2024年, 第57卷, 第11期　
刊出日期：2024-11-15

  

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  典型高耗能工业园区碳排放特征及影响因素研究

  邱顺添, 张铭哲, 王天志

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1111-1123.

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  如期实现碳达峰碳中和目标已成为我国重大国家战略，工业园区是工业发展的重要载体，是我国控碳减碳的重要靶点．目前工业园区面临巨大的减排需求，开展工业园区碳排放核算研究，可以有效指导园区低碳减排实践．首先在传统的排放因子法的基础上，提出以工业园区为边界的碳排放量核算方法，将园区碳排放类型分为燃料燃烧的排放（E₁）、工业生产过程的排放（E₂）、购入和输出的电力产生的排放（E₃）、购入和输出的热力产生的排放（E₄）和固碳产品的排放（E₅）5种排放类型，然后以高耗能工业园区为研究对象，计算并分析了2016—2021年园区碳排放变化规律．结果表明：碳排放总量（以CO₂计）基本逐年下降，从1 507.83×10～4t/a降至671.82×10～4t/a，年均降幅15%，园区低碳减排控制初见成效；不同碳排放类型中，E₂是园区主要碳排放源，占实际总排放量70%以上；进一步分析不同行业类型排放量的特点，得到行业C25和C26的碳排放量占全行业总排放量99%以上，其中行业C26的排放量与E₁相关性最高，为0.88，行业C25的排放量与E₂、E₄、E₅相关性最高，均为0.99.因此，针对化学原料及化学制品制造业中燃料燃烧节能降碳工艺和石油、煤炭及其他燃料加工业中生产节能降碳工艺与固碳产品进行优化与升级，帮助该高耗能工业园区实现降碳减排目标．本研究中提出的碳排放核算方法可为全国其他地区典型工业园区提供技术支撑．
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  钛合金脉冲熔化极焊接的氧化防护研究

  程方杰, 武昊, 武少杰, 郑震旦

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1124-1132.

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  钛合金在高温时易吸收N、O、H等气体，造成接头性能的恶化，制约了熔化极焊接（GMAW）工艺在全钛合金结构焊接制造中的应用．本研究探讨了钛合金脉冲熔化极焊缝金属冷却过程的氧化防护问题，分析了无尾罩保护下层间打磨工艺对钛合金焊缝金属的显微组织和力学性能的影响，并提出了预测焊缝氧化程度的方法．结果表明：在无防护尾罩的条件下，影响焊缝表面氧化程度的关键特征参数是脱离Ar气保护时的温度t,t的临界值约为1 300℃；当脱离温度t>1 300℃时，焊缝将发生严重氧化，表面氧化膜的厚度超过100μm，甚至可能出现易脱落的氧化皮；当t<1 300℃的焊接参数进行坡口对焊时，层间打磨处理后的焊缝微观组织和力学性能与采用Ar气尾罩保护的高度一致．在此基础上，进一步通过双因素试验拟合得到了脱离温度t与焊接热功率P和焊接速度v_w之间的对应关系模型t=f（P,v_w），为预测熔化极焊接工艺中焊道表面氧化程度提供了理论基础．
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  蒸发预冷进风闭式冷却塔的冷却性能对比研究

  何锁盈, 张晓楠, 王怀琛, 王举成, 聂秋荣, 李扬

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1133-1142.

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  闭式冷却塔因其稳定、环保、节水等特点而应用广泛，为了减少机械通风闭式冷却塔塔内喷淋开启的运行时间以节省水损耗，提出了一种直接/间接蒸发预冷进风的闭式冷却塔，利用蒸发预冷进风技术减少塔内喷淋开启的运行时间．采用MATLAB编写了机械通风闭式冷却塔、直接/间接蒸发预冷进风闭式冷却塔的迭代计算程序，仿真研究了3种冷却塔在典型干热地区(新疆哈密)应用时的冷却性能和水损耗．结果表明，塔内喷淋关闭时，当进水温度都为43℃时，在3月、10月、11月，直接蒸发预冷进风的闭式冷却塔的出塔水温比间接蒸发预冷进风的闭式冷却塔和机械通风闭式冷却塔的出塔水温分别低0.46℃和0.96℃、0.42℃和0.93℃以及0.37℃和0.45℃．在3月、10月、11月，相比于间接蒸发预冷进风的闭式冷却塔，直接蒸发预冷进风的闭式冷却塔每单位MW排热率的节水率分别为47.43%、48.66%和44.62%．可见，在直接/间接蒸发预冷系统可以应用的3月、10月和11月，直接/间接蒸发预冷系统都可以提升机械通风闭式塔在塔内喷淋关闭时的冷却效果，但直接蒸发预冷系统的冷却效果和水损耗均比间接蒸发预冷系统好，建议实际应用时采用直接蒸发预冷进风以减少闭式冷却塔的运行水损耗．
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  基于卷积神经网络的燃煤锅炉近壁区H₂S浓度分布实时预测模型

  闫靖文, 李俊杰, 刘欣, 李驰, 张超群, 王赫阳

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1143-1151.

