某110 kV实际输电线路进行了验证。结果表明：对于本现场实际运行的导线来说，蠕变对弧垂计算的准确性影响最大，其次是导线径向温差，最后是径向热膨胀；在忽略导线径向温差、径向热膨胀和蠕变时，弧垂计算的误差范围为−45.2%～−30.0%，最大误差高达45.2%，而本文的优化模型计算误差小于1.1%；当忽略导线径向温差和径向热膨胀时，导线弧垂计算存在误差，且随着径向温差增大，忽略导线径向温差和径向热膨胀带来的弧垂计算误差也逐渐增大。  
        关键词：输电导线;径向温度;蠕变;弧垂;有限元仿真   
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        发布时间：2024-01-10
      • 赵莉华,滕富莉,卓然,高萌,任俊文
        2023, 55(4): 30-37. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200967
        摘要：随着电力设备逐渐向高电压、大容量、高集成化方向发展，对其绝缘材料的导热性能提出了更高的要求。本文借鉴天然珍珠母的仿生结构，以耐高温的1维芳纶纳米纤维（ANF）组成骨架网络，以高导热的2维氮化硼纳米片（BNNS）为功能基元，构筑复合绝缘纸。首先，利用柠檬酸锂充当表面活性剂，将六方氮化硼（h–BN）通过超声与水热反应相结合的方法剥离成BNNS，并对其微观形貌及分散特性进行研究；然后，采用浓碱去质子化法剥离Kevlar 纤维（AF）制得（ANF）；分别以ANF、BNNS为纳米基元，通过真空辅助抽滤技术制备出BNNS/ANF复合绝缘纸，并对其微观形貌结构、导热性能、力学性能、击穿性能进行了分析。结果表明：所剥离制备的薄层BNNS具有高长径比，BNNS与ANF之间均匀堆积形成致密的砖泥结构，这种砖泥结构有助于改善复合绝缘纸的击穿性能和力学性能；当 BNNS 填充质量分数为20%时，BNNS/ANF 复合绝缘纸的标准击穿场强达到313.04 kV/mm，抗拉强度达到216.64 MPa，分别是纯 ANF绝缘纸的166.47%和126.38%；此外，BNNS在ANF网络中定向分布形成连续导热的桥联，显著提高了复合绝缘纸的导热性能，当BNNS填充质量分数为30%时，复合绝缘纸的热导率达到5.31 W/(m·K)，是纯ANF绝缘纸的211.55%。该复合绝缘纸具有高导热性、良好的力学性能以及优异的电绝缘性，能有效解决设备绝缘散热问题，有望在电气设备中推广应用。  
        关键词：氮化硼纳米片;芳纶纳米纤维;复合绝缘纸;砖泥结构;导热性能   
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        发布时间：2024-01-10
      • 宁文军,李荣辉,沈雪明,黄小龙,赵莉华,贾申利
        2023, 55(4): 38-46. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200996
        摘要：大气压短间隙放电是产生冷等离子体的一种有效手段，常见的交流驱动电源有射频电源和千赫兹交流电源，但这两种不同频率电源所导致的气隙放电特性对比尚鲜有研究。本文以1 mm间隙的针–板电极这一极不均匀电场结构作为放电气隙，将之等效为球坐标系下的1维结构，建立基于迁移–扩散近似下的多组分、局部能量近似的经典等离子体流体模型，仿真研究了13.56 MHz射频（RF）电源或50 kHz交流（LF）电源所驱动的1 mm氦气（混合0.1%氮气）间隙的放电过程，关注了在1 mW和1 W这两种不同的沉积能量下的放电特性。结果表明：RF放电在1 mW时表现为电晕放电模式，此时间隙中的带电粒子密度低，且主要集中在功率电极附近；当沉积功率升高至1 W时，间隙放电则呈现出明显的辉光放电特征，电极附近出现鞘层，且气隙中间存在准电中性的等离子体区域；LF放电的起始电压幅值要高于RF，且LF放电随电压升高会较为平顺地从电晕放电模式过渡到辉光放电模式，而不存在明显的转换过程。对两种频率的放电而言，电晕放电模式下，潘宁电离是主要的电离路径；而辉光放电模式下，直接的电子碰撞电离成为主导的电离通道。此外，在相同的沉积功率下，LF放电的最大电子密度、电子温度和正离子温度都要高于RF放电，但时间均匀性较差，呈现出明显的脉冲放电特性。  
        关键词：大气压低温等离子体;气体放电;间隙击穿;等离子体模拟   
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      • 杨昊,周思佳,张璐,赵恒,曹雯,陈晋鹏
        2023, 55(4): 47-56. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201069
