2024年, 第57卷, 第06期　
刊出日期：2024-06-15

  

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  有机液体储氢载体催化脱氢技术研究进展

  潘伦, 韩泽昊, 闫晓, 高睿杰, 张香文, 邹吉军

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(06): 557-574.

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  绿氢(可再生能源制氢)的开发及利用是推动能源绿色转型和实现“双碳”目标的重点发展方向之一．然而，大规模绿氢的安全储运技术仍需进一步完善．以环烷烃/芳烃为主的有机液体储氢载体(LOHCs)体系因其高储氢密度、安全高效、运输方便等优势成为绿氢长距离大规模输送的关键技术．相比于工艺成熟的芳烃加氢技术，富氢LOHCs(环烷烃)脱氢技术开发的难度较大，是近年来研究的热点．本文系统综述了环己烷(CH)、甲基环己烷(MCH)、十氢萘(DHN)和全氢二苄基甲苯(H18-DBT) 4类典型富氢LOHCs脱氢技术的研究进展．基于目前的研究结果，阐述了单环烷烃(CH、MCH)和多环烷烃(DHN、H18-DBT)的脱氢反应路径和机理，重点从活性组分和载体两方面总结了脱氢催化剂的设计思路、构效关系和研究进展，详细分析了基于不同模型的富氢LOHCs脱氢动力学，探讨了4类典型脱氢反应装置的优缺点．总体来讲，环烷烃作为LOHCs距离工业化应用还有一段距离，继续完善环烷烃脱氢动力学和脱氢机理、提高Pt系催化剂的催化活性和稳定性、开发具有实际应用意义的非贵金属催化剂以及优化反应器结构成为未来环烷烃脱氢技术研究需要聚焦的难点．
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  面向任务的机器人动作泛化研究

  肖聚亮, 袁航, 刘海涛, 赵炜, 李鑫旺

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(06): 575-587.

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  动作泛化是机器人被期望具备的功能，要求机器人不仅能重复人类示教的灵巧动作，还可以根据任务目标生成新动作，在小批量、多种类的生产要求下具有广阔的应用场景．针对面向任务需求快速学习和灵活泛化的目标，设计开发了机器人动作泛化框架．首先，进行少量示教，使用概率运动基元(probabilisticmovementprimitives,Pro MP)构建动作的轨迹分布，以较少参数概括示教信息.其次，使用期望最大(expectedmaximum,EM)算法迭代估计模型参数，引入先验信息补充模型以保证稳定性.研究先验信息对泛化效果的影响，确定了合适的先验参数；研究傅里叶基函数对周期轨迹的拟合效果，提出轨迹分割与滤波方法以保证拟合精确平滑.利用模型的概率分布性质，将动作的概率范围收缩到特定位置，并进行整条轨迹的时间尺度缩放与空间位置变换，生成符合泛化要求的轨迹．最后，搭建了一个六自由度机器人喷涂场景进行动作泛化实验．结果表明：该框架能够快速生成多种泛化轨迹．单自由度轨迹学习平均消耗1.924 s，轨迹生成平均需0.004 s；六自由度轨迹学习平均消耗35.608 s，轨迹生成平均需0.011 s.
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  Pd(111)与Pt(111)上NO氧化的第一性原理研究

  李志军, 曹飞, 王学豹, 李世龙, 张时杰, 李振国

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(06): 588-594.

