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

2025 Vol.26 No.3 P.177-284

Cover:

<10>

Contents:

<9>

<<< CONTENTS

Research Article

Hydraulic conductivity of sand influenced by temperature and porosity in centrifugal tests

Jianjian HE, Xihao JIANG, Yubing WANG

DOI: 10.1631/jzus.A2400216 Downloaded: 624 Clicked: 1007 Cited: 0 Commented: 0(p.177-193) <Full Text> <PPT> 11

Chinese summary <2> 离心模型试验中温度及孔隙率对砂土渗透系数的影响研究

作者：何健健，蒋希豪，汪玉冰
机构：浙江大学，建筑工程学院，浙江大学超重力研究中心，中国杭州，310058
目的：超重力环境下土体渗透性的准确刻画是利用离心超重力模拟技术解决与渗流相关岩土工程问题的关键。本文旨在定性和定量研究温度、孔隙率和离心加速度对砂土渗透特性的影响，并探讨Kozeny-Carman（KC）方程在超重力环境中的适用性，为更高试验温度、更大离心加速度下砂土渗透系数的预测提供更准确的方法。
创新点：1.利用自研试验装置，定性及定量揭示了温度、孔隙率及离心加速度对砂土渗透系数的影响；2.利用本文建立的砂土渗透系数预测公式，评估了超重力环境下KC公式的适用性。
方法：1.通过自研试验装置（图1），开展超重力温控变水头渗流试验，定性揭示温度、离心加速度及孔隙率对砂土渗透系数的影响（图7和8）；2.基于KC公式，通过两种拟合路径，逐步建立砂土渗透系数与温度、离心加速度和孔隙率之间的定量关系（公式(10)和(15)）；3.在更高试验温度、更大离心加速度下，将KC公式及本文所建立公式的计算结果进行对比，揭示KC公式在超重力环境中的适用性（图13）。
结论：1.在相近温度及相同孔隙率下，砂土渗透系数与离心加速度呈线性相关；在相同离心加速度和相近温度下，砂土渗透系数随孔隙率函数(s³/(1?s)²)几乎呈线性增加。2.通过两种途径获得了砂土渗透系数与温度、离心加速度水平和孔隙率之间的函数关系。3.当离心加速度小于50g时，KC方程可有效准确地预测砂土渗透系数；当离心加速度大于50g时，利用KC方程预测砂土渗透系数会产生显著误差。

关键词组：砂土渗透系数；温度；孔隙率；离心加速度；Kozeny-Carman方程

Evolution of waterproof performance, mechanical properties, and microstructure in hydrophobically-modified geopolymer concrete during dry-wet cycles

Dongming YAN, Yilu QIU, Rongfeng GAO, Shikun CHEN, Yi LIU, Shengqian RUAN

DOI: 10.1631/jzus.A2400020 Downloaded: 527 Clicked: 1060 Cited: 0 Commented: 0(p.194-211) <Full Text> <PPT> 15

Chinese summary <3> 疏水改性地聚物混凝土防水性能、机械特性和微观结构在干湿循环过程中的变化

作者：闫东明¹，裘逸露¹，高荣峰¹，陈士堃¹，刘毅²，阮圣倩¹
机构：¹浙江大学，建筑工程学院，中国杭州，310058；²浙江大学，材料科学学院，中国杭州，310058
目的：混凝土结构在水工环境中易受水分侵蚀破坏。本文旨在研究疏水改性地聚物混凝土在干湿循环前后，其防水性能、机械性能、化学成分、微观形貌和孔隙结构的变化，以验证其在潮湿环境中长期应用的可行性。
创新点：1.通过比较多次干湿循环实验前后疏水地聚物防水性能和机械性能等的变化，验证疏水改性混凝土疏水性能的长效性。2.深入分析两种疏水地聚物混凝土长效疏水的内在机理。3.评估疏水改性地聚物混凝土作为建筑材料在潮湿环境中长期使用的可行性。
方法：1.通过使用两种有机改性剂，即聚二甲基硅氧烷（PDMS）或甲基硅酸钠（SMS），成功制备疏水地聚物混凝土。2.通过对比疏水混凝土在干湿循环试验前后的性能变化，验证两种疏水混凝土的长效防水性能。3.对比研究结合压汞法（MIP）、扫描电子显微镜（SEM）和红外吸收光谱仪（FTIR）等微观实验，进一步分析有机分子和地聚物凝胶的结合模式及其在干湿循环过程中的演变机制。
结论：1.疏水地聚物混凝土的吸水率和氯离子迁移率显著降低，吸水速率降幅最高达94.3%；2. PDMS改性混凝土的长期防水性能不会因干湿循环而减弱，有机分子与地聚物凝胶骨架的紧密交联使改性混凝土的疏水性、强度和微观结构等都基本不受影响；3.SMS改性地聚物混凝土在干湿循环过程中也能保持较好的防水性能，但部分SMS分子会与水分子联结形成氢键，并随水溶液离开凝胶网络，从而造成改性混凝土防水能力和抗压强度下降。