        摘要：长期运行的油浸式电力设备内部会有少量气泡存在于变压器油中，而设备内部复杂的电场环境会使油中气泡运动形态发生改变，这将会引起电场畸变并最终造成绝缘劣化。本文设计了气泡自动生成装置，通过该装置模拟油中气泡产生，利用高速相机对其运动轨迹进行捕捉；通过有限元仿真软件建立气液两相流模型，获取气泡周围电场分布；借助仿真模型从力学角度对气泡上升时所伴随发生的回旋现象开展讨论。利用图像处理软件对拍摄结果进行处理，分析气泡尺寸以及电场强度对于气泡运动轨迹的影响，结果表明，气泡尺寸增大以及电场强度的增加均会改变气泡自身受力情况使运动偏移量增大；结合仿真计算分析可知，极不均匀电场的存在使气泡不同区域场强有所差异；对气泡表面区域进行划分并利用仿真结果对该区域受力进行计算，发现气泡不同区域受力方向各异，极不均匀场的存在导致表面受力不均是引发气泡位移、形变最终造成多气泡回旋的主要原因；两电极间出现多气泡短暂聚集，使电场畸变进一步加强，造成绝缘性能显著下降。研究结果可应用于长期运行的油浸式电力设备运行状态评估。  
        关键词：气泡;变压器油;气泡回旋;极不均匀电场   
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      • 田双双,王家浩,袁子安,张晓星,靳小平,刘伟豪,邓广宇
        2023, 55(4): 57-66. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200897
        摘要：目前，C6F12O环保绝缘介质已在气体开关柜中得到应用，选择合适的多孔材料对C6F12O混合气体分解产物吸附处理，既能保证开关柜的稳定运行，也可为大力推广C6F12O环保气体开关柜的应用提供安全保障。本文通过气体吸附实验探究ZSM-5分子筛对C6F12O/CO2混合气体模拟过热故障后分解产物的吸附性能及对两种主要绝缘介质C6F12O、CO2浓度的影响；同时，基于分子动力学仿真模拟吸附过程，计算浓度分布函数、径向分布函数、扩散系数等动力学参数以厘清吸附机理。实验结果表明：模拟过热故障后C6F12O/CO2混合气体的主要分解产物为C2F6、C3F8、C4F10、C3F6、C3F7H、C5F12和C6F14。ZSM-5分子筛对大部分分解产物都有吸附作用，对C3F8、C4F10、C3F7H这3种分解气体吸附性能优异，吸附率均超过80%；对C2F6、C3F6分解气体有一定的吸附能力，但吸附效果不明显；对C5F12、C6F14分解气体基本不吸附。实验前主绝缘介质C6F12O、CO2浓度较高，ZSM-5分子筛对其浓度影响较小，实验后吸附率分别为1.77%和0.25%。理论计算结果表明：ZSM-5分子筛能够很好地吸附动力学直径与自身孔径相当的气体分子（C2F6、C3F8、C4F10、C3F6、C3F7H），对于体积过小或过大的气体分子（CO2、CF4、C5F12、C6F12O、C6F14）吸附作用不明显。ZSM-5分子筛可用于C6F12O环保绝缘气体开关柜中对分解产物进行吸附处理，以保证设备安全稳定运行；同时，为相关电力防护设备中过滤材料的选择提供参考。  
        关键词：C6F12O/CO2混合气体;过热分解产物;ZSM-5分子筛;吸附实验;分子动力学模拟   
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      • 袁发庭,曾继皓,姜岚,陈炜,姬睿氢,唐波
        2023, 55(4): 67-78. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200933
        摘要：金属导体用量和损耗是干式铁心电抗器优化设计过程中需要考虑的关键因素，为有效降低损耗和成本，本文提出基于多物理场仿真和VIKOR决策的干式铁心电抗器多目标优化方法。以干式铁心电抗器为研究对象，建立磁场–流场–温度场模型，将磁场计算获得的铁心和线圈损耗密度作为热源，经过流–热耦合计算得到电抗器温度分布；建立磁场–结构场模型，将基于磁场计算得到的电磁力作为应力项，从而获得铁心及线圈振动位移分布，通过有限元仿真与拉丁超立方试验设计相结合的方法，得到不同结构参数下铁心电抗器温升与振动位移结果。为进一步简化优化流程，采用灵敏度分析方法进行参数降维，建立设计参数与温升、振动之间的代理模型，并采用多目标遗传算法得到满足电抗器性能要求的Pareto前沿解集。考虑到电抗器金属导体用量与损耗之间相互冲突，引入VIKOR综合决策方法，在确定优化目标权重的基础上，计算Pareto解集的利益比率大小，以最小利益比率确定最优设计参数组合，通过仿真验证优化设计方法的正确性。优化后的铁心电抗器与优化前相比，在损耗仅增加4.4%的情况下，铁心和线圈金属导体用量分别减少了3.0%和16.6%，同时在满足设计要求的基础上温升和振动分别降低了7.4%和16.7%。所提方法可以有效提升电抗器性能，为电抗器优化设计提供指导。  
