- 徐强;洪奥越;李翔宇;蒋帅之;郭烈锦;
蒸汽射流在液体中的直接接触凝结引发的剧烈界面振荡及声压振荡，可能导致工业管道系统振动甚至失效，采用高速摄像机与高频水听器，捕捉了射流的界面演化行为及其诱导的声压。研究了3种典型凝结流型下射流界面的径向、轴向振荡与声压振荡特性，并阐明声压振荡产生机理。研究发现：声压波动的概率密度函数在间歇流型下呈左偏单峰分布，在界面振荡流型下呈双峰分布，而在稳定流型下呈对称单峰分布；随蒸汽质量流速升高，无量纲径向、轴向界面振荡强度及声压振荡强度整体呈下降趋势，表现出极强的相关性。建立了基于声压参数的射流喷射长度预测模型，预测值与实验值的误差在±1%内。概率密度及相关性分析结果表明，蒸汽射流凝结的声压振荡是由其界面振荡引起的。
2024年09期 v.58 30-37页 [查看摘要][在线阅读][下载 1990K] [下载次数：62 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 乔波涛;杜燊;李明佳;宋霞;
为对大型水平管降膜式蒸发器进行高精度的设计计算和优化分析，建立了降膜式蒸发器的智能换热仿真模型，并分析研究了蒸发器的性能。首先，采用分布参数法建立了单出口水平管降膜式蒸发器的换热仿真模型；其次，通过贝叶斯优化算法利用蒸发器实验数据对模型进行参数辨识，使得换热仿真模型的预测精度和适应性有所提高；最后，探究了传热系数和热流密度沿管长方向的变化情况，以及满液区换热面积所占比例对蒸发器换热量的影响规律。仿真结果表明：结合分布参数法和贝叶斯优化算法的智能换热仿真模型对大型水平管降膜式蒸发器19个工况换热量的预测误差不超过±6%;在较大的换热量范围内，单出口水平管降膜式蒸发器的最优池沸腾换热面积比例维持不变；从管内对流换热和二次布液两个角度优化降膜式蒸发器能有效提升其换热性能。
2024年09期 v.58 38-47+82页 [查看摘要][在线阅读][下载 2566K] [下载次数：232 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 宋鹏飞;屈杰;高庆;李志刚;李军;
采用刷式密封三维叉排管束泄漏流动数值模拟与有限元分析模型相结合的流固耦合方法，研究了刷丝束在气动载荷作用下的变形特性。通过数值求解三维雷诺时均Navier-Stokes (RANS)方程组和SST k-ω湍流模型，获得了刷丝束气动载荷，刷丝束有限元接触模型综合考虑了刷丝束内部存在的摩擦接触力。研究表明：随着压比的增大(1.5～3.0),刷式密封泄漏流量系数增大的趋势逐渐减缓，第5～9排刷丝承受压差占比从60%增长至70%,转速对刷式密封泄漏流场影响微弱。刷丝所受周向和径向气流力大小相当，二者合力方向与刷丝垂直，轴向气流力则是周向、径向气流力的13.6～18倍。较大轴向气流力使刷丝在围栏高度区域向下游发生轴向弯曲，压比为1.5、2.0、2.5和3.0时，刷丝束最大轴向变形量分别为0.077、0.096、0.114和0.130 mm。较小周向、径向力以及后排刷丝与后夹板之间较大摩擦接触力，使刷丝周向和径向变形量很小。刷丝束所受轴向气流力与法向气流力的比值可用于分析刷丝周向变形滑移。所建立的基于刷式密封叉排管束模型的流固耦合方法为分析刷丝束变形特性提供了研究途径。
2024年09期 v.58 48-61页 [查看摘要][在线阅读][下载 5094K] [下载次数：156 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 宋会棒;黄文林;黄佐华;折勇;王立民;陈頔;张英佳;
针对铝/水冲压发动机水蒸气氛围金属燃料点火燃烧机理不明、基础燃烧实验数据缺乏等问题，基于可视化高压激波管实验平台开展了铝/水两相自点火实验和理论研究，从发光强度及火焰图像、自点火温度和点火延迟3种角度表征了铝粉的温度效应、压力效应和尺度效应，揭示了铝/水和铝/氧点火机理的差异性，构建了铝/水自点火温度预示模型。实验结果表明：铝/水点火模式为小粒径颗粒优先着火，再引燃大粒径铝颗粒着火；临界自点火温度与铝颗粒粒径呈现反向依赖关系；点火延迟时间与温度关系符合Arrhenius关系式，颗粒越大，点火延迟的温度敏感性越高；纳米级铝粉点火延迟呈现较强的压力依赖行为，高压下火焰区域更为集中，铝粉颗粒之间竞争氧化剂更加剧烈；铝粉点火延迟的尺度效应明显，1 500 K下50.0μm粒径铝粉点火延迟时间约为100 nm粒径铝粉的30倍。研究结果表明，铝/水自点火特性优于铝/氧，所构建的铝/水模型对微米颗粒自点火温度的预测值与文献实验值偏差较小。该研究的基础燃烧数据和点火机制理论分析可为铝/水冲压发动机的燃烧组织优化及燃烧室结构设计提供理论依据，为铝/水点火机理和模型的发展提供研究思路。