关键词组：混凝土；疏水改性；防水性能；机械性能；微观结构

Multi-field, time-varying behavior, and cracking mechanisms of early-age concrete in balastless track beds

Xiao LI, Juanjuan REN, Shijie DENG, Zeyong ZHANG, Xueyi LIU

DOI: 10.1631/jzus.A2400013 Downloaded: 668 Clicked: 1134 Cited: 0 Commented: 0(p.212-225) <Full Text> <PPT> 11

Chinese summary <2> 早期道床多场时变行为及开裂机理研究

作者：李潇^1,2，任娟娟¹，邓世杰¹，张泽墉¹，刘学毅¹
机构：¹西南交通大学，高速铁路线路工程教育部重点实验室，中国成都，610031；²中国五冶集团有限公司，中国成都，610063
目的：无砟轨道现浇混凝土部件，尤其是双块式轨道整体现浇道床，在材料不良、环境不利、施工不当等多种因素影响下，早期开裂问题频发。本文旨在建立一个更为完善的早期道床开裂风险预测模型，在此基础上研究早期道床多场时变行为和开裂机理，探寻早期道床开裂风险影响规律并提出合理的开裂风险管控措施。
创新点：1.建立更完善的早期道床开裂风险预测模型，且模型假设条件更少，准确性更高，适用场景更全面；2.系统分析道床早期多场耦合时变规律和开裂机理；3.揭示材料、环境以及施工三类因素对混凝土道床早期开裂风险的影响规律，并提出了道床早期开裂控制措施。
方法：1.通过理论推导，统一混凝土早期到成型全过程的水化-热-湿-力耦合多场控制方程，并建立早期道床开裂风险预测模型；2.通过数值模拟，得到道床早期多场耦合时变规律和开裂机理，并揭示不同因素对混凝土道床早期开裂风险的影响规律。
结论：1.在典型工况条件下，在水化场方面，道床最大水化速率出现在浇筑后约7.0 h；道床终凝点在浇筑后约9.5 h；道床水化在第7 d的水化进程可达最终水化度的90%。在温度场方面，对流换热和太阳辐射是影响道床早期温度场的主要环境因素；道床表层最高温度浇筑后约16.0 h达到最大值，比入模温度高约15.0 °C。在湿度场方面，早期道床内双块式轨枕附件存在局部不均匀湿度区域。在力场方面，约在第1.25 d，轨枕四周新老混凝土结合面开裂的风险系数已超过1.00；在第7 d，轨枕附近道床八字形裂纹的开裂风险达到最大，风险系数约为0.75。2.温度变形是道床表层开裂的主导因素，也是道床板底开裂的主要驱动力；如果不考虑道床混凝土早期徐变，会大幅度高估开裂风险，因此建模时应当考虑徐变的影响。3.综合性的早期道床开裂风险控制措施方面，建议按照优先级降低的顺序（水化热→优化放热峰值时刻→增强保温措施→选择合理浇筑时刻→控制入模温度），进行早期道床混凝土开裂控制。

关键词组：无砟轨道；早期混凝土；水化-热-湿-力耦合；道床早期开裂

Predicting tunnel boring machine performance with the Informer model: a case study of the Guangzhou Metro Line project