        关键词：铁心电抗器;有限元建模;代理模型;多目标优化;VIKOR决策   
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      • 董芸滋,高嫄,李秀峰,董瑞雪,刘正第,韩圣斌
        2023, 55(4): 79-88. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200929
        摘要：电力系统日益提升的电压等级和复杂的运行环境，对电缆绝缘材料提出更多、更高的要求，工作在潮湿和强电场的极端环境下的绝缘材料应具有优越的电气、热和力学性能。而聚合物基纳米复合电介质以其独特的结构和优异的电气、力学及化学等性能获得了广泛关注。纳米复合材料的性能依赖于纳米粒子与交联所形成的微观结构形态的稳定性，为了从微观结构角度研究交联度对纳米复合材料水树枝老化特性的影响，通过调控交联时间，制备了两种不同交联度的交联聚乙烯/蒙脱土（XLPE/OMMT）纳米复合材料，并进行了加速水树枝老化实验。通过偏光显微镜观察水树枝形貌，统计水树枝长度和引发概率，并通过测试凝胶含量表征纳米复合试样的交联度；利用傅里叶红外光谱（FTIR）分析老化前后试样的化学组成变化，计算表征纳米复合试样老化程度的羰基指数和亚甲基指数；借助扫描电子显微镜（SEM）对比老化前后、水树区和非水树区结晶形态的变化，研究水树枝生长对晶体结构的破坏。结果表明：纳米复合材料的交联度影响了水树枝的引发概率，正交联状态下试样的水树枝形貌稀疏，分形维数和占空比小；试样老化过程中存在电化学降解现象，羰基基团增多；适当的交联度，可以使3维网状结构更加完善，试样的晶体尺寸差异性减小，晶体分布均匀，且老化后晶体破坏程度降低。有机化蒙脱土（OMMT）片层与基体之间形成牢固的界面作用力，增强了分子链韧性，且OMMT的屏障效应与完善的交联网络共同作用阻碍了水分子的扩散和聚集，抑制了微观水隙的产生，提高了纳米复合材料的耐水树枝能力。  
        关键词：交联度;纳米复合材料;交联聚乙烯;有机蒙脱土;水树枝老化   
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        发布时间：2024-01-10

        河流保护与治理

      • 李然,李克锋,冯镜洁,王远铭
        2023, 55(4): 91-101. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200117
        摘要：水坝泄水总溶解气体（total dissolved gas，TDG）过饱和可导致鱼类患气泡病甚至死亡，给水生态系统健康带来严重危害。近年来随着中国越来越多的高坝工程投入运行，水坝泄水气体过饱和对鱼类影响逐渐成为制约高坝泄水安全运行的重要生态风险。本文通过对国内外研究文献的梳理分析，结合研究团队近年来在该领域的研究成果，从鱼类耐受性响应、过饱和TDG规律、减缓技术以及发展动态等几个方面对水坝泄水气体过饱和对鱼类影响及减缓技术研究开展了回顾分析。首先面向中国长江上游特有鱼类保护需求，分析了溶解气体过饱和危害以及不同特征鱼类对溶解气体过饱和的躲避能力和耐受规律。在此基础上，从过饱和TDG生成和释放角度，揭示了水坝泄水溶解气体过饱和规律及其模拟预测方法，从工程措施、调度措施和生态功能利用措施三方面阐述了过饱和气体减缓技术及其工程应用现状。基于中国高坝工程泄水生态安全需求，开展了国内外发展动态分析，指出进一步深入揭示高坝泄水气体过饱和机制、完善和发展高坝泄水过饱和气体预测方法和技术、加强和深化过饱和TDG减缓技术的工程可行性研究、实施基于减缓过饱和TDG影响的流域梯级多目标优化调度、推进中国关于鱼类对过饱和TDG耐受标准的建立是当前面临的关键问题与技术挑战。本文成果旨在解决水坝泄水气体过饱和问题以及高坝运行生态安全保障研究提供思路借鉴和科学依据。  
        关键词：水坝泄水;总溶解气体;过饱和;鱼类;耐受能力;减缓措施   
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      • 叶晨,王协康
        2023, 55(4): 102-109. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200072
