Journal of Zhejiang University

Current Issue: <JZUS-A>

Journal of Zhejiang University-SCIENCE A (Applied Physics & Engineering)

ISSNs 1673-565X (Print); 1862-1775 (Online); CN 33-1236/O4; started in 2000,Monthly.

JZUS-A is a peer-reviewed physical and engineering journal, indexed by SCI-E, Ei Compendex, INSPEC, CA, SA, JST, AJ, ZM, CABI, ZR, CSA, etc. It mainly covers research in Applied Physics, Mechanical and Civil Engineering, Environmental Science and Energy, Materials Science and Chemical Engineering, etc.

Impact factor: 0.408 (2011), 0.527 (2012), 0.608 (2013), 0.882 (2014), 0.941 (2015), 1.214 (2016), 1.215 (2017), 1.369 (2018).

Journal of Zhejiang University SCIENCE A

ISSN 1673-565X(Print), 1862-1775(Online), Monthly

2024 Vol.25 No.9 P.687-762

Cover:

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Contents:

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<<< CONTENTS >>>

Research Articles

Design of a 35 kV high-temperature superconducting synchronous machine with optimized field winding

Chao LUO, Bowen XU, Jien MA, Jiancheng ZHANG, Jiabo SHOU, Youtong FANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300449 Downloaded: 587 Clicked: 796 Cited: 0 Commented: 0(p.687-700) <Full Text>

Chinese summary <12> 35 kV高压高温超导同步电机设计与励磁绕组优化

作者：罗超¹，许博文¹，马吉恩¹，张建承²，寿佳波¹，方攸同¹
机构：¹浙江大学，电气工程学院，中国杭州，310027；²国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，中国杭州，310014
目的：目前国内外的超导调相机均采用传统调相机的超导化，即仅用超导转子对传统常导转子进行了简单替换，所以超导调相机的优势未能完全发挥。基于超导电机磁场强、气隙大的优势，本文旨在将高压定子电缆绕组应用于超导电机中。
创新点：1.利用交联聚乙烯电缆绕组实现了直流励磁型超导电机35 kV的额定电压，且摒弃升压变压器进一步提高了超导电机系统的功率密度；2.在35 kV额定电压条件下，提出了新型倒梯形超导磁场绕组排列方式，实现了最少超导材料用量、小转矩脉动和小总谐波畸变率。
方法：1.通过理论分析计算，结合电机电磁性能得到应用于35 kV超高压超导电机的交联聚乙烯电缆绕组尺寸及规格；2.通过有限元分析，证明所设计的高压高温超导电机是否满足35 kV额定电压的要求，并验证超高压超导电机的可行性；3.研究比较三种候选类型超高压超导电机，讨论多组超导场绕组布置与电机性能之间的关系，并通过仿真验证倒梯形超导磁场绕组的性能。
结论：1.优化后的35 kV超高压超导调相机具有优异的电磁性能：其在保证额定电压的同时，使漏磁和转矩波动等都很小，可以用于直连电网而不需要变压器，并且可以实现更高的端电压。2.倒梯形励磁绕组排列的外加磁场最小，仅为3.8 T，且超导线圈匝数最小为1840，分别是其他两种绕组的92.4%和90.8%。3.优化后的超高压超导电机电压波形的总谐波畸变率小于0.3%；同时，强磁场的方向基本与超导线圈平行，这意味着优化后的电机安全裕度最大。

关键词组：超导电机；高压定子电缆绕组；倒置型励磁绕组；谐波畸变率

Light weight design and integrated method for manufacturing hydraulic wheel-legged robots

Xu LI, Haoyang YU, Huaizhi ZONG, Haibo FENG, Yili FU

DOI: 10.1631/jzus.A2300343 Downloaded: 878 Clicked: 1109 Cited: 0 Commented: 532(p.701-715) <Full Text> <PPT> 90

Chinese summary <9> 液压轮腿机器人的轻量化设计与一体化制造方法

作者：李旭^1,2，于淏阳¹，纵怀志²，封海波¹，付宜利¹
机构：¹哈尔滨工业大学，机器人技术与系统国家重点实验室，中国哈尔滨，150001；²浙江大学，流体动力基础件与机电系统全国重点实验室，中国杭州，310058
目的：设计和制造方法对液压驱动机器人的研制至关重要。本文将建立液压轮腿机器人从概念模型到实际机器人的完整研制过程，所提出的轻量化设计与一体成型制造（LD&IM）方法使机器人研制过程更加高效，可实现45%的减重目标和0.45 m的竖直跳跃。
创新点：1.提出基于拓扑优化与衍生设计的液压轮腿机器人的轻量化设计方法和基于3D打印的一体成型制造方法；2.提出一种基于线性二次型调节器（LQR）的轮腿机器人跳跃控制方法。
方法：1.采用基于拓扑优化和衍生设计的强量化设计方法，实现轮腿机器人结构45%的减重目标；2.结合选择性激光熔化工艺和相应的高精度抛光的一体成型制造工艺，快速高效地完成高质量零件的一体成形；3.在单轮腿机器人的平衡控制回路中使用LQR和基于零动态的控制器，将弹簧负载倒立摆（SLIP）模型应用于机器人跳跃运动的轨迹规划。
结论：1.采用基于拓扑优化与衍生设计的液压轮腿机器人轻量化设计方法，实现了45%的减重目标；2.精密加工与3D打印相结合的一体成型制造方法使机器人研制过程更加高效；3.基于LQR的平衡控制器和基于SLIP的跳跃轨迹规划器应用于WLR-IV单腿，实现了0.45 m的竖直跳跃。