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  随着排放法规的日益严格，发动机的氮氧化物(NO_x)后处理已成为当今研究的重点问题．针对目前可有效降低稀燃汽油机NO_x的稀燃氮氧化物捕集器中铂(Pt)和钯(Pd)两种贵金属之间的替换问题，进行了密度泛函理论(density functional theory,DFT)计算研究．首先，对一氧化氮(NO)、氧气(O_2)、二氧化氮(NO_2)在两种催化剂(111)表面的吸附进行了研究，之后，在两催化剂表面对比研究了氧化过程中涉及的O_2解离与NO氧化两反应过程，揭示了NO在Pd与Pt催化剂上的氧化机理．结果显示：3种物质在催化剂表面的吸附强度为NO>O_2>NO_2．氧覆盖度将会改变氮氧化物的最佳吸附构型，随着表面氧原子的增加NO会由三重空位式吸附转变为顶点吸附，NO_2会由μ-N,O-亚硝基吸附转变为硝基吸附．在O_2解离过程中Pt的催化能力优于Pd，但是两者对NO氧化的催化能力接近．在Pd和Pt表面反应限速步骤都是O_2的解离，Pd对O_2较弱的解离能力导致了其NO的转化效率低于Pt．氧覆盖度对氧化过程存在影响，通过电子结构分析发现，氧覆盖度的提升使催化剂与吸附物质之间的吸附能下降，这导致了反应由吸热变为放热，使催化可以自发进行．反应生成的NO_2需要1.00 eV以上的能量完成脱附，这在原子层面解释了NO_2对NO氧化反应的抑制作用．
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  基于缩尺模型试验的波磨形成机制及发展特性

  王志强, 雷震宇

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(06): 595-601.

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  针对铁路系统中广泛存在的波磨现象，采用自行设计的缩尺双盘试验装置，研究了波磨的形成机制和发展特性．首先，描述了缩尺双盘试验装置的组成及功能，校核了其稳定性，并开展了基准试验以验证试验装置用于磨耗分析的可靠性；然后，通过设置荷载及边界条件，利用缩尺试验模型，分析了波磨的形成机制；最后，在初始波磨的基础上，探究了波磨的发展特性及演化规律．结果表明，基准试验中的粗糙度演化趋势与相关文献试验中的粗糙度演化趋势相似，从而表明所建立的试验装置是可靠的，能够用于磨耗演化分析．当不存在轨面凹坑缺陷时，轨轮接触区域随着运行时间的增加会逐渐出现明显接触光带；当施加轨面凹坑缺陷后，轨轮表面接触光带随着运行时间的增加会逐渐消失，且粗糙度呈现近似线性增加．当存在轨面凹坑缺陷时，随着运行时间的增加，轨轮表面会逐渐演化出不均匀磨耗，且不均匀磨耗波长逐渐增大并在后期表现出固定波长特性，这表明轨轮表面形成了初始波磨．波磨形成试验表明，在轨面固定缺陷激励下，轮轨接触区域发生的非均匀材料磨耗导致了波磨的生成．波磨发展试验表明，随着运行时间的增加，轨轮表面波磨波长会逐渐增大并最终趋于稳定，波磨粗糙程度也会逐渐变大并最终趋于恒定．
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  计及信息不确定性的多端交直流混合配电网分布式二级协同控制

  杨挺, 秦楠, 李浩, 刘亚闯

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(06): 602-612.

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  分布式一致性控制(distributedconsensuscontrol,DCC)因其灵活协同能力成为交直流混合配电网二次控制的新途径.然而，传统DCC并未考虑实际通信环境中存在的随机时变时延和数据丢包问题，这致使其在非理想通信环境下难以稳定跟踪一致性期望目标.为此，本文提出一种计及信息不确定性的分布式二级协同控制策略.利用变量累加补偿机制，对时变时延和数据丢包进行统一等效.进而基于附加一致性算法(surplusconsensusalgorithm,SCA)构建具有零稳态误差特性的估计器，并对其收敛性进行推导证明.在此基础上，设计稳态收敛性能不受通信约束干扰的SCA-DCC控制器，实现非理想通信环境下的精准平均电压偏差调节和有功功率成比例分配.随后，以时延容忍度为指标优化SCA-DCC控制器参数，满足系统在不同通信条件下的稳定需求，进一步增强控制器的通信鲁棒性.仿真结果表明，在不同功率扰动和故障工况下，与现有控制策略相比，所提控制策略能够克服时变时延和数据丢包产生的负面影响，在维持较优动态响应性能的同时使稳态电压偏差降低73.08%～85.25%，具有控制精度高和抗扰动能力强的特点.
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  基于转发路径数目的NDN混合拥塞控制机制研究

  李卓, 荀淏, 苗扬, 刘开华

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(06): 613-623.