        摘要：山区多沙河流漂石河段受水沙条件影响，洲滩发育丰富，改变了漂石河段的水沙运动规律及洲滩演变特征。基于野外调查与室内物理模型试验，探讨了漂石对多沙河段水动力特征及洲滩发育过程的影响。通过都江堰市岷江支流白沙河与龙溪河的野外调查，分析了典型漂石河段床沙组成及漂石河床形态特征。由于山区河流暴雨洪水及挟带的泥沙及河道地形多变等因素，大量上游来沙在漂石河段落淤，河床内洲滩大量发育。通过系列室内物理模型试验，分析不同泥沙补给条件下漂石河床的洲滩形成过程及河床形态变化与水位响应过程。研究结果表明：暴雨山洪产生丰富的泥沙补给，导致白沙河与龙溪河的粗颗粒平均粒径增大，由于大量漂石的存在，形成漂石河段。漂石河段水力要素多变，河床形态剧烈调整。当上游泥沙补给时，受漂石周围水流变化影响，漂石河床局部以横向带状溯源淤积为主，下游段两侧淤积突出，极易形成漂石洲滩，从而增大局部河床比降，减缓河道下切。上游来沙不均匀过程显著改变了漂石河床局部水位及泥沙淤积规模。因此，通过野外调查与室内物理模型试验，揭示了水沙条件下的漂石河床形态变化特征，山区河流上游来沙与漂石共同影响洲滩发育过程，表明漂石对山区多沙河流的水沙运动产生了较大影响。  
        关键词：山区多沙河流;水沙运动;漂石洲滩;河床演变   
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      • 雷明,叶晨,王协康
        2023, 55(4): 110-118. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200065
        摘要：山区流域地表松散破碎，在地震、暴雨等动力条件影响下其大量松散碎屑物质进入沟床，使得山区河流的泥沙补给条件发生突变。由于不同河段输沙能力差异明显，泥沙易在局部河段淤堵，河床剧烈调整，水位显著抬升，这给山区河流的水沙灾害防治造成巨大威胁。基于岷江支流白沙河与龙溪河局部河段的野外调查发现，在干支交汇段沿程边滩漂石结构突出、河道主槽冲刷强、边滩淤堵少。在此基础上，为了分析山区河道中边滩交错漂石结构对水沙运动及河床变形的影响，采用CFD−DEM（计算流体力学CFD，离散单元法DEM）耦合模型，针对不同边滩交错漂石结构下的输沙及河床响应过程开展模拟研究，重点分析了流量、沟道来沙量及边滩漂石结构对河道下游调沙减灾效果的影响。计算结果表明：山区河道中的边滩交错漂石能够有效改变泥沙颗粒运动轨迹，使得绝大部分颗粒从河道中央向下游输移，进而减少颗粒在河道两岸淤积；边滩交错漂石可以调节山区河流下游河段的来沙过程，控制来沙强度和来沙量，减少泥沙在保护河段落淤，进而有效降低河道的沿程水位。随着边滩漂石布设间距的减小、流量的降低及沟道内来沙质量的增大，边滩漂石对松散堆积体的固沙效果越好，对下游河道的削峰调沙及保护河段的防灾减灾作用越明显。  
        关键词：泥沙补给;水沙输移;河床变形;漂石;数值模拟   
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        发布时间：2024-01-10
      • 陈任飞,彭勇,吴剑,李昱,岳廷秀
        2023, 55(4): 119-129. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200033
        摘要：水面漂浮物严重破坏河道景观和水生态环境，通过摄像头实施河湖可视化监管以改善河湖面貌，已成为积极落实“河湖长制”政策的重要技术手段。但由于河流环境复杂多样，存在水波扰动、动态光影和强光反射等诸多噪声问题，现有方法难以满足水面漂浮物实际管理需求。本文结合单帧检测与多帧滤波，提出了一种基于深度学习的水面漂浮物目标智能检测跟踪方法。在单帧检测中，删除5×5及以下低分辨率特征图，通过特征求和方式增强76×76高分辨率特征图以提升单步多框目标检测（single shot multibox detector，SSD）在小尺度漂浮物目标的检测精度；在多帧滤波中，基于时空相关性和运动信息构建自适应滤波（adaptive filter，AF）算法框架，计算视频帧中帧与帧之间的关联性，根据漂浮物目标的空间位置变化幅度自适应删除偏离运动轨迹的漂浮物目标检测结果，以降低漂浮物跟踪漂移；在信息融合阶段，通过特征对比融合检测和滤波信息，实现检测信息和跟踪信息动态互补，并以不同检测跟踪场景数据集进行训练与验证。结果表明：在简单水面场景下中心位置误差为8个像素点时，该方法的检测跟踪精度达到100%，成功率面积为0.94，平均速度达到17.27 fps，计算复杂度为7.18×109；在复杂水面场景下中心位置误差为10个像素点时，该方法的跟踪精度和成功率面积分别为93.24%和0.81，平均速度和计算复杂度分别为15.02 fps和8.76×109，在复杂环境下兼顾了检测跟踪精度和效率。  
        关键词：深度学习;水面漂浮物;检测跟踪;特征融合   
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        发布时间：2024-01-10
      • 王英珍,夏军强,邓珊珊,周美蓉
        2023, 55(4): 130-141. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200133
