工程科學學報

切縫藥包爆破定向斷裂機理及圍巖損傷特性分析

王雁冰, 李書萱, 耿延杰, 謝平 — 2023-04-01

王雁冰, 李書萱, 耿延杰, 謝平依據彈性波動理論，結合沖擊波在巖石或類巖石介質中的傳播規律，建立了切縫藥包爆破時切縫方向與非切縫方向的孔壁峰值應力、粉碎區和裂隙區范圍之間的比例關系。利用AUTODYN軟件建立了切縫藥包爆破模型，在其切縫方向與非切縫方向各等間距設置5個測點，對測點處的應力峰值、爆破振動速度峰值以及峰值對應的時間進行了分析。而后基于淮南礦區顧北煤礦的巷道爆破試驗，進行了普通藥包、切縫藥包以及不同周邊孔間距的爆破試驗，研究了切縫藥包以及周邊孔間距的大小對圍巖損傷度的影響。結果表明，使用切縫藥包爆破時，在其切縫方向會產生爆轟產物射流和應力集中，同時會減弱非切縫方向的應力峰值和爆破振動速度，延緩非切縫方向的能量傳播速度，減弱非切縫方向的能量傳播大小，從而達到定向斷裂的目的；通過現場試驗可以發現，使用切縫藥包比使用普通藥包爆破后，圍巖的損傷度下降了30%以上；當使用切縫藥包爆破時，隨著周邊孔間距的增大，爆后圍巖損傷度呈下降趨勢。工程科學學報. 2023 45(4): 521-532.

鹽度對疏水改性聚丙烯酰胺吸附行為的影響

鄒文杰, 饒博, 趙偉, 徐瑞景, 王廷 — 2023-04-01

鄒文杰, 饒博, 趙偉, 徐瑞景, 王廷選擇性絮凝分選是微細粒礦物高效分選的重要手段之一。為了強化絮凝劑在親水、疏水礦物表面的絮凝選擇性，將疏水基團十六烷基二甲基烯丙基氯化銨（C₁₆DMAAC）引入聚丙烯酰胺（PAM）分子鏈中合成了疏水改性聚丙烯酰胺（HMPAM），采用耗散型石英晶體微天平（QCM-D）研究了不同濃度K⁺和Ca²⁺對分散劑六偏磷酸鈉（SHMP）和HMPAM在親水和疏水化表面原位吸附行為的影響，并使用激光粒度分析儀分析了不同鹽度下SHMP和HMPAM對硅微粉及疏水改性硅微粉粒徑分布的影響。結果表明，不同鹽度環境下HMPAM均呈現了較好的絮凝選擇性。背景溶液分別為10 mmol?L^?1、100 mmol?L^?1 KCl及1 mmol?L^?1 CaCl₂時，QCM-D結果表明SHMP在疏水化表面均未形成吸附層，隨后HMPAM在疏水化表面發生吸附，且隨著鹽度的增加，HMPAM的吸附量增大且吸附層的耗散性降低；背景溶液為10 mmol?L^?1 CaCl₂時，SHMP也未抑制HMPAM在疏水化表面的吸附，形成了諧振頻率變化（Δf）為?18.3 Hz的吸附層。相比，100 mmol?L^?1 KCl時1 mmol?L^?1 SHMP在SiO₂表面形成薄而致密的吸附層，隨后抑制了HMPAM的吸附；10 mmol?L^?1 CaCl₂中SHMP在SiO₂表面形成耗散的吸附層，隨后10 mmol?L^?1 CaCl₂沖洗過程中沉積了較為致密的吸附層，也抑制了HMPAM吸附。不同鹽度下SHMP和HMPAM對硅微粉及疏水化硅微粉粒徑分布的影響與QCMD試驗結果相一致。本研究是選擇性絮凝分選中絮凝劑選擇與研發的重要研究基礎。工程科學學報. 2023 45(4): 533-540.