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  在命名数据网络(named data networking,NDN)中，拥塞控制是保障用户服务质量(quality of service,QoS)的关键环节．但独特的多源、多路径特性使得TCP/IP架构的端到端拥塞控制方案难以直接应用于NDN．因此，设计一种有效的NDN拥塞控制机制是较为活跃的研究领域．目前，混合拥塞控制逐渐发展成为一种主流的拥塞控制机制；然而，如何及时有效地既能缓解由单路径流引发的拥塞又能缓解由多路径流引发的网络拥塞是混合拥塞控制机制亟待解决的问题．针对该问题，提出了一种基于转发路径数目的混合拥塞控制方案——NFPCC．路由器依据数据包排队时延计算本地节点的拥塞程度，并使用数据包传递当前节点的拥塞信息；下游邻节点提取数据包中的拥塞信息并依据兴趣包的转发路径数量选择多路径转发策略或兴趣包速率整形策略以及时、有效地缓解上游相邻节点的拥塞；最后，消费者依据数据包所传递的拥塞信息持续地地调整拥塞窗口cwnd的尺寸以协作路由器的控制．仿真结果表明，在BRITE场景中，基于所提方案的消费者总吞吐量比基于PCON方案的消费者总吞吐量高91.9%．在路由器启用网络内缓存功能后，基于所提方案的消费者总吞吐量比基于PCON方案的消费者总吞吐量高38.5%.
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  基于双智能体深度强化学习的交直流配电网经济调度方法

  赵倩宇, 韩照洋, 王守相, 尹孜阳, 董逸超, 钱广超

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(06): 624-632.

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  随着大量直流电源和负荷的接入，交直流混合的配电网技术已成为未来配电网的发展趋势．然而，源荷不确定性及可调度设备的类型多样化给配电网调度带来了巨大的挑战．本文提出了基于分支决斗深度强化网络(branching dueling Q-network,BDQ)和软演员-评论家(soft actor critic,SAC)双智能体深度强化学习的交直流配电网调度方法．该方法首先将经济调度问题与两智能体的动作、奖励、状态相结合，建立经济调度的马尔可夫决策过程，并分别基于BDQ和SAC方法设置两个智能体，其中，BDQ智能体用于控制配电网中离散动作设备，SAC智能体用于控制连续动作设备．然后，通过集中训练分散执行的方式，两智能体与环境进行交互，进行离线训练．最后，固定智能体的参数，进行在线调度．该方法的优势在于采用双智能体能够同时控制离散动作设备电容器组、载调压变压器和连续动作设备变流器、储能，同时通过对双智能体的集中训练，可以自适应源荷的不确定性．改进的IEEE33节点交直流配电网算例测试验证了所提方法的有效性．
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  侧式进/出水口各孔道流量分配差异及影响因素

  高学平, 马一鸣, 刘殷竹, 朱洪涛

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(06): 633-641.

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  对于抽水蓄能电站侧式进/出水口各孔道流量分配，现有设计规范规定进/出水口相邻中边孔道的流量不均匀程度不宜超过10%，但实际工程设计难以达到此要求．本文以某抽水蓄能电站侧式进/出水口为例，通过优化进/出水口各体型参数，利用数值模拟方法研究各孔道流量等水力参数，重点分析分流墩布置对各孔道流量分配的影响及其规律，试图使进流工况和出流工况相邻中边孔道的流量不均匀程度均最小．研究表明，改变扩散段分流墩布置能有效改善流量不均匀程度．对于3墩4孔侧式进/出水口，相邻中边孔道的流量不均匀程度在出流工况下随中边孔宽度比增大而增大，在进流工况下随中边孔宽度比增大而减小；当中边孔宽度比增大且中墩后移距离减小时，出流工况和进流工况下的流量不均匀程度均减小．对于2墩3孔侧式进/出水口，相邻中边孔道的流量不均匀程度不论在出流工况下还是在进流工况下，均随中边孔宽度比增大呈先减小后增大的规律．优化后的3墩4孔侧式进/出水口的中边孔宽度比取0.228∶0.272，中墩后移距离取0.36D(D为隧洞直径)，其相邻中边孔道的流量不均匀程度均较优，在出流工况下为18.47%～19.43%，在进流工况下为19.82%～19.83%；优化后的2墩3孔侧式进/出水口的中边孔宽度比取0.310∶0.345，其相邻中边孔道的流量不均匀程度均较优，在出流工况下为19.47%～19.63%，在进流工况下为18.66%～18.67%．相邻中边孔道的流量不均匀程度较难满足不宜超过10%的设计规范要求．研究成果将有助于《抽水蓄能电站设计规范》中关于进/出水口水力指标要求的完善．
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  装配式双槽钢拼合PEC柱受压性能试验研究