关键词组：轮腿机器人；液压驱动；拓扑优化，增材制造；跳跃控制

Effect of geometry simplification and boundary condition specification on flow field and aerodynamic noise in the train head and bogie region of high-speed trains

Jiawei SHI, Yuan HE, Jiye ZHANG, Tian LI

DOI: 10.1631/jzus.A2300307 Downloaded: 648 Clicked: 1004 Cited: 0 Commented: 0(p.716-731) <Full Text> <PPT> 94

Chinese summary <9> 几何简化和边界条件指定对高速列车车头和转向架区域流场和气动噪声的影响

作者：史佳伟¹，何源²，张继业¹，李田¹
机构：¹西南交通大学，轨道交通运载系统全国重点实验室，中国成都，610031；²南安普敦大学，工程与物理科学学院声与振动研究所，英国南安普敦，SO17 1BJ
目的：确定一种合适的简化建模方法以使计算流体动力学（CFD）模拟在高速列车转向架区域气动声学优化中更高效。
创新点：1.确定了一种合适的简化建模方法，该方法能够在保证与三车编组模型中头车第一个转向架区域流场和声学结果一致性的同时显著提高CFD模拟在高速列车转向架区域气动声学优化中的效率。2.通过对三种简化模型和三车编组模型流场和声学结果的对比和分析，确定了三种简化模型中涉及的不同几何简化和边界条件指定对车头和转向架区域流场和气动噪声的影响机理。
方法：1.在三车编组模型的基础上，建立用于高速列车转向架区域气动噪声计算的三种简化模型；2.结合IDDES模型和FW-H声类比理论建立转向架区域非定常流场和气动噪声预测的数值模型，并通过低马赫数空腔模型和简单转向架模型对数值方法和网格策略进行验证；3.以三车编组模型的计算结果为基准，对三种简化模型和三车编组模型的流场和声学结果进行对比和分析，确定与三车编组模型计算结果一致性最好的建模方式，并揭示三种简化模型中涉及的不同几何简化和边界条件指定对车头和转向架区域流场和气动噪声的影响机理。
结论：1.基于三种简化模型计算得到的列车表面时均压力分布和转向架区域时均速度分布与三车模型的计算结果非常一致。2.列车下部的压力波动较列车上部剧烈得多；三种简化模型的转向架区域脉动压力结果与三车模型的计算结果有很好的一致性；在列车上部，计算域缩短模型和子域模型低估了车头流线型曲面上的压力波动，而车体缩短模型的结果与三车编组模型的结果吻合较好；这是计算域缩短模型和子域模型中使用的非时变出口边界条件造成的。3.当仅以转向架区域作为声源时，三种简化模型的远场噪声结果与三车编组模型结果之间的差异都很小，且总声压级差异均在1 dB以内；当以整个车头作为噪声源时，由于计算域缩短模型和子域模型低估了车头流线型表面偶极子源的强度，所以它们与三车编组模型的总声压级结果最大差异分别为1.3 dB和1.8 dB，而车体缩短模型与三车编组模型的总声压级结果差异仍在1 dB以内。因此，车体缩短模型是转向架区域气动声学优化的一个很好的选择；它可以在保证与三车编组模型计算结果一致性的同时显著提高CFD模拟的效率。

关键词组：转向架区域；车头；流场；气动噪声；几何简化；边界条件

Temperature field prediction of steel-concrete composite decks using TVFEMD-stacking ensemble algorithm

Benkun TAN, Da WANG, Jialin SHI, Lianqi ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300441 Downloaded: 730 Clicked: 984 Cited: 0 Commented: 0(p.732-748) <Full Text> <PPT> 95