        摘要：黄河下游滩岸变形时常发生，对河床稳定、防洪安全、滩区耕地保护等方面产生诸多不利影响，因此有必要在河道水沙数学模型中考虑滩岸变形计算。以1维水沙输移及床面冲淤计算模型为基础，结合滩岸崩退与淤长计算模块，建立了能同时模拟河床纵向冲淤与滩岸横向变形的耦合模型。采用该模型计算了黄河全下游（755 km长河道）的河床纵向与横向变形过程，选取2018年及2020年作为率定及验证年份对该模型进行测试。计算结果表明：该模型可以很好地模拟黄河下游滩岸崩退及淤长过程，黄河下游游荡段、过渡段、弯曲段河段平滩宽度的计算误差在2018年分别为4、5、1 m， 2020年分别为12、14、4 m；选取典型断面进行分析，发现该模型可以精细地模拟黄河下游不同河型河段的断面形态变化过程、滩岸崩退及淤长宽度的变化过程，以及大致准确地模拟河床冲淤厚度变化过程。黄河下游3个河段滩岸变形程度差异较大，游荡段滩岸变形幅度远大于过渡段与弯曲段，过渡段与弯曲段变形幅度相差不大；3个河段滩岸崩退幅度均大于淤长幅度，体现出下游河床呈现展宽的趋势；黄河下游滩岸崩退与淤长会对河床冲淤产生重要影响，其中游荡段滩岸变形对于河床冲淤影响较大，而过渡段及弯曲段的河床变形主要表现为水沙不平衡输移引起的床面冲淤。  
        关键词：滩岸崩退;滩岸淤长;床面冲淤;耦合模型;黄河下游   
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        发布时间：2024-01-10

        土木工程

      • 石钰锋,张涛,曹成威,阳军生,陈祥胜
        2023, 55(4): 142-152. DOI: 10.15961/j.jsuese.202201107
        摘要：隧道预支护技术作为重要施工辅助方法，除能够有效加固围岩外，还具有良好的承载、抑制变形作用。为了更好地模拟隧道预支护拱棚的真实受力，基于注浆管棚、水平旋喷拱棚所呈现出的壳体特性，首先，建立正交曲线坐标系，通过位移函数求解控制方程；然后，引入Pasternak地基模型，建立Pasternak双参数地基的拱棚壳体力学模型；最后，推导出拱棚挠度、内力、地基反力的解析解表达式。将所提模型进行案例计算和数值验证，再对预支护拱棚的变形、横纵向受力及地基接触反力进行分析，探讨了拱棚设计参数对旋喷拱棚变形的影响。与既有文献的分析方法对比表明，所提模型考虑了岩土体的连续性和注浆加固区整体性影响，相比传统方法理论上更贴近拱棚预支护真实受力状态；解析法和数值法得出的整体挠度曲线均呈勺形分布，结果吻合程度较好。力学分析表明：纵向上，拱棚能很好地调整压力分布，一定程度上使内部围岩处于免压状态；以开挖面为界，拱棚纵向弯矩、剪力的影响范围约为5倍开挖进尺。横向上，拱脚处剪应力起主导作用，拱顶处主要由正应力主导且容易发生材料破坏。不同参数对拱棚结构变形影响程度不同，总体表现为初始挠度>开挖进尺>桩径>开挖高度。  
        关键词：隧道工程;预支护拱棚;壳体模型;双参数地基;解析解;受力变形   
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        发布时间：2024-01-10
      • 童艳光,刘文召,刘飞禹,武文静,蔡增姣,张亿凯
        2023, 55(4): 153-161. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200143
        摘要：传统平面格栅限制土体侧向位移的能力较弱，而立体格栅网在传统平面格栅基础上增强了横肋与土体的侧阻力作用，有助于增强加筋土结构中筋土界面的相互作用，提高加筋土结构抗变形能力和整体稳定性。为了研究网孔尺寸和颗粒粒径对立体格栅网–石英砂界面剪切特性的影响，通过3D打印技术制作不同网孔尺寸和不同增强型横肋数量的立体格栅网，利用室内大型直剪仪进行一系列单调直剪试验。试验分析了颗粒粒径、格栅网孔开口率和增强型横肋数量变化时界面的似黏聚力、摩擦角及剪切强度系数的变化规律；基于试验，建立了界面剪胀系数模型，定量分析了颗粒平均粒径和格栅网孔开口率对立体格栅网–砂界面剪胀特性的影响。结果表明：当颗粒粒径增大，界面似黏聚力最大提高了65.53%，摩擦角最大提高了7.85%，表明颗粒粒径对立体格栅网–砂界面的似黏聚力影响更明显，对摩擦角的影响较小。当竖向应力从20增大至60 kPa，不同立体格栅网–砂界面最大剪胀角降幅为38.1%～60.8%，表明界面最大剪胀角随竖向应力的增加而逐渐降低。当颗粒粒径较大、格栅网孔开口率较小时，界面的剪胀量较大；剪切强度系数随粒径的增大而增加，增幅最高可达8.76%，表明立体格栅网与粒径较大的填料之间具有更好的互锁作用。  
        关键词：颗粒粒径;立体格栅网;筋土界面;剪切特性;网孔尺寸;剪胀系数   