強制對流影響下Fe?C合金定向凝固微觀組織的相場法研究

曾紅波, 艾新港, 陳明, 王敏, 蔣加旋 — 2023-04-01

曾紅波, 艾新港, 陳明, 王敏, 蔣加旋定向凝固技術能夠獲得特定柱狀晶結構，對于優化合金軸向力學性能具有非常顯著的效果。本文采用耦合流場的相場模型模擬了定向凝固過程中枝晶的生長過程，研究了各向異性系數、界面能對定向凝固枝晶生長的影響以及強制對流作用下枝晶的生長行為。數值求解過程中，選用基于均勻網格的有限差分方法對控制方程進行離散，實現了格子中標記點算法（MAC）和相場離散計算方法的聯合求解。處理微觀速度場和壓力場耦合時，采用MAC算法求解Navier-Stokes方程和壓力Poisson方程，采用交錯網格法處理復雜的自由界面。結果表明：隨著各向異性系數的增大，枝晶尖端生長速度增大，曲率半徑減小，枝晶根部溶質濃度逐漸降低；隨著界面能的增大，枝晶尖端曲率半徑增大，當界面能為最大（0.6 J·m^?2）時，凝固呈現平界面的凝固方式向前推進；強迫對流對定向凝固枝晶生長方向影響較大，上游方向定向凝固枝晶粗大且生長速度更快，其現象隨流速的增大而愈加明顯。工程科學學報. 2023 45(4): 541-550.

CO–15%CO₂混合氣體還原碳化MoO₂制備Mo₂C的動力學機理分析

王璐, 李紅肖, 闕標華, 薛正良 — 2023-04-01

王璐, 李紅肖, 闕標華, 薛正良對CO–15%CO₂混合氣體還原碳化MoO₂制備Mo₂C的反應機理及其動力學展開研究并采用熱力學軟件FactSage 7.3、場發射掃描電子顯微鏡 (FE-SEM)、X射線衍射(XRD)、熱重(TG)、比表面積測試(BET)和模型擬合等手段和方法對實驗數據進行分析。結果表明：變溫實驗中，升溫速率越快，MoO₂的開始反應溫度和完全還原溫度越高；恒溫實驗中，溫度越高，MoO₂的還原碳化速率越快；反應前后物相組成表明MoO₂是經一步反應直接生成Mo₂C，沒有中間產物金屬Mo的生成，并且還發現所得Mo₂C基本與MoO₂具有一致的片狀形貌，但是由于氣體的進入與逸出、產物摩爾體積的縮小以及沉積碳的減少，Mo₂C顆粒表面會產生微孔和裂紋導致比表面積增長近20倍；動力學分析結果表明該還原碳化過程由形核長大與界面化學反應共同控制，其中形核長大過程占比68.9%，表觀活化能為80.651 kJ·mol^–1；界面化學反應占比31.1%，表觀活化能為121.002 kJ·mol^–1。工程科學學報. 2023 45(4): 551-559.

熱處理對SLM-316L不銹鋼組織結構及鈍化行為的影響機制

段智為, 滿成, 崔中雨, 董超芳, 王昕, 崔洪芝 — 2023-04-01

段智為, 滿成, 崔中雨, 董超芳, 王昕, 崔洪芝對SLM-316L不銹鋼在900 ℃下進行不同時間的熱處理，結合熱處理后SLM-316L不銹鋼的組織結構和腐蝕行為研究，揭示了SLM-316L不銹鋼在900 ℃熱處理過程中組織結構的演變規律以及其對鈍化行為的作用機制。研究結果表明，900 ℃熱處理時，在組織結構方面，SLM-316L不銹鋼晶粒的基本形狀和尺寸沒有明顯變化，但是隨著保溫時間延長，SLM-316L不銹鋼中的位錯和亞晶界逐漸消失，同時伴有MnS顆粒物沿晶界析出；在耐蝕性能方面，熱處理對SLM-316L不銹鋼的耐蝕性能產生重要影響，在含有NaCl的緩沖溶液中，SLM-316L不銹鋼的點蝕電位隨著保溫時間延長逐漸降低，同時電化學阻抗逐漸減小；此外，在鈍化膜性質方面，不同熱處理時間試樣上形成的鈍化膜有明顯差異，隨著保溫時間延長，SLM-316L不銹鋼鈍化膜的厚度逐漸減小，載流子的密度以及擴散系數變大。最后，通過構建不銹鋼鈍化膜能帶結構和空間電荷層的理論模型，討論了熱處理對SLM-316L不銹鋼鈍化行為的影響機制。工程科學學報. 2023 45(4): 560-568.