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  近年来，燃煤锅炉普遍采用空气分级燃烧技术以降低氮氧化物的排放．空气分级技术的核心是在炉内主燃区形成乏氧的还原性气氛，从而抑制氮氧化物的生成．但还原性气氛会导致强腐蚀性H₂S浓度的显著升高，增加了锅炉水冷壁的高温腐蚀风险．由于CFD数值模拟方法耗时较长，目前仍缺少一种能实时、准确地反映锅炉运行过程中近壁区H₂S浓度分布的技术手段．针对上述问题，本文首先构建了一个锅炉CFD数值计算模型，对某350 MW超临界墙式对冲锅炉近壁区H₂S分布特性进行了数值模拟研究，锅炉出口参数及腐蚀位置与现场吻合良好．结果表明，空气分级燃烧技术下炉膛呈还原性气氛，底层对冲燃烧器的对撞气流对侧墙水冷壁的冲刷是造成锅炉侧墙近壁区H₂S高浓度的原因．随后，以锅炉的各项运行参数为输入，以近壁区H₂S浓度分布图像为输出，构建转置卷积神经网络．基于提出的H₂S浓度预测数值模型，搭建了包含120个不同运行工况的数据库，对神经网络进行训练、验证和测试．结果表明，神经网络测试集预测结果与CFD模型预测结果符合良好，30%Local MAPE仅为1.06%，且计算时长在0.1 s以内，实现了燃煤锅炉近壁区H₂S浓度分布的实时预测．
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  基于混合拓扑填充球模型的子宫软组织形变模拟方法

  姜杉, 宋雨菲, 杨志永, 曾静

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1152-1160.

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  软组织形变模拟是虚拟手术领域中最为重要的研究内容之一．对于子宫等具有复杂生理结构的人体器官而言，实现其形变建模并达到模拟的实时性要求是目前存在的挑战．为了解决上述问题，本文提出了一种具有混合拓扑结构的填充球形变理论，构建了面向子宫等复杂生理结构器官的形变建模方法，实现了子宫肌瘤剔除手术背景下的子宫形变模拟．首先，提出了改进的填充球模型，针对器官部位几何表面的差异性，不同于以往单一拓扑的连接方式，设计了包含四面体拓扑和依据中轴线拓扑的混合填充球结构，并综合考虑子宫生理特性与手术特点，进行了形变模型区域性与软组织特性的细节化设计．在此基础上，提出了一种基于度量张量剖分方法的四面体拓扑填充球结构的建模方法，结合中轴线的提取，分别建立了相应子宫部位的拓扑结构，从而构建出完整的子宫填充球模型．通过OpenGL编写了子宫形变的虚拟环境，并结合3DSystems公司的Touch力反馈设备搭建子宫形变模拟平台，实现了子宫软组织的模拟变形．最后，设计与开展验证实验，测试子宫形变模拟的效果及实时性；另一方面，搭建了一套测量真实软组织形变数据的实验平台，对本研究实现的虚拟形变与真实软组织形变进行对比．实验结果表明：虚拟子宫形变的画面刷新频率集中在40～60 Hz范围内，满足了手术训练的实时性要求；在软组织所受作用力小于3 N的情况下，两者形变位移的最大差异为0.117 mm，同时形变模拟效果符合真实软组织在外力作用下的整体变形趋势．
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  箱底薄壁瓜瓣镜像铣削加工稳定性分析

  秦旭达, 刘雪峰, 张绍璞, 崔鑫, 刘见, 李士鹏

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1161-1169.