2024年09期 v.58 62-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 2270K] [下载次数：119 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 马珮羽;杨宝锋;陈晖;翟智;王晨希;马猛;陈雪峰;
针对液体火箭发动机涡轮泵健康监测时存在的结构重要模态信息遗漏、故障敏感信息提取不全等问题，提出了一种涡轮泵传感器多维度优化布置方法，并采用故障模拟实验台进行了实验验证。首先，建立了涡轮泵待优化区域的有限元模型并开展了结构约束模态分析以及轴承故障仿真瞬态动力学分析；其次，基于离散人工蜂群算法及瞬态分析结果得出传感器布置候选点集；再次，综合传感器多维度评估方法得出最终的传感器布置方法；最后，通过实验对比分析了传感器布置方法与传统方法的综合指标。计算结果表明：相对于有效独立法，布置测点优化后，传感器监测信号的模态振型符合率提高了20.1%,对轴承故障检测的准确率提高了27.5%,验证了多维度优化布置方法具有良好的故障诊断综合性能。
2024年09期 v.58 72-82页 [查看摘要][在线阅读][下载 3133K] [下载次数：286 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 邓飞跃;郑守禧;郝如江;
针对当前Transformer网络模型运算效率偏低，且难以用于复杂工况条件下高速列车轴箱轴承故障诊断的问题，提出了一种基于时频多域融合与轻量化结构的尺度感知调制Swin Transformer(SMST)模型的轴箱轴承故障诊断方法。首先，采用格拉姆角场法、双谱法与Chirplet变换法，将轴承振动信号转化为时域、频域与时频域内的二维图像，基于多域特征融合思想集成为新的特征图像；然后，设计了一种新的轻量化结构SMST模块，在其内部实现了卷积运算与Transformer自注意力运算的进一步融合；最后，在层次化模型框架中引入特征金字塔模块(FPB),弥补不同层输出特征的不一致性，实现了上下文信息的特征深度融合及复杂工况条件下轴箱轴承故障诊断。实验结果表明：相比格拉姆角场法、双谱法、Chirplet变换法、短时傅里叶变换法、连续小波变换法等单一领域图像生成方法，时频多域融合方法生成的图像特征信息表征能力更好；所提网络模型在1 010、760、505 r/min这3种转速变工况任务中的轴箱轴承故障识别准确率分别为99.88%、99.92%与99.96%;对比ResNets、GoogleNet、ViT、Swin Transformer和SMT这5种模型，所提方法的故障识别准确率更高，模型轻量化程度更好。所提方法可为实际工况中列车轴箱轴承故障诊断提供参考。
2024年09期 v.58 83-93页 [查看摘要][在线阅读][下载 2665K] [下载次数：866 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 朱铜;艾松;陈琨;高建民;
针对熔模精密铸造工艺参数数据集射线检测(RT)结果存在合格与不合格数量严重不平衡问题，提出一种基于概率分布的合成少数类集成学习(SyMProD-Stacking)的铸件质量预测方法。该方法首先对原始数据集进行预处理以保证数据质量，然后利用Z分数去除噪声数据，为每个少数类实例(不合格铸件)分配一个概率并基于此概率分布生成样本数据以获取平衡数据集，利用极端梯度提升模型(XGBoost)对所有工艺参数特征进行重要性排序并剔除部分排名靠后的工艺参数，最后将轻量级梯度提升机(LightGBM)、随机森林(RF)、支持向量机(SVM)和XGBoost模型进行Stacking集成并利用平衡数据集构建质量预测模型。以高温透平叶片制造过程精铸工艺为例，对所提出的质量预测方法进行验证，结果表明：相比于原始数据集构建的预测模型，利用了SyMProD过采样方法构建的预测模型不合格铸件的预测准确率提升了75.4%;相比于单一算法模型，所提质量预测方法的曲线下面积(A_(AUCROC))、几何均值(G_m)以及F_1分数(F_1)这3项性能指标分别提升了5.48%～11.59%、3.78%～8.92%、5.72%～11.39%,所提出的方法能够很好地预测高温透平叶片精铸过程在不平衡问题下的铸件质量。