Junxing ZHAO, Xiaobin DING

DOI: 10.1631/jzus.A2400012 Downloaded: 617 Clicked: 1451 Cited: 0 Commented: 0(p.226-237) <Full Text>

Chinese summary <1> 利用Informer模型预测隧道掘进机性能：广州地铁项目案例研究

作者：赵君行¹，丁小彬^1,2
机构：¹华南理工大学，土木与交通学院，中国广州，510641；²华南理工大学，广东省现代土木工程技术重点实验室，中国广州，511442
目的：提前准确预测隧道掘进机（TBM）的运行性能有助于及时调整掘进参数，从而提高整体掘进效率。本文旨在探讨不同模型和时间长度对TBM性能预测效果的影响，并考虑土压、转速、扭矩、掘进速度、推力、岩石单轴抗压强度、围岩等级和液限等因素，研究得出预测性能最好的模型，以提高TBM性能的预测精度。
创新点：1.提出了预测TBM性能的Informer模型框架；2.每个模型仅使用7个参数预测TBM性能；3.确定了Informer模型的最佳参数组合；4.研究发现Informer模型在性能和概括能力方面优于其他比较模型。
方法：1.数据收集与分析，确定模型输入参数；2.通过不同模型预测TBM性能，并比较预测性能；3.通过不同模型对新数据进行预测，得到模型的泛化能力；4.比较不同输入长度与不同参数组合对TBM性能预测的影响。
结论：1.随机森林、极端梯度提升树、支持向量机、K近邻、反向传播神经网络和长短时记忆模型被用作对比模型；这些模型在原始项目的测试集上表现良好，但在新项目上表现不佳，且缺乏一定的泛化能力。2.单时间步和多时间步输出对模型的影响截然不同；在确定输入参数的合适时间间隔时应审慎考虑；在本次调查中，8至24分钟的输入长度被证明适用于单时间步骤输出，而8分钟的输入长度被认为适用于多时间步骤输出；模型相关系数分别可达0.99和0.98。3.计算了模型预测值的相关系数，包括平均预测值、首次预测值和最后一次预测值，且最后一次预测值与真实值的相关性更强。4.鉴于模型中输入参数的数量有限，皮尔逊分析方法的排除阈值从0.80调整为0.95；这一调整使得新模型在新数据上的表现优于之前的模型。5.敏感性分析表明，影响预测结果的输入参数从大到小依次为刀盘转速、土压力、围岩等级和扭矩，且这些参数的相关系数超过0.95；相反，岩石单轴抗压强度和液限对预测结果的影响相对较小（相关系数约为0.77）。

关键词组：TBM性能；Informer模型；深度学习；推力

Numerical simulation of 3D supersonic asymmetric truncated nozzle based on k-kL algebraic stress model

Gang WANG, Shuai ZHANG, Jifa ZHANG, Yao ZHENG

DOI: 10.1631/jzus.A2300641 Downloaded: 841 Clicked: 1199 Cited: 0 Commented: 0(p.238-251) <Full Text> <PPT> 9

Chinese summary <3> 基于k-kL代数应力模型的三维截断偏置超声速尾喷管数值模拟

作者：王刚，张帅，张继发，郑耀
机构：浙江大学，航空航天学院，中国杭州，310027
目的：大多数湍流模型都难以对尾喷管中的亚/超声速流动做出准确预测。本文旨在探索一种新的湍流模型-代数应力模型k-kL-ARSM+J，以提高湍流数值模拟的精度，并采用该高精度模型对三维截短偏置超声速尾喷管进行非设计工况下的数值计算，以获得其变化规律。
创新点：1.基于已有的计算流体动力学（CFD）程序，发展集成了新型代数应力模型k-kL-ARSM+J；2.获得了所设计的三维截短偏置超声速尾喷管非设计工况下的影响规律。
方法：1.采用NASA标准算例，对所实现的代数应力模型k-kL-ARSM+J进行模型验证，确保其正确性和有效性（图2~6）；2.将设计工况下尾喷管的计算值与设计值进行对比，验证湍流模型在该尾喷管数值计算的正确性和有效性（图11）；3.通过改变入口马赫数、入口压力和飞行高度等工况，获得该尾喷管非设计工况下的性能变化规律（图12~23）。
结论：1.根据NASA标准测试算例表明，k-kL-ARSM+J代数应力模型能够精确模拟超声速喷管，且与实验值吻合，验证了该湍流模型的正确性和有效性。2.随着入口马赫数的增加，推力和俯仰力矩增加，增长速率逐渐减小，且升力在设计马赫数附近达到峰值，然后迅速减小；随着入口压力的增加，喷管推力、升力和俯仰力矩均呈线性增长。3.随着飞行高度的增加，由于相同的超声速喷管入口条件，喷管的内部流场基本保持不变；然而，喷管外部的压力变化导致喷管出口从过膨胀过渡到欠膨胀；因此，喷管后的剪切层首先朝向喷管中心汇聚，然后发散。