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        发布时间：2024-01-10
      • 朱俊高,蒯青青,王思睿,褚福永
        2023, 55(4): 162-168. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200082
        摘要：土体的静止侧压力系数K0是其重要的力学参数之一，合理地确定土体的K0系数对土工结构应力变形的准确计算有重要的理论意义与实用价值。然而，准确测量土体的K0系数并不容易，对粗颗粒土则更加困难。目前，能研究粗颗粒土K0的试验仪器极少，对K0系数的研究成果相应地也很少，而关于粗颗粒土在不同初始孔隙比下K0系数的变化规律的研究几乎空白。为研究粗颗粒土的静止侧压力系数在不同初始孔隙比下的变化规律，研制了一种新型K0试验仪。该仪器既能用于测定粗颗粒土的K0系数，也可用于一般黏土或砂土K0的测定，且可用于高应力条件下。对某级配粗粒料进行了不同初始孔隙比状态下的K0压缩试验。试验粗颗粒土的母岩为似斑花岗岩，颗粒粒径范围<20 mm。试样高度为8 cm，直径为10 cm，初始孔隙比为0.3、0.4、0.5、0.6，试验最大竖向压力为3.7 MPa。结果表明：当对试验粗粒料在K0状态下加载时，侧向应力与竖向应力之间呈现较好的线性关系，K0为常数。初始孔隙比为0.3、0.4、0.5、0.6时，K0的范围为0.30～0.45，孔隙比对K0系数的影响显著；粗粒料的静止侧压力系数随着初始孔隙比的增加而增加，且两者之间近似呈直线关系；不同初始孔隙比条件下，试样的体积应变与平均正应力（或竖向应力）之间可用幂函数拟合；提出能够反映不同初始孔隙比的粗粒料K0条件下的应力应变关系经验公式。  
        关键词：静止侧压力系数;粗粒料;初始孔隙比;体积应变;平均正应力   
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        发布时间：2024-01-10
      • 刘志恒,陈徐东,胡良鹏,宁英杰
        2023, 55(4): 169-178. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200027
        摘要：混凝土结构在服役期间经常因承受多次冲击荷载作用而发生破坏，基于此，针对橡胶自密实混凝土（RSCC），采用霍普金森压杆装置（SHPB）开展重复冲击压缩试验，研究在重复冲击作用下RSCC的动态力学特性演化。本试验准备橡胶掺量为10%、20%和30%的RSCC试样各1组，准备1组普通自密实混凝土（NSCC）试样作为对照组，研究橡胶掺量和高温作用对RSCC重复冲击性能的影响机制。结果表明：150 ℃高温作用对NSCC和RSCC重复冲击性能影响小，重复冲击性能与常温试样具有一致性。橡胶的掺入有效改善了NSCC的脆性，减小了冲击荷载在试样内部产生的应力，重复冲击次数随着橡胶掺量的增加呈上升趋势，RSCC重复冲击性能优于NSCC。300 ℃高温作用后，NSCC承载能力增加，但仍表现出脆性破坏特征；而RSCC重复冲击性能显著退化，峰值应力下降，抵抗冲击荷载重复作用次数减少，且橡胶掺量越大，性能衰退越明显。此外，在常温及150 ℃高温作用下，RSCC比NSCC吸收能量能力更强；而300 ℃高温作用后，RSCC能量吸收性能衰退，比NSCC累计单位体积吸收能量低。  
        关键词：橡胶自密实混凝土;高温;重复冲击;能量吸收   
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        发布时间：2024-01-10
      • 贺盛,周奕彤,夏鑫,杨红涛,于鹏
        2023, 55(4): 179-187. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200026
        摘要：由于单层网壳结构主要以圆钢管为主，因此圆钢管本构模型更适用于研究单层网壳结构的力学行为。为探究材料损伤累积对单层网壳结构动力响应的影响，本文以圆钢管考虑损伤累积的本构模型为研究对象，通过与Prandtl–Reuss材料本构模型在屈服准则、弹性刚度矩阵、弹塑性刚度矩阵、加载准则、流动法则及应力跌落等方面的对比，分析其力学行为特点，给出其数值积分格式，并基于有限元软件ANSYS开发了考虑损伤累积的用户材料子程序，采用该子程序研究单层网壳在强震作用下的动力响应。结果表明：Prandtl–Reuss材料模型高估了单层网壳结构的抗震性能，考虑材料损伤累积的结构失效时，结构动力极限荷载相比于P–R模型降低了12.24%，绝大多数杆件全截面屈服，形成大量塑性区带。一方面，损伤累积效应会降低结构的动力极限荷载，扩大损伤分布，加深损伤程度，加速结构破坏进程；另一方面，也将造成结构的失效模式由动力失稳向强度破坏转变。本文基于有限元软件ANSYS开发的考虑圆钢管损伤累积的材料子程序具有较高的计算精度，且其数值积分策略及用户材料子程序有效、可行，能够为单层网壳结构的抗震性能提供更加精确的分析与工程设计。  