2024年09期 v.58 94-104页 [查看摘要][在线阅读][下载 1801K] [下载次数：151 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 巨涛;康贺廷;刘帅;火久元;
针对数据并行方法加速大规模深度神经网络时易出现的通信开销大、训练耗时长、资源利用率不高的问题，提出了一种深度神经网络动态分层梯度稀疏化及梯度合并优化方法。首先，将梯度稀疏化压缩与流水线并行技术相结合，提出动态分层梯度稀疏优化方法，为每层神经网络匹配一个合适的阈值，通过在后续迭代时动态调整该阈值，实现对每层网络传输梯度的自适应压缩。然后，提出了层梯度合并方法，利用动态规划算法对层梯度合并时的通信开销、稀疏化及层梯度计算时间进行权衡优化，求解出最佳的层梯度合并组合，并将多层小尺度梯度张量合并为一层通信，以降低分层梯度决策时引入的过高通信延迟开销。最后，将求解出的最佳层梯度合并组合应用于具体的训练迭代过程。实验结果表明：与已有方法相比，所提方法可在保证模型训练精度的同时大大降低通信开销，提升模型的训练速度；与未压缩方法相比，训练速度最大可提升1.99倍。
2024年09期 v.58 105-116页 [查看摘要][在线阅读][下载 2294K] [下载次数：187 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 丁转莲;胡曦;曹略;孙登第;张兴义;王晨旭;
针对特征选择问题中的多模态特性和高维特性，引入新的种群初始化策略对大规模多模态多目标优化算法进行改进，提出了一种基于进化多目标优化的高维多模态特征选择算法。对原始的连续优化算法进行离散化处理，用于评价离散优化问题中的个体，并在6个高维特征选择数据集上进行验证。结果表明：所提算法提升了初始种群的质量并加快了算法的收敛；相比于其他同类算法，所提算法获得了更优的帕累托前沿，其超体积指标值整体最优，并且在不影响分类精度的前提下可获得平均2.53个等效特征子集，表明所提算法具有最好的分类精度和最多样化的等效特征子集。
2024年09期 v.58 117-128页 [查看摘要][在线阅读][下载 2830K] [下载次数：229 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 胡宗鑫;田兵;谭则杰;徐振恒;王海容;
为了实现变压器油中溶解的乙炔气体检测，研发了一款基于Au修饰SnO_2气敏薄膜的乙炔气体传感器。通过射频溅射制备SnO_2薄膜，进而通过直流溅射制备Au并改变溅射时间，得到不同Au修饰量的气敏薄膜，采用微机电系统(MEMS)工艺开发了基于气敏薄膜的乙炔气体传感芯片。对比纯SnO_2以及不同Au修饰量的SnO_2气敏薄膜的气敏性能，结果显示，基于20 s-Au修饰的SnO_2薄膜MEMS乙炔传感器性能最佳，最佳工作温度为200℃,体积分数为1×10~(-6)的乙炔气体的响应值高达14,响应恢复时间分别为5 s和87 s,且具有良好的重复性，检测限低至0.1×10~(-6)(体积分数)。对比测试体积分数为1×10~(-6)下变压器油中溶解的氢气、甲烷等其他气体，所研发的MEMS乙炔气体传感器仍具有优越的选择性，在长期测试下保持良好稳定性，可为解决变压器油中溶解乙炔气体的检测难题提供一种元件选择。
2024年09期 v.58 129-138页 [查看摘要][在线阅读][下载 2971K] [下载次数：286 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 王楠;侯涛;牛宏侠;