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  贮箱箱底采用薄壁瓜瓣拼焊技术成形，瓜瓣尺寸大、壁厚薄，针对其镜像铣削加工过程中的易发生颤振问题，提出一种薄壁瓜瓣镜像铣削加工的稳定性分析方法．首先，根据铣削力的相互作用关系，将整个镜像铣削加工系统分为机床主轴-刀具子系统和工件-辅助支撑子系统，建立由再生效应产生的动态切削厚度模型和圆弧铣刀动态铣削力模型，建立同时考虑刀具端径向两个方向和工件端法向振动的刀具-工件-辅助支撑系统三自由度动力学模型．然后，基于锤击实验法获取机床主轴-刀具子系统、工件-辅助支撑子系统的动力学参数，基于半离散时域法对薄壁瓜瓣镜像铣削加工稳定性进行预测．最后，开展薄壁瓜瓣镜像铣削加工实验，分析提出的薄壁瓜瓣镜像铣削加工稳定性预测方法的准确性．结果表明：辅助支撑的引入使工件远离卡具位置法向局部刚度最高提升了约7倍，与刀具径向刚度相近，都处在1×10～7N/m数量级，刀具端和工件端的动力学特性会同时影响整个镜像铣削系统的加工稳定性，铣削动力学模型中工件子系统和刀具子系统需同时考虑．建立的三自由度动力学模型及预测的稳定域具有较高的预测精度，对实现薄壁瓜瓣的稳定高效加工具有重要的理论意义和工程应用价值．针对3.35 m级贮箱箱底薄壁瓜瓣镜像铣削加工，考虑到精加工中薄壁瓜瓣减薄厚度要求，主轴转速选择在6 000～7 000 r/min范围时，推荐切深选择1.0 mm.
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  带有端隙密封导叶的可调涡轮非稳态流场分析

  王智慧, 卫海桥, 毕金光, 王宏波, 刘湘

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1170-1176.

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  本文基于端隙密封导叶(ESGV)，利用数值模拟的方法研究ESGV涡轮在脉冲进气条件下的内部流场和性能，分析了ESGV对可调涡轮内部流动的影响．结果表明，整个脉冲周期内，ESGV涡轮能够有效抑制间隙泄漏流，并且，高压脉冲周期内的ESGV间隙泄漏损失降低程度大于低压脉冲周期的对应值．ESGV优化了转子进气入射角度，其转子前缘流动分离现象更弱，转子出口高熵区面积更小，整个涡轮级ESGV的流动损失更小，最终导致一个脉冲周期内的ESGV涡轮的平均效率提升了13.4%.
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  基于双路径特征融合的轻量级脑肿瘤分割网络

  李锵, 阮方号, 关欣

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1177-1186.

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  脑肿瘤是世界上最致命的癌症之一，从三维核磁共振图像(MRI)中快速、准确地分割正常脑组织和恶性肿瘤组织，对临床诊断和手术治疗都至关重要．近年来，基于卷积神经网络的分割架构，特别是3D U-Net架构在脑肿瘤分割方面取得了巨大成功．然而，现有的基于3D U-Net的网络存在下采样信息丢失的问题，缺乏自动聚焦小尺度病灶的能力，编码器和解码器之间的全局上下文信息交互不够充分，并且参数量大、计算开销高．针对上述问题，提出一种双路径特征融合的轻量级脑肿瘤分割网络．首先，该网络通过增加一条分支路径，将原始数据中的低级细节信息添加到编码器的各层中，弥补下采样带来的特征信息损失．其次，提出一种多层金字塔制导模块代替传统的跳跃连接，增强解码器不同层次的全局上下文信息获取能力．最后，在输出层引入多视图级联注意力模块，利用肿瘤不同区域的包含关系，使网络从各个视图自动聚焦小尺度肿瘤区域．在BraTS2020数据集上的实验结果表明，采用0.55×10～6参数量和41.21×10～9浮点运算次数，该网络在增强肿瘤、全肿瘤和肿瘤核心的Dice系数分别可达78.64%、89.51%和83.77%．此外，在BraTS2018数据集上进一步评估该网络的性能，实验结果表明：该网络在保持较小计算量的同时，显著提高了对脑肿瘤各病灶区域的定位能力和分割性能，在临床实践中具有重要意义．
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  基于替代模型和贝叶斯推理的EIT电阻率反演

  李颖, 郝虎鹏, 王贤哲, 林坤强, 何益人

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1187-1199.