关键词组：超声速喷管；湍流模型；数值模拟；性能分析

Enhancing the spatter-removal rate in laser powder-bed fusion using a gas-intake system with dual inlets

Xin TIAN, Junwei ZHONG, Youwen YANG, Chaolei ZHANG, Long ZHAO

DOI: 10.1631/jzus.A2400292 Downloaded: 463 Clicked: 712 Cited: 0 Commented: 0(p.252-265) <Full Text> <PPT> 10

Chinese summary <4> 采用一种双进气口进气系统提高激光粉末床熔融中的飞溅物去除率

作者：田鑫¹，钟骏薇¹，杨友文^1,2，张朝磊¹，赵龙¹
机构：¹江西理工大学，机电工程学院，中国赣州，341000；²南京大学，现代工程与应用科学学院，中国南京，210089
目的：在激光粉末床熔融增材制造中，会产生大量飞溅物，从而降低构建质量和激光寿命。本文旨在探讨激光粉末床融合技术（L-PBF）构建室内惰性保护气流对飞溅物运动的影响。本文提出一种新型构建室的设计方案，以提高激光粉末床熔融中的飞溅物去除率。
创新点：1.建立一个完全耦合的计算流体动力学-离散相模型（CFD-DPM），模拟飞溅物和气流之间的相互作用；2.提出一种新型构建室的设计方案，提高激光粉末床熔融中的飞溅物去除率。
方法：1.通过搭建飞溅物与气流之间相互作用的CFD-DPM模型，模拟气流与飞溅物的轨迹（图4）；2.通过对比分析，对比单个入口与引入第二进气口后构建室内部的气体流动变化，提出优化设计方案（图5）；3.通过结合气体流动速度的均匀度和飞溅物清除效率，模拟对比第二进气口不同位置、第二进气口覆盖范围和柯安达效应的影响，提出改进方案（图6~13）。
结论：1.引入第二进气口可以有效抑制粉末床附近层流向上的运动，使粉末床周围形成更加均匀的层流，为飞溅物产生均匀的拖拽力；2.两进气口之间的距离对层流通过粉末床的均匀性有重要影响，对比分析后推荐两进气口之间的最佳距离为379 mm；3.第二进气口的宽度是影响层流粉末床宽度均匀性的另一个重要因素。通过增加第二进气口的宽度明显改善了流动的均匀性和飞溅物的运动轨迹；4.受柯安达效应的影响，气流右侧的下行气体限制了飞溅高度。将右壁下半部分向外移动并适当提高进出口压差后将飞溅物去除率提高到76.1%。

关键词组：激光粉末床熔融；计算流体力学；流场模拟；结构优化；柯安达效应

Parametric design for the valve seat of a high-temperature and high-pressure valve inside wind tunnels

Fengwei HOU, Haifeng SHU, Binbin WU, Chengliang YU, Zhehui MA, Wenqing LI, Jinyuan QIAN

DOI: 10.1631/jzus.A2300546 Downloaded: 794 Clicked: 1303 Cited: 0 Commented: 0(p.266-276) <Full Text> <PPT> 9