针对铁路轨道异物检测中不同尺度异物目标的检测易受复杂环境的影响，导致出现检测精度低及检测速度慢等问题，提出一种多尺度特征融合的铁轨异物检测(RMF-YOLO)算法。首先，设计并引入改进的卷积注意力模块(ICBAM),结合YOLOv7特征提取网络，以增强复杂场景下的特征提取能力。其次，在所有高效层聚合网络模块中采用GhostConv替代普通卷积层，以降低计算复杂度，提高特征输出效率；设计一种改进的加权双向特征金字塔网络N-BiFPN结构，加强多尺度特征融合能力，平衡不同层级特征信息，提高多尺度检测能力。最后，为进一步提升检测精度，采用WIoU损失函数结合动态非单调聚集机制，有效应对低质量锚框产生的梯度，提高模型对不同尺度异物检测的整体性能。实验结果表明：在自制的铁轨异物数据集上，RMF-YOLO算法减少了原网络模型的参数量，有效提升了模型的检测精度与检测速度，改善了漏检与误检问题，平均精度提升了5.5%,检测速度提升了5.88%,计算量减少了12.25%,能满足铁轨入侵异物检测中对检测精度和实时性的需求。
2024年09期 v.58 139-153页 [查看摘要][在线阅读][下载 5527K] [下载次数：1026 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 卢勇;张永民;王昊东;张少杰;邱爱慈;
为解决可控冲击波设备的两间隙气体火花开关在非常规页岩油开发中结构强度不够的问题，提出了一种适用于高静压、有限空间中的气体火花开关结构强度与电场分布同步优化的设计方法。基于有限元模拟与理论分析，评估了50 MPa外部高静压对气体火花开关结构强度的影响，针对结构强度足够的气体火花开关模型，通过高斯定理对开关内部的电场分布进行了优化分析，给出了两电极气体火花开关结构强度与电场分布同步优化的设计方案。研究结果表明：开关结构强度主要与腔室壁厚正相关，而壁厚的增加会提高开关异常放电概率，在特定的壁厚参数下，电极半径存在最佳值使得绝缘子表面电场强度最低。在保证结构强度的前提下，对现有开关电场分布进行了优化分析，优化后的开关间隙电场的不均匀度有轻微提高，而高压绝缘子内、外表面电场强度分别衰减了59.6%与31.0%。通过先增加结构强度、后优化电场分布的方法，实现了对冲击波设备的两电极气体火花开关结构强度与电场分布的同步优化。
2024年09期 v.58 154-163页 [查看摘要][在线阅读][下载 2538K] [下载次数：118 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 李文番;杨騉;马海峰;王垚雄;王军雄;
针对三元锂电池的在线荷电状态估计问题，提出了一种基于开路电压在线计算和查表法的锂电池在线荷电状态估计算法。首先，对锂电池进行一阶戴维南等效建模，通过等效电路模型，推导并化简得到端口电压、端口电流和开路电路之间的关系；然后，利用递归最小二乘法完成了开路电压的在线求解，通过锂电池工作中的端口电压、电流参数实现了开路电压近似值的实时计算；最后，介绍了所提出在线荷电状态估算算法的实现流程，并通过典型数据集对所提出算法的估计精度、运算量等性能进行了对比分析和实验验证。实验结果表明：所提出的在线荷电状态估计算法的估算误差低于15%,运算速度是改进卡尔曼滤波法的2.5倍，表明所提在线荷电状态估计算法精度较高且运算速度较快，适合用于在线荷电状态估算。
2024年09期 v.58 164-172页 [查看摘要][在线阅读][下载 1830K] [下载次数：233 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 韩佳利;任佳佳;裴磊;李楠楠;齐欢欢;王金富;张杰;张鸿;
针对高速高精度模数转换器(ADC)中的高速串行接口(SerDes)发射机电路面临的信道损耗、噪声、串扰、工艺波动等非理想因素，提出了一种符合传输接口JESD204B协议要求的高速串行发射机电路结构，综合使用匹配阻抗校准、前馈均衡(FFE)和T-coil等技术来改善数据传输质量。对于现有半速率发射机结构对时钟占空比较为敏感的问题，设计了时钟占空比校准电路来稳定输出时钟的占空比。另外，文中所采用的多支路并联的源串联终端(SST)驱动器架构，有效地实现了匹配阻抗校准与前馈均衡方案的结合，大幅减小了电路复杂度和面积占用，显著降低了发射机功耗。提出的发射机电路采用28 nm CMOS工艺设计并流片，实测结果表明，在16 Gb/s的传输速率下，输出信号眼高为811 mV、眼宽约为58.8 ps,总抖动为7.35 ps,发射机功耗约为49.2 mW,能效比为3.07 pJ/bit,电路版图面积约为300×150μm~2。在满足协议要求的前提下，该发射机在抖动性能、能效和电路面积上具有显著优势。