        关键词：圆钢管;损伤积累;力学行为特点;数值积分格式;应力跌落;用户材料子程序   
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        发布时间：2024-01-10
      • 曾竞骢,施袁锋,戴靠山,廖光明
        2023, 55(4): 188-196. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200013
        摘要：实时高精度位移测量在工程结构的安全和寿命评估方面有着重要作用。为提高基于全球导航卫星系统技术的位移测量的精度及稳定性，本文提出了一种融合加速度和位移数据的自适应多速率卡尔曼滤波方法，来实时获取精度提升的位移信息。由于不合理的噪声参数设置会使位移估计的精度严重下降，利用加速度和位移数据测量噪声各自的特点，以分开估计相应噪声方差的思路来实现自适应估计；考虑传感器噪声的性质，自适应滤波中对噪声参数的估计可简化为仅对位移噪声方差进行估计；利用Sage-Husa估计器实现位移噪声方差的自适应估计，使滤波能在噪声参数未准确获知的情况下进行稳定的位移实时估计。讨论了自适应滤波中初始噪声参数的影响，确定了初始系统噪声参数的选取原则；分别在时不变与时变位移噪声环境下，观察该滤波应用于不同频率的谐波位移信息下的估计性能；以某1.5 MW风电塔在风–地震耦合作用下塔顶结构响应的数值模拟，说明本文的自适应滤波在一般工程结构应用中的有效性。结果表明，即使初始噪声参数设置有误或位移噪声具有时变性，本文方法依然具有较好的估计效果及鲁棒性。研究成果可为结构实时高精度位移监测提供一定理论支撑与参考。  
        关键词：卡尔曼滤波;自适应滤波;位移测量;数据融合;结构健康监测   
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        发布时间：2024-01-10

        水利工程

      • 丁泽霖,王肖楠,张宏洋,王婧,包闯
        2023, 55(4): 197-206. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200201
        摘要：胶凝砂砾石坝（cemented sand-gravel dam，CSG坝）是一种新型坝，具有大坝整体应力水平低、施工快速以及节约工程投资等优点。本文采用地质力学模型试验法，对CSG坝与重力坝在复杂地基上的深层抗滑稳定问题以及破坏差异进行分析，CSG坝原型选取守口堡大坝，与武都重力坝19#坝段坝址区复杂地基相结合成一新坝段，从而模拟CSG坝在复杂地基下的运行情况，并通过模型加载试验得到坝体的变形特点及复杂地基中断层和层间错动带的破坏形态。通过CSG坝与武都重力坝19#坝段的模型试验数据以及两者破坏形态对比分析可以得到：1）在相同的超载倍数下，重力坝坝体较CSG坝坝体变位更大；2）在最终破坏阶段，CSG坝与重力坝坝体均有轻微的扭转，其中重力坝坝体有轻微的顺时针转动，CSG坝坝体有轻微的逆时针转动；3）CSG坝与重力坝所在复杂地基的断层均发生了不同程度的滑移，其中断层10f2、f115发生了较大的相对变位；4）重力坝整体向下游变位较CSG坝明显，挤压破坏情况较为严重；5）模型试验中得到CSG坝安全度为6.4，重力坝安全度为3.0，运用刚体极限平衡分析得到CSG坝安全度为5.9，重力坝安全度为2.5。模型试验结果与理论分析结果相互验证，因此，从两者数据结果可得出CSG坝的极限承载能力较重力坝强，超载系数大，安全度较重力坝高，说明CSG坝是一种高安全性的坝型。  
        关键词：CSG坝;重力坝;复杂地基;地质力学模型试验;超载法   
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        发布时间：2024-01-10
      • 王忠祥,陈启刚,段炎冲,钟强
        2023, 55(4): 207-215. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200136