時效制度對6013鋁合金擠壓型材屈強比的影響

張瑞芳, 許吉, 馮鑫明, 趙帆, 張志豪 — 2023-04-01

張瑞芳, 許吉, 馮鑫明, 趙帆, 張志豪以擠壓態的6013鋁合金為研究對象，通過顯微硬度測試、單向拉伸實驗和組織分析，研究了自然時效、人工時效和回歸再時效處理時合金的力學性能變化規律。結果表明：自然時效峰值狀態（16 d）的抗拉強度為286 MPa，屈服強度為158 MPa，屈強比為0.54，適合塑性成形；將自然時效峰值狀態下的試樣進行回歸再時效處理（210 °C回歸0.5 h+170 °C峰值時效2 h），抗拉強度為362 MPa，屈服強度為336 MPa，屈強比達到0.92，抗塑性變形能力顯著增強。這是因為回歸再時效后析出相的尺寸減小，數密度顯著增大，析出強化效果顯著增強。而析出強化對屈服強度和抗拉強度的影響程度不同，因此可通過時效熱處理來調控屈強比，即通過自然峰值時效提高合金的塑性變形性能以成形零件，而在零件成形后采用回歸再時效提高其抗變形能力。工程科學學報. 2023 45(4): 569-576.

不銹鋼渣高溫改性?析晶調控解毒研究現狀及發展趨勢

張鑫, 張梅, 郭敏 — 2023-04-01

張鑫, 張梅, 郭敏截止到目前，鋼鐵工業普通固廢（高爐鐵渣）循環利用技術取得了重要進展，但仍存在固廢頑疾亟需處理。不銹鋼冶煉產生的含鉻（Cr）渣長期以來缺乏有效的無害化處置方法，環境隱患巨大。國內外專家學者通過添加還原物質、高溫調質及調節冷卻方式等以改變渣中鉻元素的賦存狀態，控制Cr⁶⁺的溶出，進而實現不銹鋼渣的解毒。其中，高溫改性?析晶調控方法可以通過調整鋼渣組分和控制溫度制度促進含鉻尖晶石相的形成和長大，提高鉻元素在尖晶石相中的富集程度，有望成為最有效且安全的無害化處理技術，在近些年得到快速發展。本文從不銹鋼渣高溫改性?析晶調控解毒的熱力學機理和結晶動力學原理出發，針對不銹鋼渣的高溫調質改性、解毒方面的研究進展進行了綜述。基于高溫調質?選擇性析晶的核心問題，重點闡述了改善解毒效果的方法和措施。另外，針對不銹鋼渣高溫改性?析晶調控解毒存在的問題提出了今后的發展方向。工程科學學報. 2023 45(4): 577-589.

二氧化鈦基材料光催化降解VOCs的研究進展

馬曉佳, 唐學靜, 靳鳳先, 沈伯雄, 郭盛祺 — 2023-04-01

馬曉佳, 唐學靜, 靳鳳先, 沈伯雄, 郭盛祺揮發性有機污染物（VOCs）大量排放導致的人體健康和環境問題已引起廣泛關注，如何高效環保地去除VOCs一直是催化化工行業領域的熱點和難題之一。光催化氧化技術（PCO）被認為是有效的環境污染物治理方法之一。TiO₂作為研究時間最長的光催化劑，具有成本效益高、穩定性好和光催化降解能力強等優點。然而，無法利用可見光和光激發電荷載流子分離效率低等瓶頸問題始終制約著其進一步發展。通過改性來克服TiO₂固有限制和提高TiO₂光催化氧化降解VOCs能力勢在必行，立足于TiO₂光催化去除VOCs的基本原理，面向影響光催化反應的關鍵因素，從摻雜、半導體復合、缺陷工程、晶面工程、載體吸附和形貌調控等幾個方面出發對近年TiO₂基材料設計及其在光催化降解VOCs領域應用的研究進行了系統的歸納和總結，并對如何進一步改進基于TiO₂的光催化氧化VOCs技術提出展望。工程科學學報. 2023 45(4): 590-601.