2024年09期 v.58 173-182页 [查看摘要][在线阅读][下载 2476K] [下载次数：245 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 袁瑞;郑杨;
为了缓解神经肌肉电刺激导致的肌肉疲劳，并减轻高频载波脉冲簇电刺激带来的不适感，提出了非对称高频载波脉冲簇电刺激的肌疲劳缓解技术，利用健康受试者，比较了所提技术和传统对称双相矩形脉冲电刺激的抗疲劳性能。在正中神经、尺神经束近端，分别施加载波频率为10 kHz的窄脉冲簇(高频模式)和传统的对称双相矩形脉冲(低频模式)并引起相同的收缩水平，持续刺激5 min以诱发肌疲劳并记录手指收缩力和指屈肌高密度肌电信号。研究结果显示，与低频刺激相比，高频刺激下肌肉疲劳速率显著降低，具体表现为力衰减变慢，绝对力衰减较小(3.868 8±1.136 8) N,平台力更大(7.296±1.342 4) N,最终获得更大的力输出为(2 282.8±341.48) N·s,同时高频刺激下更高的力-肌电幅值比说明诱发了更高的肌肉激活效率，这可能是高频模式缓解肌疲劳的潜在机制。与传统对称低频刺激相比，非对称高频载波脉冲簇电刺激可能通过诱发更高效率的肌肉激活，从而显著缓解电刺激下肌疲劳问题，这对电刺激技术在脑卒中等患者运动功能康复中的推广应用具有重要意义。
2024年09期 v.58 183-190页 [查看摘要][在线阅读][下载 3047K] [下载次数：114 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 马承志;吴九汇;宋倩;于罗钦;
实现具有特定形式的无旁瓣高指向性声波波束的发射以及发射器件抵抗错误因素的能力过低一直是波束成形领域的棘手问题，通过旋转散射体在声学拓扑绝缘体的体边对应关系下提出了散射体旋转诱导模态下拓扑声学高性能波束成形机理。受到旋转散射体对模态耦合的调控，能够实现无旁瓣宽频段下对波束波峰宽度以及波束能量衰减速率的近场和远场调控。通过在此结构内部引入错误因素，发现此拓扑声学高性能波束成形器具有高容错特性，多个错误因素对波束成形的近场远场结果基本不产生影响，这在很大程度上降低了加工制造的难度，同时极大地提高了器件的使用寿命。分别对拓扑声学波束成形以及错误因素介入下波束成形进行了实验验证，实验测试结果实现了4 100～4 630 Hz宽频带下无旁瓣的宽波峰波束，并且在器件中部分散射体缺失的情况下充分验证了波束成形器的高容错性。该研究提出的全新波束成形方法可为声学通信、微纳制造、生物医学和其他微形及多功能声学设备的工程应用提供参考。
2024年09期 v.58 191-204页 [查看摘要][在线阅读][下载 5540K] [下载次数：92 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] - 叶怀波;孙琨;李六六;吴冰洁;
为解决核反应堆结构材料T91钢在铅铋合金液中耐腐蚀性低的问题，采用热力学模拟和第一性原理计算相结合的方法，在原子尺度上探究了合金元素Cr、Ni、Mn、Cu增强T91钢的耐腐蚀性能的机理。通过热力学模拟计算研究，确定了T91钢室温下的主要相成分为马氏体结构，搭建了4种第一性原理计算模型马氏体-铬模型、马氏体-镍模型、马氏体-锰模型以及马氏体-铜模型，并计算比较了电子结构以及电荷密度分布，发现合金元素与Fe原子之间形成金属键。通过差分电荷研究分析，发现Cr与Fe原子之间的金属键具有较强的共价键特性且结合最强，Ni与Fe原子之间的金属键也具有一定的共价键特性，但其结合弱于Cr、Cu和Mn原子次之。同时，计算了4种模型中合金元素与基底之间的结合能，发现马氏体-铬模型不仅能量最低，而且Cr与基底的结合很高，说明Cr原子能够提高T91钢的耐腐蚀性能。该研究可为合金元素Cr、Ni、Mn、Cu增强T91钢耐铅铋合金液腐蚀性能提供参考，同时也为新材料的开发以及性能预测提供一种新的研究方法。
2024年09期 v.58 205-212页 [查看摘要][在线阅读][下载 1879K] [下载次数：351 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ] |[阅读次数：0 ] 下载本期数据