  周凌宇, 刘家豪, 方蛟鹏, 刘晓春, 石敬州, 戴超虎

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(06): 642-653.

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  为发挥钢-混组合结构优良性能及装配式结构施工节能、质量可控的优势，满足建筑模块化、工业化发展需求，提出螺栓连接装配式双槽钢拼合部分包裹混凝土(PEC)组合柱，开展1个纯钢拼合柱、5个组合拼合柱轴心受压及偏心压弯性能试验，结合数值模拟对组合柱破坏形态、应变发展规律、变形性能和承载能力进行分析研究，揭示了螺栓间距、混凝土外伸宽度、相对偏心距大小等因素对双槽钢拼合柱受压力学性能的影响规律．研究结果表明：轴心受压双槽钢拼合柱破坏模式均为整体失稳破坏，偏心受压双槽钢拼合柱均为压弯破坏，使用钢板及螺栓能可靠连接构件，加载过程双肢未发生分离；加密螺栓间距能有效增强组合柱峰后延性，在一定间距范围内构件具较高刚度，由1 000 mm加至500 mm极限承载力提高4.43%；开孔钢板连接件能约束且保证混凝土与型钢协同工作，破坏阶段前混凝土与型钢未出现明显黏结分离；混凝土外伸宽度增加能提高构件稳定性能．提出考虑单肢影响的轴压承载力计算方法与基于Eurocode 4规范双槽钢拼合柱轴力-弯矩(N-M)相关曲线，理论结果与试验吻合较好，可为装配式拼合柱设计应用提供理论支撑．
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  预制装配式仰拱与衬砌接头直剪试验研究

  陈宗平, 梁延, 叶培欢, 张士前

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(06): 654-667.

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  装配式结构具有成本低、工期短和绿色施工等优点，因此中国正在大力推动装配式技术的应用．装配式技术应用于高速公路隧道建设中时，预制装配式仰拱与现浇衬砌接头处存在较大的安全隐患，容易发生剪切破坏．为了探究该类装配式结构接头处直剪受力状态下的抗剪力学性能，以接头的界面植筋率、界面尺寸和界面处理方式作为变化参数，设计并制作了21个“Z”字形试件开展直剪试验，观测了试件失效的全部过程以及破坏形态，获取了试件的剪切-滑移曲线，系统地分析了接头直剪力学性能的变化规律．结果表明：试件破坏分为植筋剪断和混凝土失效两种破坏形态；随着界面植筋率增加，试件极限抗剪承载力、延性和抵抗界面损伤演化的能力均随之提升；界面植筋率由0.7%增至1.1%时，极限抗剪承载力提升最大为66.4%；界面凿毛处理后试件的抗剪性能更优，其延性提升最大为41.5%；界面植筋率相同时，随着界面尺寸的增大，抗剪承载力随之提升，最大提升64.8%；试件抗剪性能存在一定的尺寸效应，界面尺寸较小试件的抗剪承载力随界面植筋率增加而提升的效果不显著．最后根据相关规范计算方法，基于试验结果和拓展的剪切-摩擦理论，提出了改进的预制装配式仰拱与现浇衬砌接头的抗剪承载力计算公式，计算值与试验值吻合度良好．