PECVD法原位滲氮表面改性鈦雙極板的性能

馮利利, 侯玉星, 湯思遙, 李栓, 鄭捷, 李星國 — 2023-04-01

馮利利, 侯玉星, 湯思遙, 李栓, 鄭捷, 李星國為了提升鈦雙極板的導電性和耐腐蝕性，利用氮氣等離子體原位滲氮法對鈦片（TA2）進行表面改性，制備了系列氮化鈦涂層，系統研究了反應溫度和滲氮時間對涂層表面形貌、疏水性、界面導電性和耐腐蝕性的影響。結果表明，溫度過高會導致氮化鈦生長過快，顆粒尺寸較大；溫度較低不利于表面反應，涂層不能完全覆蓋鈦基底；滲氮時間較短，表面生成不規則的納米生長核，致使涂層不平整、鈦基底裸露；滲氮時間過長，涂層呈階梯堆垛狀，平整度降低。650 °C下滲氮90 min制備的氮化鈦涂層（TiN-650-90）均勻平整，組成為TiN_0.26；TiN-650-90的水接觸角提升至105.4°，表面疏水性有利于改善燃料電池的水管理性能；界面接觸電阻（ICR）隨加載壓力增大而降低，2.75 MPa時TiN-650-90的ICR穩定至6.5 mΩ·cm²，滿足美國能源部（DOE）要求（≤10 mΩ·cm²）；TiN-650-90的腐蝕電流密度為0.56 μA·cm^–2，–0.1 V恒電位下的電流密度為0.67 μA·cm^–2，耐腐性和穩定性較鈦的明顯提升。該方法制備氮化鈦涂層表面改性鈦雙極板，具有沉積溫度低、速度快，疏水性、導電性和耐腐蝕性優良等優點，可為金屬雙極板表面改性提供方法借鑒和工藝參考。工程科學學報. 2023 45(4): 602-610.

多電飛機斷路器電弧機理及滅弧技術研究綜述

蔣原, 李擎, 苗磊, 呂萌, 武建文, 陳明軒 — 2023-04-01

蔣原, 李擎, 苗磊, 呂萌, 武建文, 陳明軒多電飛機指次級功率從機械能、液壓能、氣壓能等傳統的多能源體制統一為電能體制的飛機，具有系統結構簡單、可靠性高、可維護性高和能源利用率高等優點，其電力系統最先進的架構為360～800 Hz變頻交流電源和270 V直流電源，目前已在空客A380、波音B787、F-22等多電飛機中應用。但隨著用電功率的增加，多電飛機的配電、用電網絡以及線纜布局將變得更復雜，發生短路等電氣故障的概率明顯加大。故障電流產生的電弧不僅嚴重影響線纜和用電設備的壽命、可靠性和安全性，還將限制航空電力系統擴容和飛行性能提升。多電飛機斷路器是滅弧的關鍵器件，通過分析斷路器中電弧放電過程的復雜機理，可有助于提升其滅弧性能。為深入推進多電飛機電力系統中斷路器電弧理論與滅弧技術研究的開展，首先分析了民用和軍用多電飛機電力系統的結構以及電氣故障保護的難點，然后分別歸納了航空變頻交流斷路器和270 V直流斷路器中電弧理論與滅弧技術的研究現狀，最后預測了未來航空保護電器滅弧技術的發展趨勢。工程科學學報. 2023 45(4): 611-620.