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  在生物组织电阻抗成像(EIT)技术中，介质电特性分布具有不确定性，因而研究概率框架下的重建方法具有重要意义．针对EIT中电阻率的不确定性反演及正问题调用过程中计算负荷庞大的问题，提出了基于替代模型和贝叶斯推理的参数反演方法．首先，针对4层同心圆头模型，采用拉丁超立方抽样方法进行训练，建立了EIT正问题计算的Kriging模型、BP神经网络模型和径向基函数(RBF)神经网络模型，并且甄别出精度最高的RBF神经网络替代模型．结果表明，替代模型在保证计算精度的条件下大幅提高了计算效率．然后，基于贝叶斯推理框架下的差分进化自适应多链并行DREAM＿zs算法和在此基础上加入卡尔曼激励建议分布的DREAM＿kzs算法，对EIT中的电阻率进行反演．结果表明，两种算法均能进行有效反演，DREAM＿kzs算法有着更快的收敛速度和更高的识别精度，且灵敏度越高的参数反演效果越好，即头皮的反演效果最好，其次依次为颅骨、大脑和脑脊液．进一步，构造了基于真实CT图像的胸腔仿真模型，采用RBF模型作为正问题替代模型，利用DREAM＿zs算法和DREAM＿kzs算法对正常肺部组织和两种病变情况进行电阻率分布的图像重构．结果表明，两种方法均能有效反演，DREAM＿kzs算法的性能均优于DREAM＿zs算法，且外层单元的反演效果整体上要优于内层单元．仿真实验结果表明，基于替代模型和贝叶斯推理的方法可实现EIT电阻率的有效反演，可望为临床应用提供依据．
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  PC箱梁桥火灾爆炸联合作用下损伤效应研究

  田力, 李孟辉, 王剑飞, 朱劲松

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1200-1210.

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  利用ANSYS/LS-DYNA建立了预应力混凝土(prestressed concrete,PC)箱梁桥三维有限元模型，采用隐式分析方法对PC箱梁桥进行单独火灾分析，得到其在不同时刻下的温度及热应力的分布特征，采用显式分析方法对PC箱梁桥进行单独爆炸分析，得到其在不同爆炸当量下的局部破坏特征以及整体位移情况．随后，对综合考虑高温和高应变率效应的混凝土本构模型和钢材本构模型进行试验验证，在得到可靠性结果的基础上对PC箱梁桥进行火灾爆炸联合作用分析．结果表明：发生桥上火灾时，桥面板的热应力重分布现象应该得到关注，桥上火灾热应力随着燃烧时间的推移，顶板和翼缘板应力下降程度要大于腹板上方混凝土应力下降程度，桥面板的热应力使得在爆炸的过程中会出现小当量炸药也能造成箱梁顶板严重局部损伤的现象．发生小当量爆炸时，若燃烧持续时间较短，材料产生的高热应力起主导作用，从而在后续爆炸过程中对顶板造成严重的局部损伤，但整体位移与常温爆炸相似；若燃烧持续时间较长，材料的高温软化效应起主导作用，顶板损伤情况有所减小，但整体位移会增大．发生大当量爆炸时，无论是材料产生的高热应力还是材料的高温软化均会造成箱梁顶板的严重破损，冲击波在箱梁的聚集作用下冲击底板与腹板交界处，最终底板坍塌．从热应力分布现象和爆炸局部破坏特征来看，单箱多室的箱梁桥可以适当提高抗爆性．
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  基于计算机视觉的海上漂浮式光伏浮岛运动响应监测研究

  练继建, 许文靓, 梁超, 姚烨, 邵楠, 段翔宇

  天津大学学报（自然科学与工程技术版）. 2024, 57(11): 1211-1220.

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  近年来国内外建成了多个海上漂浮式光伏电站实证项目，但相关结构的破坏事故屡屡发生．动位移作为反映结构运行状态和系统性能的重要指标，对其进行有效监测具有重要意义．为了克服传统监测手段在海上环境中的局限性，提出了基于计算机视觉的浮岛运动位移监测方法．该方法采用长焦摄像设备进行视频采集，利用自然标志物进行目标追踪，运用尺度因子法进行位移计算，并根据工程特点提出了一种基于三次样条曲线插值的亚像素级位移计算方法．为了对该方法的准确性和实用性进行检验，设计实施了简单标定试验、漂浮式光伏浮岛水力学模型试验和天津某海域实际光伏浮岛原型监测试验，并进行了详细的误差分析．结果表明：基于三次样条曲线插值的亚像素级位移计算方法在精度和计算速度上都比高斯曲面拟合等方法更具优势，可以更好地缓解整像素模板匹配方法随拍摄距离增大而导致的误差显著增长问题；当拍摄距离大于等于100倍的物距变化时，可以基本消除浮岛沿光轴方向运动对成像平面内位移的影响；所提方法在试验室内20 m拍摄距离下的归一化均方根误差为1.78%，具有较好的精度；原型监测得到的竖向运动位移的双幅值与波浪高度相近，归一化相关匹配系数矩阵的峰值十分明显，亚像素计算拟合效果较好．综合分析认为，监测结果合理有效，所提方法在海上漂浮式光伏浮岛运动响应监测方面具有较好的应用价值．