Chinese summary <2> 风洞用高温高压阀门阀座参数化设计研究

作者：侯峰伟¹，舒海峰¹，吴斌彬²，于成亮²，马哲辉³，李文庆⁴，钱锦远³
机构：¹中国空气动力研究与发展中心，超高速所，中国绵阳，621000；²上海科科阀门集团有限公司，中国上海，201802；³浙江大学，特种装备研究所，中国杭州，310027；⁴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：风洞系统中高温高压介质会对热阀承压能力产生显著影响。本文提出基于多目标遗传算法（MOGA）模型的阀门阀座参数化设计方法，探讨冷却结构参数对阀座承压能力和冷却能力的影响规律，建立适应性结构优化方法，为高温高压阀门设计提供参考。
创新点：1.设计具有优良隔热能力的阀座冷却结构；2.基于MOGA模型提出阀座冷却结构参数化设计方法。
方法：1.通过理论分析，设计具有良好隔热能力的阀座冷却结构，验证其冷却能力。2.通过参数化建模，建立阀座冷却结构的几何模型，关联冷却结构特征参数和几何模型特征。3.通过仿真模拟进行参数敏感性分析（图8），提出基于MOGA模型的阀座冷却结构优化设计方法，建立优化的阀座冷却结构设计方案。
结论：1.提出的冷却结构设计方法可完整地描述阀座几何结构的特征；2.阀座冷却结构竖孔的设计深度和位置对于阀座的应力状态和平均温度具有显著影响；3.优化后的阀座结构平均温度可从242.47 °C降低到70.61 °C，阀座的平均应力可从115.22 MPa降低到100.02 MPa。

关键词组：热阀；风洞；应力；结构优化

Correspondence

Correspondence: Two-dimensional plane-strain consolidation for unsaturated soils under non-uniform trapezoidal loads

Chengjia TANG, Lei WANG, Sidong SHEN, Minjie WEN, Annan ZHOU

DOI: 10.1631/jzus.A2200525 Downloaded: 583 Clicked: 910 Cited: 0 Commented: 0(p.277-284) <Full Text>

Chinese summary <1> 非均匀梯形荷载下非饱和土二维平面应变固结特性研究

作者：唐程嘉¹，汪磊¹，沈思东¹，闻敏杰²，周安楠³
机构：¹上海工程技术大学，城市轨道交通学院，中国上海，201620；²浙江大学，软土与地质环境工程教育部重点实验室，中国杭州，310058；³墨尔本皇家理工学院，土木、环境和化学工程学院，澳大利亚墨尔本，VIC 3001
目的：在公路工程建设中，为使公路安全稳定，必须将原地面填筑成梯形路堤，而路堤的大小同时在宽度和高度上都有变化，这就造成了地面上的非均匀荷载。目前，关于固结特性的研究并没有考虑外部荷载沿水平方向的变化，且外部荷载被假定为随时间变化的、理想的均匀荷载。此外，由于气候条件的影响，实际工程中处理的通常是非饱和路基。基于此，本文旨在推导非均匀荷载下的非饱和土的二维平面应变固结的半解析解，并选择梯形荷载作为非均匀荷载的特例，研究非均匀梯形荷载下非饱和土的二维平面应变固结特性。
创新点：1.基于Dakshanamurthy和Fredlund二维平面应变固结理论，建立非均匀梯形荷载下非饱和土二维平面应变固结的参考模型；2.通过拉普拉斯变换与傅里叶展开推导非均匀荷载下非饱和土的二维平面应变固结的半解析解。
方法：1.建立非均匀梯形荷载下非饱和土二维平面应变固结的参考模型（图1）；2.推导非均匀荷载下非饱和土的二维平面应变固结的半解析解（公式(6),(7)和(9)）；3.绘制超孔隙压力与沉降在非均匀荷载下的变化图像，分析不同计算点、路肩宽度与路堤高度对固结特性的影响。
结论：1.不同计算点的超孔隙压力消散速度不同；路面下的超孔隙压力比路肩处的大很多，消散开始得晚，但消散速率快。2.路堤高度的增加会增加路面的最终沉降，但对路肩的影响较小。3.路肩的宽度和坡度都会影响路面和路肩的沉降；路基荷载越接近于均匀荷载，二维平面上的沉降就越均匀。

关键词组：非饱和土；非均匀荷载；二维平面应变固结；半解析解；拉普拉斯变换；傅里叶级数展开