        摘要：基于粒子图像测速（particle image velocimetry，PIV）的压强场测量技术可实现流动内部瞬时压强的非接触式、高时空分辨率的全场测量。本文采用欧拉法根据时间解析的速度场重构压强梯度场，再采用虚拟边界全向积分法结合边界条件得到压强场，实现了基于PIV的明渠紊流压强场测量技术。为了使用基于PIV的压强场测量技术准确测量明渠紊流压强场，利用时间解析的明渠紊流直接数值模拟数据和PIV速度场对该测量技术的精度、误差来源及主要影响因素进行了分析。基于本文数据，发现该测量技术的测量结果几乎无平均偏差，但均方根误差相对较大，约为25%；通过分析由速度场重构压强梯度场及由压强梯度场积分得到压强场两个阶段的测量误差表明，压强场测量误差主要发生在由速度场重构压强梯度场这一阶段，主要受流场测量参数和边界条件给定方法的影响。进一步分析了上述主要影响因素对压强测量误差的影响规律，发现压强场测量误差随流场采样时间间隔的增加而增大，随流场测点间距的增加先减小后增大；基于本文数据得到在内尺度无量纲测点间距约为7时误差最小，但该测点间距最优值的普适性尚待更多数据支撑；在矩形测量区域边界4个角点布置压强边界点时，压强场测量误差会显著降低。将该压强场测量技术初步应用于明渠均匀紊流，发现时均压强测量结果较为准确，压强紊动强度测量结果误差相对较大，但垂向分布趋势接近。研究结论为明渠紊流压强场的试验测量提供理论依据和实践参考。  
        关键词：压强测量;明渠紊流;PIV;测量精度;误差来源   
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        发布时间：2024-01-10

        电气工程

      • 林平川,路磊,谷超,冯俊国,张仕文,杨顺尧,于丹,郑迪文,汪颖
        2023, 55(4): 216-223. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200034
        摘要：非侵入式负荷监测（NILM）是中国未来电网建设的重要发展方向之一。为克服传统非侵入式负荷监测方法的计算数据量大、辨识准确率较低等问题，提出了一种基于快速密度峰值搜索算法（CFSFDP）图拉普拉斯算法的非侵入式负荷监测方法。首先，该方法利用输入的设备有功功率数据采取快速密度峰值搜索聚类算法构建家用电器的功率阈值向量和先验图结构；然后，结合图信号的平滑度特征和总功率信号构建图拉普拉斯二次型最优函数，利用Tikhonov正则化方法以迭代的方式求得最优解，从而实现用电负荷图信号的重构；最后，根据功率阈值向量将图信号转换为功率信号，即可实现用户的非侵入式负荷监测。对某一家庭2 d的实测用电数据进行仿真分析，包括2 d内的负荷监测结果和采样频率对算法性能的影响，结果如下：1）该方法能够识别出第1天内工作的所有设备，各用电设备消耗用电量比例与实际耗电量比例接近。2）该方法对第2天的负荷识别准确率达到了90.1%，优于4种对比算法。单个用电设备的分解精度达到91%以上，绝大多数设备的用电量误差都低于对比算法。3）当数据采样间隔增大为2 min，所提算法的准确率、辨识精度和单设备分解精度都有所降低，但数值上优于对比算法，并且有更优的时间复杂度。研究结果验证了所提非侵入式负荷监测方法的有效性及其优越性，对于解决实际低频NILM问题有很大的优势。  
        关键词：非侵入式负荷监测;CFSFDP聚类算法;图拉普拉斯二次型;Tikhonov正则化   
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        发布时间：2024-01-10

        机械工程

      • 陈忠敏,侯力,吴阳,魏永峭,赵斐,马友政,夏立峰
        2023, 55(4): 224-238. DOI: 10.15961/j.jsuese.202101168
        摘要：驱动桥是微车传动系统的核心部件之一，承受复杂的载荷，影响整车的安全、舒适和动力，其振动和噪声对整车舒适性（NVH）性能有重要影响。为掌握驱动桥振动响应的影响规律，实现驱动桥动态特性的主动控制，本文以驱动桥准双曲面齿轮传动系统为研究对象，考虑主从齿时变啮合刚度、阻尼、传动误差和冲击等激励，基于集中质量法构建驱动桥齿轮传动系统的多变参数耦合振动模型，并依据牛顿第二定律推导其振动微分方程组，采用RK算法求解方程组；对比准双曲面齿轮修形优化前后主、从动齿轮的垂直、扭转和轴向振动数值解，并讨论输入转速和加载扭矩的改变对系统振动特性的影响规律。结果表明：优化后的齿轮运转振动值减小；主从齿的垂直和轴向振动规律复杂，处于近似混沌运动状态；扭转方向上呈现拟周期运动；输入转速和加载扭矩的改变对主从齿轴向振动影响最大，垂直方向次之，扭转方向最小。进一步对驱动桥总成进行振动测试分析，结果表明，新状态样件的动态性能更优，测试数据的趋势与理论分析结果符合较好。该研究成果可应用于分析驱动桥的关键激励因素，预测振动响应，提升产品的动态性能。  
        关键词：准双曲面齿轮;集中质量法;振动特性;混沌运动;动态性能   
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