Chinese summary <14> 基于TVFEMD-Stacking集成算法的钢-混凝土组合桥面板温度场预测

作者：谭本坤^1,2，王达^1,3，石佳林³，张连奇¹
机构：¹长沙理工大学，土木工程学院，中国长沙，410114；²湖南文理学院，土木建筑工程学院，中国常德，415000；³中南林业科技大学，土木工程学院，中国长沙，410004
目的：钢-混组合桥面系在环境作用下的温度场精确预测对保证大跨度悬索桥使用安全具有重要意义。但现有基于健康监测及数值模拟的方法存在设备维护成本较高和计算效率低等缺陷，而基于单一机器学习模型的预测方法对参数敏感性较弱或泛化能力较差。本文期望通过时变经验模态分解对输入参数进行处理，并与Stacking集成算法结合建立一种新的预测模型，以提高钢-混组合桥面系温度场的预测效率及精度。
创新点：1.通过健康监测数据与数值模拟相结合的方法建立温度场数据库；2.使用时滞量分析及时变经验模态分解方法进行特征工程从而提提高预测精度；3.建立一种基于Stacking集成学习的温度场预测模型。
方法：1.以某大跨度悬索桥钢-混组合桥面系为工程背景，在健康监测数据验证数值分析模型的基础上，形成温度场数据库（图4）；2.通过特征参数滞后分析及时变经验模态分解（TVFEMD）预先对输入特征进行处理，以针对性解决传热性差异及非平稳时间序列特征的问题（图7）；3.选用随机森林（RF）、支持向量回归（SVR）、多层感知器（MLP）、梯度增强回归（GBR）及极限梯度增强回归（XGBoost）四种机器学习模型作为基学习器，Elastic Net模型作为元学习器，建立Stacking集成学习模型（图3）；4.采用上述单一模型及集成模型对比分析输入参数滞后处理及参数特征分解对模型预测精度的影响，通过泰勒图、误差分析、预测结果统计分析多方面评价模型精度及泛化能力（图10~14）。
结论：1.考虑时滞量和时变经验模态分解对输入特征进行处理可以有效提高单个机器学习模型的预测精度，Stacking集成算法能使预测误差得到进一步降低；2.TVFEMD-Stacking预测结果的统计参数与目标值吻合较好，可为进一步的温度场概率分析和长寿命周期下的温度梯度效应研究提供参考。

关键词组：钢-混组合桥面板；温度场；时变经验模态分解；特征选择；机器学习

Chemical oxygen demand oxidation via sustained-release persulfate balls: a rate-compatibility study of flow velocity, releasing, and oxidation

Bate BATE, Danting ZHANG, Jianshe YE, Min XIA, Yixin YANG, Shuai ZHANG

DOI: 10.1631/jzus.A2300372 Downloaded: 596 Clicked: 884 Cited: 0 Commented: 0(p.749-762) <Full Text> <PPT> 107

Chinese summary <11> 过硫酸钠缓释球氧化COD的渗流、释放和氧化速率协调研究

作者：巴特¹，章丹婷²，叶建设³，夏敏⁴，杨一鑫¹，张帅¹
机构：¹浙江大学，岩土工程研究所，中国杭州，310058；²上海环联生态科技有限公司，中国上海，201106；³中铁二院华东勘察设计有限责任公司，中国杭州，310043；⁴浙江大学建筑设计研究院有限公司，中国杭州，310027
目的：本文旨在通过将过硫酸钠制成缓释球，通过反应动力学相关的数据，研究过硫酸钠缓释球作为填充材料在可渗透反应墙中的可行性及相关参数。
创新点：1.通过合适的配比制备过硫酸钠缓释球，并获取过硫酸钠的最佳释放速率；2.在不同催化条件下，研究不同粒径过硫酸钠缓释球对化学需氧量（COD）的去除速率。
方法：1.研究活性炭和二价铁负载活性炭等不同催化剂对过硫酸钠去除COD效率的影响；2.研究不同粒径过硫酸钠缓释球过硫酸钠的反应速率；3.研究过硫酸钠缓释球在可渗透反应墙模拟柱实验中对COD的击穿实验。
结论：1.二价铁负载活性炭:过硫酸钠缓释球和过硫酸钠:COD最初的最佳投加量为12:1和12.24:1时，COD的去除率可高达95%。2.过硫酸钠缓释球的释放速率在配比一定的情况下与球直径的线性比例为k=544.6/D；直径为5 mm的过硫酸钠缓释球与COD的氧化速率证明了过硫酸钠缓释球的释放速率和COD反应动力学的氧化速率的一致性。3.过硫酸钠缓释球上的孔隙和裂纹影响了过硫酸钠对COD的去除效率，但反应仍遵循准一级反应动力学。4.二价铁负载活性炭催化过硫酸钠缓释球作为可渗透反应墙中的填充材料，与其他新型碳基材料相比，可解决过硫酸钠在去除COD中的有效性问题，表现出了较高的COD去除效率。

关键词组：化学需氧量；过硫酸钠；缓释球；可渗透反应墙；铁基活性炭