基于深度學習的礦石圖像處理研究綜述

王偉, 李擎, 張德政, 栗輝, 王昊 — 2023-04-01

王偉, 李擎, 張德政, 栗輝, 王昊聚焦于礦石勘探和將礦石破碎篩分后的皮帶運輸兩個環節，系統總結了深度學習技術在礦石圖像處理中的主要應用，包括礦石分類、粒度分析和異物識別等任務，并分門別類地梳理了完成以上三大任務的常用算法及其優缺點。其中，礦石分類在地質勘探中起著重要作用；粒度分析能為破碎機和傳送皮帶的控制提供參考依據，還能識別出給礦皮帶上過大尺寸的礦石，防止處于給礦皮帶和受礦皮帶之間的轉運緩沖倉內發生堵料事故；異物識別能將皮帶上混在礦石中的有害物品檢測出來。工程科學學報. 2023 45(4): 621-631.

基于零知識證明的智能合約投票系統設計與實現

殷紅建, 朱巖, 王靜, 郭光來, 陳娥 — 2023-04-01

殷紅建, 朱巖, 王靜, 郭光來, 陳娥作為一種具有法律約束力的程序，智能合約為電子投票系統提供了可信執行平臺．然而，由于合約部署在公開透明的區塊鏈上，這將為投票內容的有效性與隱私性帶來巨大威脅．為了解決上述問題，基于交互式零知識證明技術設計了智能合約投票系統．首先，提出了一個新的交互式零知識集合成員關系證明協議，使得投票者在不泄露投票內容的前提下，完成對投票內容有效性的驗證，從而避免無效選票對投票系統的影響．其次，本文通過智能合約規范語言SPESC對投票合約進行描述并對投票各個階段的觸發條件進行限定，通過將合約以JAR包形式上傳至區塊鏈，實現智能合約投票系統的部署和自動化執行．最后，對智能合約投票系統的性能進行分析，實驗結果表明該系統投票和計票階段均可高效實施，為密碼協議構造技術與智能合約投票系統的有效結合提供參考．工程科學學報. 2023 45(4): 632-642.

基于Stackelberg博弈的鋼鐵企業余熱余壓發電的上網電價策略

張朝, 張欣欣 — 2023-04-01

張朝, 張欣欣研究鋼鐵行業余熱余壓發電與傳統火力發電組成的電力市場，分析鋼鐵企業余熱余壓發電上網電價策略。建立了有關鋼鐵企業、傳統化石燃料發電企業和地方政府三方的斯坦克爾伯格博弈（Stackelberg）模型，比較余熱余壓發電技術上網電價的三種定價策略（固定價格、固定溢價和可變溢價），并進行了數值模擬分析市場規模、余熱余壓發電成本系數和鋼鐵企業環境成本對最優規制價格、最優鋼鐵企業利潤和最優社會總福利的影響。結果表明：三種定價策略下最優規制價格、最優鋼鐵企業利潤和最優社會總福利差異非常大。不同偏好的政策制定者會從不同的風險性和補貼選擇不同的定價策略。其中，風險性大和補貼高是最優規則價格中的可變溢價策略、最優鋼鐵企業利潤中的固定溢價策略和最優社會總福利中的可變溢價策略；風險性低和補貼低是最優規則價格中的固定價格策略、最優鋼鐵企業利潤中的固定價格策略和最優社會總福利中的固定溢價策略；其他情形的風險性和補貼位于這兩種情況之間。工程科學學報. 2023 45(4): 643-653.

雷暴天氣下的多航班備降動態優化方案

王巖韜, 劉錕, 趙嶷飛 — 2023-04-01

王巖韜, 劉錕, 趙嶷飛空中多次備降極易導致低油量等不安全事件發生。針對區域內多航班集體備降這一問題，選取其中最復雜情況，即航路或終端區存在雷暴天氣，首先通過搜集和統計氣象數據與歷史航跡，得到雷暴天氣下飛行限制區的劃設標準；然后，將前往備降場方式分為機動飛行與沿航路飛行兩類，分別使用A*與改進灰狼?Dijkstra方法開展改航路徑規劃；先以備降航班飛行總時長最短為單目標，再綜合飛行、管制、機場、航空公司等多方期望構建多目標函數，定義動態決策時間間隔，提出一種基于單目標與多目標的區域內多航班備降動態優化方案；最后，使用“8.12”華北運行數據開展仿真驗證，在單目標與多目標方案中，面向機動飛行A*算法所得結果分別將飛行總時長減少了100 min和62 min，而面向按照航路飛行的改進灰狼?Dijkstra算法所得總時長分別減少73 min和14 min；并且，在多目標方案中，航班恢復飛往原目的地的時間整體提前了63 min，總成本降低了6.29萬元。以上說明，該方案在保證航班備降安全基礎上，可兼顧多方需求，提升經濟與效率。工程科學學報. 2023 45(4): 654-662.

深度學習在電力系統預測中的應用

苗磊, 李擎, 蔣原, 崔家瑞, 王義軒 — 2023-04-01

苗磊, 李擎, 蔣原, 崔家瑞, 王義軒電力系統預測主要包括負荷預測、出力預測以及健康狀態預測等。通過負荷預測，可以優化電力生產規劃，從而更好地實現電能的精細化分配；通過出力預測，可以有效提升新能源電力消納能力，實現電能的充分及合理利用；通過電力設備健康狀態預測，可以及時發現設備運行隱患，從而進一步保障電力系統平穩安全運行。深度學習憑借其卓越的特征分析和預測能力，被廣泛應用于電力系統運行及維護。本文首先歸納介紹了電力系統預測深度學習模型的特點、適用場景；其次，梳理了深度學習在面向民用及工業場景負荷預測、光伏及風電出力預測、機械及非機械設備健康狀態預測中的應用前沿；最后，對深度學習在電力系統預測中所面臨的關鍵問題、發展趨勢進行了總結和展望。工程科學學報. 2023 45(4): 663-672.

生物質微波制氫工藝溫控仿真及工業設計優化

吳斯侃, 肖彬, 王鑫, 張彪, 王博, 宋永一 — 2023-04-01

吳斯侃, 肖彬, 王鑫, 張彪, 王博, 宋永一利用微波對生物質進行熱解制氫是一種高效、快速、環保的技術手段，由于木質素是自然界唯一可再生的芳香碳氫資源，因此以木質素為主的林木類生物質是一種很好的制氫原料。目前制約其工業化的因素主要來自微波熱點效應，因此本文通過生物質在不同微波頻率下的穿透深度，對反應器進行整體建模設計，并通過正交設計仿真、CFD及HYSYS模擬來分別獲得均勻溫度場的工況條件、最佳反應器高徑比以及工業化裝置最大產品量時的操作參數。結果表明，當微波功率密度為30 W·g^–1, 物料顆粒半徑為4 mm，物料堆積密度為800 kg·m^–3，反應器高徑比為2.0，水蒸氣中段和末段通量分別為290和1230 m³·h^–1時，可以獲得最大量氫氣產品且溫度場均勻，此時溫度場的變異系數為0.009，氫氣的產量為922.98 m³·h^–1，摩爾分數為0.4781，產率為82.49%。工程科學學報. 2023 45(4): 673-680.

微生物合成己酸的基本原理：能量代謝及影響因素

馬鴻志, 武文宇, 于子強, 趙繼華, 高明, 汪群慧 — 2023-04-01

馬鴻志, 武文宇, 于子強, 趙繼華, 高明, 汪群慧微生物合成己酸是一種在微生物作用下，利用電子供體和電子受體開展β氧化逆循環，將短鏈脂肪酸通過厭氧發酵碳鏈延長為高價值的六碳己酸的方法。為了提高己酸產量，明確微生物合成己酸過程中還原酶與能量的供給關系、影響因素的最適范圍和影響機理十分重要。本文首先介紹了以乳酸和乙醇為電子供體的碳鏈延長機理與其中的競爭途徑，并探討了碳鏈延長中各步驟的還原酶與能量的供給關系；然后討論了乳酸和乙醇作為電子供體的碳鏈延長的pH最適范圍與頂空氣體（CO₂、H₂）的作用機理；最后介紹了生物電化學強化己酸合成的研究，并對今后的應用給予了展望，以期為擴大微生物合成己酸應用范圍與提高產率產量提供理論指導。工程科學學報. 2023 45(4): 681-692.